存儲(chǔ)系統(tǒng)I-O調(diào)度策略和數(shù)據(jù)分布方案的研究.pdf

1、在過去的幾十年，計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)系統(tǒng)與CPU之間的性能差距進(jìn)一步拉大，特別是隨著多核技術(shù)的發(fā)展，這種差距還將越來越大。與此同時(shí)，出現(xiàn)了互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)等新型應(yīng)用，導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)規(guī)模的急劇增長(zhǎng)，存儲(chǔ)系統(tǒng)成為制約計(jì)算機(jī)性能提高的瓶頸。盡管傳統(tǒng)的存儲(chǔ)系統(tǒng)采用了很多提高I/O性能的技術(shù)，例如緩存、RAID并行機(jī)制、預(yù)取機(jī)制等，但并不能從根本上改善存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能。近年來，NAND閃存的低延遲、低能耗、體積小、抗震等優(yōu)點(diǎn)，使之被廣泛的應(yīng)用于便攜式電子

2、設(shè)備。隨著閃存的價(jià)格逐年下降，基于NAND閃存的固態(tài)硬盤越來越多的應(yīng)用在個(gè)人PC和企業(yè)存儲(chǔ)系統(tǒng)。但固態(tài)硬盤不支持原地更新、讀寫不對(duì)稱等缺點(diǎn)，使之不能夠完全的取代傳統(tǒng)機(jī)械硬盤。因此，采用機(jī)械硬盤和固態(tài)硬盤的混合硬盤技術(shù)隨之產(chǎn)生了，大多數(shù)的混合硬盤將固態(tài)硬盤作為機(jī)械硬盤的緩存。并沒有充分發(fā)揮機(jī)械硬盤和固態(tài)硬盤各自的長(zhǎng)處。
　　本文主要研究了機(jī)械硬盤和固態(tài)硬盤的相關(guān)策略和方法，其主要目標(biāo)是提高存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能。主要研究?jī)?nèi)容包括：機(jī)械硬盤的

3、I/O調(diào)度策略的研究、NAND閃存轉(zhuǎn)換層策略的研究、基于固態(tài)硬盤的RAID-6技術(shù)的研究和混合磁盤數(shù)據(jù)分布方案的研究。
　　本文的具體研究如下：一、針對(duì)機(jī)械硬盤預(yù)期調(diào)度算法不能適應(yīng)負(fù)載的動(dòng)態(tài)變化，提出了一種基于負(fù)載特性的和服務(wù)時(shí)間評(píng)估的預(yù)期調(diào)度算法（Workload Characteristic and Service Time Evaluation AS）,簡(jiǎn)稱WPCAS。該算法依據(jù)負(fù)載特性為每類進(jìn)程指定不同的預(yù)期周期長(zhǎng)度，并且

4、根據(jù)服務(wù)時(shí)間決定是否預(yù)期下一個(gè)I/O請(qǐng)求。二、針對(duì)閃存轉(zhuǎn)換層（FTL）的BAST和FAST策略會(huì)帶來昂貴的垃圾回收開銷，提出了一種基于頁(yè)面寫相關(guān)的閃存轉(zhuǎn)換層策略（Page Write-related Sector Translation）,簡(jiǎn)稱PWRST。該策略主要將寫相關(guān)的頁(yè)面存儲(chǔ)在同一數(shù)據(jù)塊。達(dá)到提高固態(tài)硬盤性能和延長(zhǎng)固態(tài)硬盤使用壽命的目標(biāo)。三、針對(duì)傳統(tǒng)的RAID-6會(huì)帶來校驗(yàn)信息的頻繁更新，降低磁盤陣列的性能和縮短固態(tài)硬盤的使用壽

5、命，提出了一種延遲寫入校驗(yàn)信息的PRAID-6（Parity RAID-6）。這種方案在數(shù)據(jù)更新時(shí)，只計(jì)算部分校驗(yàn)塊，并將部分校驗(yàn)塊寫入非易失性存儲(chǔ)器。當(dāng)垃圾回收發(fā)生時(shí)，計(jì)算完整的校驗(yàn)信息，寫入固態(tài)硬盤。PRAID-6降低了磁盤陣列的響應(yīng)時(shí)間和延緩了固態(tài)硬盤的損耗。四、通過分析了實(shí)際存儲(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行的負(fù)載，并綜合考慮了機(jī)械硬盤和固態(tài)硬盤各自的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了一種混合磁盤陣列架構(gòu)（HRAID-5）。HRAID-5由多個(gè)機(jī)械硬盤和1個(gè)固態(tài)硬盤組成