基于負(fù)載感知的存儲(chǔ)系統(tǒng)及設(shè)備自適應(yīng)多維屬性?xún)?yōu)化.pdf

1、對(duì)當(dāng)前的存儲(chǔ)系統(tǒng)及設(shè)備，能耗和實(shí)際應(yīng)用程序的性能逐漸超越簡(jiǎn)單的硬件特性成為重要性能評(píng)估指標(biāo)之一。這主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面。其一，隨著硬件和電力開(kāi)銷(xiāo)的上升，系統(tǒng)及設(shè)備的功耗和可靠性越來(lái)越成為一個(gè)重要的衡量指標(biāo)。因此，節(jié)能型存儲(chǔ)系統(tǒng)近年來(lái)受到廣泛關(guān)注。其二，由于系統(tǒng)和應(yīng)用的復(fù)雜性增加，對(duì)系統(tǒng)及設(shè)備的性能評(píng)價(jià)逐漸由單純的器件級(jí)性能評(píng)價(jià)體系變?yōu)榛趹?yīng)用的性能評(píng)價(jià)方法。例如，固態(tài)盤(pán)設(shè)備理想情況下可以達(dá)到低于20us的延遲，但是因?yàn)楦鲗哟鎯?chǔ)軟件的開(kāi)銷(xiāo)相

2、對(duì)增加，導(dǎo)致應(yīng)用程序通常僅能獲得其不足50％的性能，器件性能并不能被應(yīng)用程序充分利用。本文對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)從以上兩個(gè)方面進(jìn)行了多維屬性的研究。
　　近年來(lái)，存儲(chǔ)系統(tǒng)及設(shè)備的功耗模型和節(jié)能方案已有大量的研究成果。然而相關(guān)存儲(chǔ)系統(tǒng)及設(shè)備的溫度模型，以及功耗和溫度之間的關(guān)系卻少有研究。有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，存儲(chǔ)設(shè)備的溫度對(duì)其壽命及錯(cuò)誤率有重要影響，從而也影響著系統(tǒng)的可靠性。由于主要的節(jié)能存儲(chǔ)系統(tǒng)，如MAID及PARAID，均采用把I/O負(fù)載集中在少

3、數(shù)硬盤(pán)上的策略，使得數(shù)據(jù)中心的溫度不能均勻分布。這樣既增加了制冷的難度也影響了系統(tǒng)可靠性。為了研究存儲(chǔ)系統(tǒng)中溫度和功耗的關(guān)系，本文搭建了大規(guī)模硬盤(pán)溫度測(cè)量平臺(tái)對(duì)單個(gè)硬盤(pán)設(shè)備進(jìn)行在線的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并建立和驗(yàn)證了在線溫度預(yù)測(cè)模型，完成了對(duì)硬盤(pán)溫度的突變、過(guò)度和動(dòng)態(tài)平衡等過(guò)程的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。
　　針對(duì)節(jié)能型存儲(chǔ)系統(tǒng)中，局部高負(fù)載硬盤(pán)設(shè)備的溫度過(guò)熱問(wèn)題，提出通過(guò)增加溫度負(fù)反饋對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行溫度限制的方法。通過(guò)改進(jìn)節(jié)能存儲(chǔ)系統(tǒng)，增加溫度限制條件，

4、提出的溫度受限的節(jié)能存儲(chǔ)系統(tǒng)改變了系統(tǒng)的溫度特性，在節(jié)能的同時(shí)提高系統(tǒng)的可靠性，對(duì)實(shí)際系統(tǒng)有巨大的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。并從控制理論角度對(duì)不同的溫度控制方法進(jìn)行了理論分析和對(duì)比。由于設(shè)備溫度變化有較高的遲滯性和隨機(jī)性，本文引入了模糊決策的控制理論和方法對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)的I/O調(diào)度策略進(jìn)行多維度優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了溫度閥值的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。
　　在新型存儲(chǔ)器件的性能優(yōu)化研究中，本文提出并研究了基于語(yǔ)義維度的映射表和緩存管理算法。固態(tài)盤(pán)在當(dāng)前的存儲(chǔ)系統(tǒng)中得到了越來(lái)越

5、多的應(yīng)用。但是，當(dāng)前固態(tài)盤(pán)固件的優(yōu)化策略仍然主要基于數(shù)據(jù)訪問(wèn)的時(shí)間和空間局部性原理。這兩個(gè)維度的數(shù)據(jù)訪問(wèn)特點(diǎn)，已經(jīng)被CPU、主存等多級(jí)緩存重復(fù)利用。有研究指出，多個(gè)主流應(yīng)用——如數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)和網(wǎng)頁(yè)服務(wù)——在存取數(shù)據(jù)時(shí)，僅能利用固態(tài)硬盤(pán)約一半到三分之二的性能。這是因?yàn)閼?yīng)用程序訪問(wèn)硬盤(pán)數(shù)據(jù)時(shí)，主要基于數(shù)據(jù)的語(yǔ)義關(guān)系，即數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)性。利用數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系可進(jìn)一步優(yōu)化存儲(chǔ)系統(tǒng)的I/O性能，尤其是在數(shù)據(jù)訪問(wèn)的局部性較低的器件層。由于上層軟件無(wú)法感知固

6、態(tài)盤(pán)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在器件層對(duì)固態(tài)盤(pán)進(jìn)行語(yǔ)義維度的優(yōu)化就變得很有必要。
　　使用有限的內(nèi)存空間對(duì)閃存映射表進(jìn)行查找和更新，是導(dǎo)致固態(tài)硬盤(pán)的性能下降的主要原因之一。這個(gè)問(wèn)題隨著固態(tài)硬盤(pán)容量的提升變得越來(lái)越嚴(yán)重。然而，在內(nèi)存空間有限的情況下，固態(tài)盤(pán)卻對(duì)讀和寫(xiě)所產(chǎn)生的映射緩存進(jìn)行了無(wú)差別的管理。通過(guò)對(duì)實(shí)際的負(fù)載分析得知，寫(xiě)操作產(chǎn)生的緩存的命中率遠(yuǎn)低于讀操作產(chǎn)生的緩存的命中率。另外，大部分的映射關(guān)系的更新集中在很少的映射頁(yè)中?；谶@些觀察

7、，本文為固態(tài)硬盤(pán)設(shè)計(jì)了寫(xiě)傾斜感知的緩存管理算法，進(jìn)一步提高了緩存命中率，并降低了固態(tài)盤(pán)內(nèi)部的寫(xiě)放大現(xiàn)象。
　　通過(guò)對(duì)節(jié)能存儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行硬盤(pán)溫度建模并增加溫度限制，存儲(chǔ)系統(tǒng)中硬盤(pán)的工作溫度降低最大約30%，并基本保持原有的系統(tǒng)負(fù)載與功耗成比例的特性。在負(fù)載壓力測(cè)試下，該溫度受限的節(jié)能存儲(chǔ)系統(tǒng)仍能有效保證系統(tǒng)可靠性，并提高總體滿意度約2倍?；谡Z(yǔ)義的固態(tài)盤(pán)閃存映射算法可提高最大約58%的緩存命中率，降低實(shí)際應(yīng)用負(fù)載的I/O響應(yīng)時(shí)間最大約