本地文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)更新模式研究.pdf

1、文件系統(tǒng)的主要作用是組織和存取用戶數(shù)據(jù)。文件系統(tǒng)在磁盤上組織用戶數(shù)據(jù)的時候一般涉及到多個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之間存在一致性關(guān)聯(lián)。文件系統(tǒng)在將內(nèi)存中修改的數(shù)據(jù)寫回磁盤時一般使用兩種基本策略：原地更新和異地更新。原地更新是指將存儲介質(zhì)上的數(shù)據(jù)塊讀取到內(nèi)存，進行修改，然后再寫回到其原始位置。而異地更新是指將存儲介質(zhì)上的數(shù)據(jù)讀取到內(nèi)存，進行修改，然后寫到一個新位置（這個過程中不覆蓋舊數(shù)據(jù)）。文件系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)更新時需要確保磁盤上的文件系統(tǒng)的各個

2、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在更新之后仍然處于一致的狀態(tài)，這個更新過程面臨的最大挑戰(zhàn)是系統(tǒng)可能會隨時崩潰。為了解決這個問題，學(xué)術(shù)界提出了多種文件系統(tǒng)更新模式，這些更新模式大致可以劃分為五類：無序原地更新、有序原地更新、日志更新、異地更新以及混合更新。在這五類更新模式中，應(yīng)用最廣泛、影響最大的是日志更新和異地更新。然而這兩種更新模式自身的固有問題卻很少被學(xué)術(shù)界深入分析和研究。
　　針對日志更新固有的寫兩次問題，提出了一種新的智能日志更新模式。該模式的核

3、心思想是攔截上層文件系統(tǒng)發(fā)往底層存儲設(shè)備的I/O請求，然后將這些I/O請求智能的重定向到日志空間和文件系統(tǒng)空間。其主要涉及四項技術(shù)：（1）智能探測上層文件系統(tǒng)的類型，并提取磁盤上空間分配信息；（2）智能識別文件系統(tǒng)發(fā)往底層存儲設(shè)備的寫請求是否是覆蓋性寫，若是覆蓋性寫則將其寫到日志空間，否則將其原地更新到文件系統(tǒng)空間；（3）智能識別文件系統(tǒng)發(fā)往底層存儲設(shè)備的讀請求的目標(biāo)磁盤塊是否已被寫到日志空間，若是則將讀請求重定向到日志空間，否則直接發(fā)

4、到文件系統(tǒng)空間；（4）在合適的時機將日志空間中保存的數(shù)據(jù)寫回到文件系統(tǒng)空間。在Ext3的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了一個原型系統(tǒng)，對其性能進行實測，并分別同Ext3的數(shù)據(jù)日志（data journal）模式和有序日志（ordered）模式進行對比。實驗表明，該智能日志原型系統(tǒng)突破了現(xiàn)有系統(tǒng)在提供版本級一致性和性能上不能兼顧的難題，既確保了版本級一致性，又達到類似有序日志運行模式的性能。
　　針對異地更新固有的遞歸更新問題，提出了一種遞歸更新的分析

5、模型，并使用該模型對遞歸更新問題進行了系統(tǒng)研究。首先針對單一B樹的遞歸更新問題進行建模，分析其可能導(dǎo)致的寫放大效應(yīng)，然后將該模型推廣到典型的寫時復(fù)制（采用異地更新策略）文件系統(tǒng)中。通過仔細設(shè)計的實驗，對該模型的正確性進行了驗證。之后，通過對該模型進行模擬計算，發(fā)現(xiàn)被存取文件在文件系統(tǒng)中的分布情況是影響整個文件系統(tǒng)的遞歸更新寫放大效應(yīng)的決定性因素。另外進一步研究發(fā)現(xiàn)寫放大效應(yīng)也會被其它因素所影響，包括存取的文件數(shù)量、文件系統(tǒng)中已有文件的數(shù)

6、量以及文件系統(tǒng)樹的空間使用率等。
　　針對異地更新固有的遞歸更新問題，提出了一種同時支持原地更新和異地更新的文件系統(tǒng)，使用該系統(tǒng)對遞歸更新進行實證研究，揭示出影響文件系統(tǒng)寫放大效應(yīng)和性能的新現(xiàn)象和新規(guī)律。以 BTRFS文件系統(tǒng)（本身為寫時復(fù)制文件系統(tǒng)，采用異地更新策略）作為研究對象，對其進行擴展以同時支持原地更新和異地更新兩種更新模式，然后通過復(fù)雜全面的對照實驗，分別考察在不同的工作負載和存儲設(shè)備上這兩種更新模式在性能和寫放大方面