基于預(yù)取的磁盤存儲(chǔ)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)研究.pdf

1、磁盤占據(jù)數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的統(tǒng)治性地位,磁盤的節(jié)能控制對(duì)降低數(shù)據(jù)中心總運(yùn)營成本和節(jié)能減排都具有重要意義。然而,磁盤的節(jié)能控制在實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)用中卻存在諸多困難和挑戰(zhàn)。磁盤能耗狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過程需要耗費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間和較多的電能,容易造成系統(tǒng)讀寫服務(wù)的響應(yīng)時(shí)間延遲,并且會(huì)影響磁盤的使用壽命,以往基于緩沖區(qū)預(yù)取的磁盤節(jié)能方法,大多未就系統(tǒng)性能和磁盤壽命進(jìn)行綜合考慮。另一方面,對(duì)單個(gè)磁盤的節(jié)能控制會(huì)影響數(shù)據(jù)中心存儲(chǔ)系統(tǒng)的整體性能。研究保證磁盤可靠性和系統(tǒng)

2、總體性能的能耗感知預(yù)取技術(shù)以及磁盤存儲(chǔ)系統(tǒng)的自組織節(jié)能行為,是一項(xiàng)重要和緊迫的研究課題。
　　圍繞基于預(yù)取的磁盤存儲(chǔ)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù),從理論分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)測(cè)試得出了以下一些研究成果。
　　現(xiàn)有的能耗感知貪婪式預(yù)取方法PGP(Power-awareGreedyPrefetching),通過將請(qǐng)求數(shù)據(jù)提前讀入內(nèi)存增大磁盤空閑時(shí)間間隔,是一種啟發(fā)式的、具有一定實(shí)際效果的磁盤節(jié)能方法。在對(duì)PGP的預(yù)取機(jī)制分析中,發(fā)現(xiàn)PGP未對(duì)預(yù)取

3、的啟動(dòng)時(shí)間和預(yù)取長(zhǎng)度進(jìn)行分析。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)磁盤的空閑時(shí)間序列可能因預(yù)取啟動(dòng)時(shí)間和預(yù)取長(zhǎng)度變化而變化,從而導(dǎo)致磁盤的總節(jié)電量減少和能耗狀態(tài)轉(zhuǎn)換次數(shù)增加。綜合磁盤本身的屬性、任務(wù)序列整體性能要求、磁盤的節(jié)能以及磁盤可靠性,建立了針對(duì)大規(guī)模數(shù)據(jù)中心磁盤存儲(chǔ)系統(tǒng)的能耗感知預(yù)取優(yōu)化框架。
　　建立了針對(duì)單磁盤單數(shù)據(jù)流能耗感知預(yù)取優(yōu)化模型DiscPOP,磁盤的節(jié)能目標(biāo)函數(shù)和約束條件被證明為0-1整型線性規(guī)劃問題。磁盤空閑時(shí)間序列過長(zhǎng),導(dǎo)致求

4、解DiscPOP最優(yōu)解的復(fù)雜度提高。貪婪分割算法是一種離線的、分而治之的策略,過濾掉磁盤空閑時(shí)間序列中的連續(xù)無效序列,將總的空閑時(shí)間序列分割成較短的子序列,通過線性規(guī)劃解決器得到各個(gè)子序列的能耗感知預(yù)取最優(yōu)解。提出了基于延緩開始機(jī)制的能耗感知預(yù)取在線算法,通過簡(jiǎn)單的控制條件,使得系統(tǒng)智能地選定一個(gè)啟動(dòng)點(diǎn)進(jìn)行能耗感知預(yù)取,達(dá)到節(jié)能優(yōu)化和磁盤能耗周期轉(zhuǎn)換次數(shù)減少的目標(biāo)。利用基于庫存論的供應(yīng)鏈管理模型,提出應(yīng)用于多數(shù)據(jù)流的單磁盤能耗感知預(yù)取方

5、法。通過對(duì)磁盤進(jìn)行分組,利用單磁盤能耗感知預(yù)取最優(yōu)解,提出一種2-競(jìng)爭(zhēng)性的多磁盤能耗感知預(yù)取優(yōu)化方法,并擴(kuò)展至多組磁盤或者具有鏡像磁盤的結(jié)構(gòu)中。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,DiscPOP及其擴(kuò)展方案降低了磁盤能耗并減少了磁盤能耗轉(zhuǎn)換周期次數(shù)。
　　研究固態(tài)盤和DRAM(DynamicRandomAccessMemory,動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)內(nèi)存)組成混合緩存結(jié)構(gòu)的能耗感知預(yù)取方法。通過對(duì)多順序流的異步預(yù)取分析,發(fā)現(xiàn)混合緩存中的固態(tài)盤不僅會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的寫放大

6、問題,還會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的交織隨機(jī)讀寫負(fù)載。提出了三個(gè)針對(duì)混合緩存的能耗感知預(yù)取優(yōu)化規(guī)則,分別是通過對(duì)順序流進(jìn)行分類動(dòng)態(tài)調(diào)整預(yù)取長(zhǎng)度和觸發(fā)距離、將不同到達(dá)速率的順序流數(shù)據(jù)分別緩存在固態(tài)盤和DRAM上以及將固態(tài)盤上同一個(gè)順序流的部分異步預(yù)取數(shù)據(jù)緩存于DRAM中消除交織讀寫情況?；谶@三個(gè)預(yù)取規(guī)則提出了一種啟發(fā)式的、面向混合緩存的協(xié)同式自適應(yīng)能耗感知預(yù)取算法CAP,并重新設(shè)計(jì)緩存設(shè)備固態(tài)盤上的頁面管理機(jī)制,降低固態(tài)盤作緩存時(shí)產(chǎn)生的碎片程度。經(jīng)實(shí)驗(yàn)

7、驗(yàn)證,CAP提高了系統(tǒng)的吞吐量,減少了固態(tài)盤寫入速度,并優(yōu)化了磁盤上的空閑空間序列,減少了磁盤的耗電量。
　　提出了一種針對(duì)數(shù)據(jù)中心大規(guī)模磁盤存儲(chǔ)系統(tǒng)的理想化能耗優(yōu)化數(shù)據(jù)布局方法。依照數(shù)據(jù)訪問的頻度篩選出熱點(diǎn)數(shù)據(jù),并將其多個(gè)副本按照分組分別存儲(chǔ)在各個(gè)磁盤組上,為大規(guī)模磁盤存儲(chǔ)系統(tǒng)提供與能耗成比例的服務(wù),需要打開的磁盤個(gè)數(shù)與需要提供的數(shù)據(jù)訪問吞吐量成正比。利用動(dòng)力學(xué)方法建立了一個(gè)針對(duì)大規(guī)模磁盤存儲(chǔ)系統(tǒng)節(jié)能分析的二維元胞自動(dòng)機(jī)模型。分