基于多介質(zhì)設備的混合存儲系統(tǒng)關鍵技術(shù)研究.pdf

1、閃存和固態(tài)硬盤近年來受到了學術(shù)界和工業(yè)界的高度關注。閃存是一種電信號驅(qū)動的固態(tài)存儲介質(zhì)，具有高性能、低能耗、小巧輕便等特點，它已經(jīng)被廣泛應用于嵌入式系統(tǒng)和移動設備中。隨著閃存存儲密度不斷提高，基于閃存的固態(tài)硬盤（Solid State Drive，SSD）逐漸普及。作為電子設備，固態(tài)硬盤突破了傳統(tǒng)磁盤的機械限制，具有高速讀，低噪聲、低功耗等優(yōu)點，它的性能可以縮小存儲設備和計算設備的性能差距，有利于解決計算機系統(tǒng)的性能瓶頸。因此，固態(tài)硬盤

2、成為一種重要的二級存儲設備，在個人PC和企業(yè)級存儲應用中得到廣泛歡迎。
　　但是，固態(tài)硬盤也繼承了閃存的缺點，包括讀寫不對稱性、擦除磨損等，而且現(xiàn)階段的軟件系統(tǒng)都是針對磁盤設計的，不能完全發(fā)揮固態(tài)硬盤的性能優(yōu)勢，高昂的存儲價格也進一步阻礙了固態(tài)硬盤的普及。這些因素導致現(xiàn)階段固態(tài)硬盤無法完全取代磁盤，固態(tài)硬盤和磁盤共存才是未來存儲系統(tǒng)發(fā)展的趨勢，因此，混合存儲技術(shù)的研究課題引起了學術(shù)界的關注。
　　基于固態(tài)硬盤和磁盤兩種不同介

3、質(zhì)存儲設備的混合存儲技術(shù)是一個全新的研究課題。針對這一背景，本論文對混合存儲和閃存索引技術(shù)領域的已有研究成果進行總結(jié)，分析了該領域研究的關鍵問題，并對混合存儲和固態(tài)硬盤上的索引技術(shù)展開了研究工作。
　　基于固態(tài)硬盤和磁盤的混合存儲技術(shù)主要面向3種存儲模型展開研究:a.主存-磁盤-固態(tài)硬盤、b.主存-固態(tài)硬盤-磁盤、c.主存-固態(tài)硬盤&磁盤。a類存儲模型針對低端固態(tài)硬盤提出，以磁盤作為固態(tài)硬盤的寫緩存，利用磁盤來優(yōu)化固態(tài)硬盤的隨機寫

4、，降低固態(tài)硬盤的寫磨損;b類模型針對高端固態(tài)硬盤，以固態(tài)硬盤作為磁盤的緩存設備，利用固態(tài)硬盤的高性能來提高存儲系統(tǒng)整體性能;c類模型將固態(tài)硬盤和磁盤作為同級的存儲設備進行管理。本論文分別在3種存儲模型下，對混合存儲中的關鍵技術(shù)，如數(shù)據(jù)劃分、遷移操作、多級緩存、混合索引等進行深入研究，提出了一系列混合存儲的算法，包括利用頁面訪問信息計算數(shù)據(jù)讀寫傾向性，利用訪問冷熱度的思想分析頁面的訪問頻度，利用聚塊遷移的方法降低遷移代價，以及針對讀寫不對

5、稱性的不對稱混合機制等等。
　　為了促進固態(tài)硬盤在混合存儲系統(tǒng)中的高性能應用，本論文對固態(tài)硬盤相關的B+樹索引也展開了研究工作。論文首先總結(jié)了固態(tài)硬盤上B+樹研究的常見方法，分析了B+樹索引的讀寫特點，指出傳統(tǒng)的B+樹結(jié)構(gòu)是一種讀寫隨機性很強的結(jié)構(gòu)，然后論文基于混合存儲系統(tǒng)和單一的閃存設備分別對B+樹進行了改進優(yōu)化。在混合存儲系統(tǒng)中，本文提出了一種適應磁盤和固態(tài)硬盤特點的新型混合 B+樹，通過改進混合B+樹的葉子節(jié)點，減少了整個B

6、+樹的寫操作，并且固態(tài)硬盤使B+樹的訪問性能也得以提高;在單一閃存設備上，本文基于“以讀換寫”的思想，提出采用Bloom Filter的方法對溢出節(jié)點機制進行改進，成功解決了溢出節(jié)點機制中讀代價過高的問題，同時實現(xiàn)了讀寫代價的優(yōu)化。
　　本論文還討論了閃存以及混合存儲研究缺乏硬件環(huán)境支持的問題，將這些問題總結(jié)為硬件約束對研究工作的妨礙，為此，本文從硬件實現(xiàn)和軟件仿真兩個方面對硬件約束問題嘗試解決。在硬件實現(xiàn)方面，本文提出一個軟件硬

7、件結(jié)合的實驗平臺以支持固態(tài)硬盤技術(shù)的研究工作;在軟件仿真方面，本論文基于DiskSim提出了一個混合存儲的仿真實驗平臺，實現(xiàn)了比較準確的硬件仿真。
　　論文的主要貢獻包括以下幾個方面:
　　(1)基于固態(tài)硬盤和磁盤同級的架構(gòu)，提出一種時間敏感的混合存儲模型。該模型通過頁面訪問信息計算讀寫傾向，通過訪問熱度使統(tǒng)計信息的影響隨著時間衰減，從而實現(xiàn)對負載變化的快速感應，并且通過性價比分析獲得該模型下最佳的固態(tài)硬盤和磁盤比例。

8、>　　(2)基于磁盤作寫緩存的架構(gòu)，提出一種具有不對稱處理機制的混合存儲模型。該模型通過不對稱的遷移觸發(fā)機制和不對稱的遷移操作方式，實現(xiàn)了對固態(tài)硬盤寫操作的優(yōu)化。
　　(3)基于固態(tài)硬盤作緩存的架構(gòu)，提出一種新型的B+樹葉子結(jié)構(gòu)，利用固態(tài)硬盤和磁盤的特點進行互補，不僅降低B+樹的整體寫代價，而且在保證性能的前提下降低了B+樹對緩沖區(qū)的依賴，這是傳統(tǒng)算法在混合存儲上的改進。
　　(4)在單一閃存設備上，提出一種基于溢出節(jié)點機制

9、和Bloom Filter的B+樹結(jié)構(gòu)。利用溢出節(jié)點機制大幅降低寫代價，利用Bloom Filter彌補溢出節(jié)點機制的缺點，實現(xiàn)了對讀代價的控制。通過該方法，本文不僅使讀寫代價都得以優(yōu)化，而且將B+樹整個結(jié)構(gòu)建立在數(shù)學分析基礎上，使B+樹優(yōu)化問題轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€數(shù)學分析問題而和設備參數(shù)無關了。
　　(5)針對閃存相關研究中的硬件約束問題，本文分別從硬件設計和軟件仿真兩個方面提供了解決方案，使研究者可以方便地在多個閃存設備上展開研究工作，