【摘要】：隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的來臨,整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)存儲(chǔ)子系統(tǒng)的要求越來越高,基于磁盤的存儲(chǔ)系統(tǒng)在性能、功耗等方面的缺陷更加突出。近年來,由于制作工藝的進(jìn)步,閃存(Flash Memory)的存儲(chǔ)密度不斷提高,單位容量的價(jià)格逐步下降。閃存具有高性能、低功耗、非易失、質(zhì)量輕、抗震動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。基于閃存的固態(tài)盤(Solid State Drive,SSD)已應(yīng)用于大規(guī)模存儲(chǔ)領(lǐng)域,正處于快速普及階段,使存儲(chǔ)系統(tǒng)滯后于計(jì)算系統(tǒng)的局面有所改觀。但是,目前SSD的成本相對(duì)較高,而磁盤的容量會(huì)繼續(xù)增大、價(jià)格還有進(jìn)一步降低的廣闊空間,SSD在短期內(nèi)不可能完全取代磁盤。于是,工業(yè)界紛紛將SSD融入基于磁盤的存儲(chǔ)系統(tǒng)中。由于閃存具有非定點(diǎn)更新、壽命有限等缺陷,融入SSD的存儲(chǔ)系統(tǒng)存在大量的研究問題。本文針對(duì)基于SSD的多層次存儲(chǔ)系統(tǒng),研究了SSD內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化、可感知SSD多通路特性的緩存替換策略、基于SSD的大容量緩存和基于DRAM和SSD的混合主存結(jié)構(gòu)。本文的主要工作及創(chuàng)新點(diǎn)如下:(1)設(shè)計(jì)了一種基于頁-塊映射的低延遲閃存轉(zhuǎn)換層機(jī)制目前,在大規(guī)模存儲(chǔ)系統(tǒng)中使用閃存的主流方案是將閃存芯片封裝成兼容于磁盤系統(tǒng)的SSD。SSD的控制核心是閃存轉(zhuǎn)換層(Flash Translation Layer,FTL)。FTL用來屏蔽閃存的非定點(diǎn)更新、壽命有限等特性,它包含地址映射、垃圾回收、損耗均衡等幾個(gè)重要模塊。其中,垃圾回收操作會(huì)顯著增加用戶請(qǐng)求的響應(yīng)延遲�，F(xiàn)有的FTL對(duì)閃存中包含多個(gè)頁面(Page)的塊(Block)整體作垃圾回收時(shí),首先要遷移該塊中數(shù)據(jù)仍然有效的多個(gè)頁面,再將塊整體擦除,導(dǎo)致用戶請(qǐng)求長(zhǎng)時(shí)間的被阻塞。本文提出的PBFTL(Page-to-Block Mapping FTL)機(jī)制為每個(gè)更新的頁面分配一個(gè)專用的更新塊,每個(gè)更新塊中最多包含一個(gè)有效頁面。PBFTL對(duì)這些塊作垃圾回收時(shí),要么僅遷移該塊中一個(gè)頁面,要么僅擦除該塊,只有對(duì)少數(shù)塊的垃圾回收同時(shí)需要遷移和擦除操作,所以PBFTL可以有效減少垃圾回收對(duì)用戶請(qǐng)求造成的長(zhǎng)時(shí)間阻塞。與現(xiàn)有的幾種經(jīng)典FTL相比,PBFTL能夠使讀寫延遲平均降低15%。(2)提出了一種能夠感知SSD多通路特性的緩存替換策略當(dāng)前存儲(chǔ)系統(tǒng)采用的緩存替換策略主要面向磁盤,很少針對(duì)SSD作優(yōu)化。SSD內(nèi)部包含多個(gè)并行通路,通路間的負(fù)載可能是不均衡的,從而導(dǎo)致各通路的響應(yīng)時(shí)間不一致。本文提出一種能夠表征各通路忙閑程度的量化指標(biāo),并根據(jù)該指標(biāo)設(shè)計(jì)一種感知SSD內(nèi)部各通路忙閑程度的緩存替換策略SAC(SSD-Aware Cache)。SAC優(yōu)先淘汰來自空閑通路的數(shù)據(jù),因?yàn)檫@些數(shù)據(jù)一旦被再次訪問可迅速?gòu)腟SD重新獲取;來自繁忙通路的數(shù)據(jù)受到重點(diǎn)保護(hù),因?yàn)橹匦芦@取這些數(shù)據(jù)的延遲相對(duì)較大。實(shí)驗(yàn)表明,SAC在主存中取得的命中率與傳統(tǒng)緩存替換策略相當(dāng),但能夠顯著降低SSD的平均讀寫延遲,所以能夠提高整個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能。(3)提出了一種基于熱點(diǎn)數(shù)據(jù)識(shí)別的長(zhǎng)壽命SSD緩存設(shè)計(jì)方法SSD充當(dāng)磁盤系統(tǒng)的緩存時(shí),其有限的壽命會(huì)很快耗盡。實(shí)際上,大量冷數(shù)據(jù)進(jìn)入緩存后并不被再次訪問,反而會(huì)降低SSD緩存的壽命和命中率。本文提出了一種熱點(diǎn)數(shù)據(jù)識(shí)別機(jī)制將冷數(shù)據(jù)排除在緩存之外。該熱點(diǎn)數(shù)據(jù)識(shí)別機(jī)制首先設(shè)計(jì)一種內(nèi)存開銷很低的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)UCBF(Ultra Counting Bloom Filter),用以計(jì)算數(shù)據(jù)的訪問熱度;然后維護(hù)一個(gè)可隨負(fù)載動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的閾值,熱度低于該閾值的數(shù)據(jù)不允許進(jìn)入SSD緩存。實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)這種熱點(diǎn)數(shù)據(jù)識(shí)別機(jī)制應(yīng)用到SSD緩存中時(shí),SSD的壽命延長(zhǎng)6倍以上,緩存命中率提高超過10%。(4)設(shè)計(jì)了一種面向SSD緩存替換策略的低內(nèi)存開銷數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)將SSD作為磁盤系統(tǒng)的緩存時(shí),由于SSD容量巨大,這種緩存采用的替換策略引入極大的內(nèi)存開銷。本文設(shè)計(jì)一種新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),以很低的內(nèi)存開銷實(shí)現(xiàn)基于LRU隊(duì)列的所有緩存替換策略。該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)采用一個(gè)FIFO隊(duì)列和一個(gè)Bloom Filter實(shí)現(xiàn)LRU隊(duì)列的功能。其中,FIFO隊(duì)列保存在SSD上,不占用內(nèi)存空間;Bloom Filter保存在內(nèi)存中,但內(nèi)存開銷很低。該Bloom Filter需要具備元素刪除功能,所以本文還提出一種能夠保證空間效率、同時(shí)支持元素刪除的Bloom Filter。實(shí)驗(yàn)表明,利用本文提出的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可將緩存替換策略的內(nèi)存開銷降低10倍左右。(5)提出了基于文件訪問模式的混合主存性能優(yōu)化方法大數(shù)據(jù)處理對(duì)主存容量要求很高,而DRAM在容量、功耗、價(jià)格等方面不能滿足大容量主存的需求。SSD在帶寬與吞吐率方面與DRAM比較接近,可用作DRAM的擴(kuò)展。但是,SSD與DRAM的延遲差距較大。本文提出一種基于訪問模式的預(yù)取策略,在數(shù)據(jù)被訪問前將其從SSD預(yù)取到DRAM中,從而降低SSD的高延遲對(duì)應(yīng)用程序的影響。當(dāng)DRAM中空閑空間有限時(shí),訪問規(guī)律較強(qiáng)的數(shù)據(jù)被優(yōu)先淘汰出來。這些數(shù)據(jù)一旦再次訪問,可從SSD快速而準(zhǔn)確地預(yù)取到DRAM。實(shí)驗(yàn)表明,本文提出的預(yù)取和替換策略能夠保證90%以上的用戶I/O請(qǐng)求由DRAM響應(yīng),SSD的高延遲對(duì)應(yīng)用程序的影響較小。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：TP333

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 陳坤杰;孫未未;朱良;劉未末;;空間數(shù)據(jù)庫(kù)中一種自適應(yīng)的緩存替換策略[J];計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展;2011年10期

2 李海芳;李彥彪;強(qiáng)彥;;基于替換策略的自適應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)負(fù)載控制[J];計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究;2010年05期

3 郝沁汾,祝明發(fā),郝繼升;一種新的代理緩存替換策略[J];計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展;2002年10期

4 曹忠升,黃林;MDM3的緩存替換策略研究[J];計(jì)算機(jī)應(yīng)用;2003年08期

5 胡偉之;沈富可;;基于Web訪問特性的緩存替換策略[J];計(jì)算機(jī)應(yīng)用;2008年S2期

6 曹忠升,黃林;移動(dòng)計(jì)算環(huán)境中一種基于分簇的緩存替換策略——CFSLR[J];計(jì)算機(jī)工程;2003年07期

7 趙振宇;孫順利;牛紀(jì)楨;;索引替換策略在ERP緩存中的實(shí)現(xiàn)[J];微處理機(jī);2009年02期

8 胡俊杰;楊庚;;基于Web訪問特性的自適應(yīng)一致性替換策略的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J];網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用;2009年08期

9 周紅靜;楊金民;;ORM中基于語義相似性的查詢緩存替換策略[J];湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2009年11期

10 李堯堯;顧進(jìn)廣;劉瓊;;基于語義貢獻(xiàn)值的XML查詢緩存替換策略[J];計(jì)算機(jī)工程;2011年13期

相關(guān)會(huì)議論文 前1條

1 康盛;;淺談數(shù)學(xué)教學(xué)中替換策略的運(yùn)用[A];中華教育理論與實(shí)踐科研論文成果選編（第3卷）[C];2010年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 陳志廣;基于SSD的多層次存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)研究[D];國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2013年

2 趙冰;若干退化系統(tǒng)的可靠性模型及維修替換策略[D];燕山大學(xué);2011年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前5條

1 鄧佳;XML查詢緩存中替換策略的研究與設(shè)計(jì)[D];山東大學(xué);2007年

2 樊偉;溫貯備系統(tǒng)的維修—替換策略及其系統(tǒng)平均成本率的研究[D];溫州大學(xué);2014年

3 王超宇;緩存替換策略研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2012年

4 張旺俊;Web緩存替換策略與預(yù)取技術(shù)的研究[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2011年

5 趙振宇;ERP緩存機(jī)制研究與實(shí)現(xiàn)[D];大連理工大學(xué);2007年

，

本文編號(hào)：2426739