一种面向RAID阵列的SSD设计优化方法

随着大数据时代的到来,固态硬盘已经逐渐在大型数据中心得到应用。作为使用最广泛的RAID技术,RAID5也开始应用于固态硬盘阵列,以保证数据的可靠性。然而,RAID5中校验信息需要频繁地更新,尤其在随机访问中,频繁地更新校验信息将会对固态硬盘阵列的性能和寿命造成很大的影响,针对此问题,提出PA-SSD(Parity-Aware Solid State Disk)控制器设计,从RAID5控制器得到校验信息的逻辑地址,在SSD控制器中设置一个缓存Pcache,暂存更新后的校验信息,并在SSD中将数据和校验分开布局,设置专门的区域存放校验信息。通过实验仿真测试,提出的方法能有效地减少校验信息对SSD的写操作,并且减少了SSD的擦除次数,提升了SSD阵列的性能和寿命。

基于SSD硬盘的嵌入式高速图像存储技术

高速大容量图像数据的存储技术是数字图像处理中的一项重要技术。为了实现图像数据的高速实时存储,提出了在嵌入式Linux平台上基于SSD硬盘的高速数字图像记录方法。采用Linux驱动程序控制SAS硬盘控制器,将图像数据高速记录在SSD硬盘上。介绍了整个系统结构,给出了Linux驱动程序的实现方法,分析了影响图像数据记录速度的因素。实验测试中图像数据记录速度可以达到150MB/s,可以满足对高帧频相机的高速图像数据存储的要求。

分析文件系统和I/O调度器对SSD性能和寿命的影响

伴随着高性能、高可靠性、低功耗和重量轻等优势,SSD被认为是下一代主流存储设备.文件系统组织和管理文件的实现方式,以及I/O调度器对请求的预处理操作对SSD的性能和寿命有很大的影响.以负载、文件系统、I/O调度器作为测试维度,分析不同负载下的文件系统和调度器的特点以及TRIM优化,并利用Blktrace收集测试过程中发生的每一条I/O操作,用SSDsim评估数据块擦除次数.通过实验发现,在不同的负载下文件系统和调度器对性能和寿命存在显著的差异,Ext4和Deadline表现出更好的综合指标.基于各方面分析,为以后面向SSD文件系统和I/O调度器的设计提供见解.

Exploring optimal combination of a file system and an I/O scheduler for underlying solid state disks

Performance and energy consumption of a solid state disk(SSD) highly depend on file systems and I/O schedulers in operating systems. To find an optimal combination of a file system and an I/O scheduler for SSDs, we use a metric called the aggregative indicator(AI), which is the ratio of SSD performance value(e.g., data transfer rate in MB/s or throughput in IOPS) to that of energy consumption for an SSD. This metric aims to evaluate SSD performance per energy consumption and to study the SSD which delivers high performance at low energy consumption in a combination of a file system and an I/O scheduler. We also propose a metric called Cemp to study the changes of energy consumption and mean performance for an Intel SSD(SSD-I) when it provides the largest AI, lowest power, and highest performance, respectively. Using Cemp, we attempt to find the combination of a file system and an I/O scheduler to make SSD-I deliver a smooth change in energy consumption. We employ Filebench as a workload generator to simulate a wide range of workloads(i.e., varmail, fileserver, and webserver), and explore optimal combinations of file systems and I/O schedulers(i.e., optimal values of AI) for tested SSDs under different workloads. Experimental results reveal that the proposed aggregative indicator is comprehensive for exploring the optimal combination of a file system and an I/O scheduler for SSDs, compared with an individual metric.

A fast and simple system performance emulator for enhanced solid state disks:a case study of long read operations

In this paper, we propose a fast and simple system emulator, called a system performance emulator(SPE), to evaluate long read operations.The SPE estimates how much system-wide performance is enhanced by using a faster solid state disk(SSD).By suspending a CPU for a certain time during direct memory access(DMA) transfer and subtracting this suspended time from the total DMA time, the SPE estimates the improvement in system performance expected from an enhanced SSD prior to its manufacture.We also examine the relation between storage performance and system performance using the SPE.

一种用磁盘备份SSD的高性能可靠存储系统

固态盘(solid state drive,SSD)因为其优越的性能已被大量部署于当前的存储系统中.但是,由于寿命有限,SSD的可靠性受到广泛的质疑.磁盘阵列(redundant arrays of inexpensive disk,RAID)是一种传统的用来提高可靠性的手段,但并不适用于SSD.这项工作提出一种基于SSD和磁盘的混合存储系统,构建该系统的主要思想是SSD响应所有I/O请求,从而获得较高的性能;磁盘备份所有数据,从而保证系统的可靠性.但是,磁盘的I/O性能显著低于SSD,构建该系统的问题在于磁盘能否及时地备份SSD上的数据.为了解决这一问题,从两方面提出优化:在延迟方面,采用非易失主存弥补磁盘与SSD的延迟差距;在带宽方面,采用两种措施:1)在单块磁盘内部重组I/O请求,使磁盘尽可能的顺序读写;2)采用多块磁盘备份多块SSD,通过将一块SSD上的写请求分散到多块磁盘上,有效应对单块SSD上出现的突发写请求.通过原型系统实现表明,该混合系统是可行的:磁盘能够为SSD提供实时的数据备份;与其他系统相比,该混合系统取得较高的性价比.

基于SSD高速缓存的桌面虚拟机交互性能优化方法

针对在桌面虚拟机办公环境下应用软件响应时间过长的问题,提出一种利用固态硬盘高速缓存来改善虚拟机响应时间和交互性的方法。在传统磁盘和内存之间添加固态硬盘高速缓存,将影响系统交互性的磁盘内容保存到固态硬盘高速缓存中。通过利用固态硬盘读速度快、随机寻道时间短的特征,提高虚拟机读磁盘性能,进而缩短应用软件的响应时间并改善系统的交互性。针对桌面虚拟机办公环境下磁盘I/O的特征,设计固态硬盘高速缓存的替换算法和缓存策略。实验显示,固态硬盘高速缓存是缩短虚拟机响应时间、改善虚拟机交互性的一个好方法。

基于OpenSSD的闪存转换算法优化

随着信息技术的快速发展,数据存储的需求日益增长,人们对硬盘读写性能的要求越来越高.相比于机械硬盘,固态硬盘可靠性高、能耗低,无寻道时间开销,逐渐取代机械硬盘成为主流的存储介质.但固态硬盘访问数据时需要经过转换,对应的闪存转换算法对读写性能影响很大.OpenSSD项目提供了一个可开发SSD固件的平台,基于此平台本文针对其上的闪存转换算法进行研究并优化,分析了影响I/O读写性能的各类因素,设计出一种适合CosmosOpenSSD的缓存管理和闪存管理方法,大幅提高了Cosmos Open SSD的性能.

UGD:面向固态盘缓存系统的数据过滤技术

为了提高固态盘(SSD)缓存系统固态盘的使用寿命,研究了系统的数据过滤技术。针对现有固态盘缓存系统数据过滤技术没有考虑数据页重用距离,导致重用距离大于固态盘缓存大小的数据页进入固态盘缓存,造成不必要的缓存页替换和固态盘擦写,从而降低缓存命中率和固态盘使用寿命的问题,提出了一种协同的数据过滤技术UGD。该技术综合考虑了数据页访问频率和数据页重用距离,让访问次数少和重用距离长的数据页不进入固态盘缓存,从而增长了固态盘的使用寿命。为了评测UGD技术的效果,实现了一个固态盘缓存模拟器,并使用开源负载和实际应用负载进行了大量实验。实验数据表明,与现有过滤技术相比,UGD技术能够使固态盘缓存系统的平均命中率提高10%,使固态盘平均写入量降低42.5%。

基于磁盘和固态硬盘的混合存储系统研究综述

大数据和云计算环境下海量增长的数据对存储系统的超高容量和体系结构带来了极大的挑战。目前存储系统的发展趋向于大容量、低成本和高性能,然而任何单一的存储器件如传统的机械磁盘(HDD)、固态硬盘(SSD)、非易失型性随机存储器等由于其固有的物理特性的限制,并不能满足以上的需求。将不同的存储介质混合组合成高效的存储系统是一个好的解决方法,固态硬盘作为一种高可靠性、低能耗、高性能的存储器被越来越广泛地运用到混合存储系统。通过将固态硬盘与传统磁盘进行组合,利用固态硬盘的高性能和传统磁盘低成本大容量的特点,能够为用户提供大容量的存储空间,保证系统的高性能,同时还能降低成本。通过阐述SSD与HDD混合存储系统的研究现状,对不同的SSD与HDD混合存储系统进行分类总结;然后针对缓存架构和设备同层架构这两种目前最流行的存储架构中涉及到的关键技术和不足进行讨论;最后对基于SSD和HDD的混合存储技术进行概括总结,并对今后该领域的研究重点和方向进行展望。

Sub-Join:面向闪存数据库的查询优化算法

固态硬盘具有高速的随机读取速度、低功耗、体积小等特点,被认为将取代磁盘成为新一代的数据存储设备。但是闪存数据库的查询性能的提高却远小于固态硬盘相比于磁盘I/O性能的提高,其原因在于现有的数据库是基于磁盘设计的,不能充分发挥固态硬盘的高速性能。提出一种名为子连接(Sub-Join)的连接算法。首先将数据表的连接列和主键投影为新的子表,然后对子表进行接连操作,最后根据子表的连接结果再从原始数据表中回取查询结果。通过和开源数据库Oracle Berkeley DB的比较实验,结果表明子连接算法比原有算法的性能提高了40%～100%,充分说明了它的优越性。

一种新型的高性能计算机存储系统的研究与实现

文中提出了一种改善计算机存储系统写请求特别是小写请求性能的新的存储结构．采用有着高存储速度、高可靠性的固态盘和廉价的硬盘空间共同作为磁光盘的写高速缓存，并结合顺序文件存取技术，从存储体系结构角度出发，研究并实现了一种以较低成本实现快速、可靠、大容量的存储系统．试验表明新型存储系统不必修改现有文件系统，即能大幅提高存储系统性能．系统可用于要求高可靠性的军用环境以及高可靠性和快速大容量要求的民用系统．

基于混合存储的无盘网络服务器数据优化分布方法

无盘网络服务器需处理大量I/O操作,导致其存储子系统成为系统性能提升的瓶颈。为解决该问题,提出基于固态硬盘(SSD)和硬盘驱动器(HDD)混合存储的数据分布方法,使工作站共享的操作系统和应用程序镜像数据分布于SSD,而将工作站运行过程中的镜像修改数据分布于HDD。根据无盘网络服务器I/O数据块访问特性,建立块分布模型,由此设计SSD和HDD间的数据块动态迁移方法,根据SSD和HDD中块的访问信息计算数据分布概率,并动态决定数据块的保存位置。实验结果表明,该方法可有效提高工作站启动速度及存储系统带宽,减少SSD写次数。

一种基于请求大小的固态盘I/O调度算法

对于同类型的I/O请求,基于闪存固态盘的请求响应时间与请求大小基本呈线性比例关系,并且固态盘的读写性能具有非对称性。针对该特性,提出一种基于请求大小的固态盘I/O调度(SIOS)算法,从I/O请求平均响应时间的角度提高固态盘设备的I/O性能。根据读写性能的非对称性,对读写请求进行分组并且优先处理读请求。在此基础上首先处理等待队列中的小请求,从而减少队列中请求的平均等待时间。采用SLC和MLC 2种类型的固态盘进行实验,在5种测试负载的驱动下与Linux系统中的3种调度算法进行比较,对于SLC固态盘,SIOS平均响应时间分别减少18.4%、25.8%、14.9%、14.5%和13.1%,而对于MLC固态盘,平均响应时间分别减少16.9%、24.4%、13.1%、13.0%和13.7%,结果表明,SIOS能有效减少I/O请求的平均响应时间,提高固态盘存储系统的I/O性能。

基于ARM和固态硬盘的微型投影嵌入式平台设计

为实现微型投影仪功能的多样化,设计了一种基于ARM11主控的嵌入式控制平台。该平台搭载WinCE 6.0嵌入式操作系统,能实现高清播放、配置大容量固态硬盘、扩展主要应用接口等功能,使微型投影具有掌上电脑的主要功能,更便于其应用和商业化。

列存储模式下闪存数据库的查询优化算法

固态硬盘的高性能在现有数据库系统中未能获得提升,针对该问题,提出一种连接算法,基于列存储模式,对闪存数据库连接查询进行优化。算法充分利用列存储的存储粒度小和固态硬盘高速随机读的优点,有效克服与闪存的不匹配问题。实验结果表明,与原算法相比,该算法在不同选择率和不同内存条件下的查询时间较少。

高性能混合结构的瓦记录磁盘系统的设计与实现

对新的磁记录技术——瓦记录(SMR)进行了性能分析,针对SMR叠瓦式的磁道布局方式严重限制了其随机写性能,希捷公司的瓦记录磁盘(SSWD)在磁盘内部使用持久缓存虽能解决SMR叠瓦特性导致随机写访问受限,但其在持续随机写入的情景下性能表现很差的问题,设计了一种结合固态硬盘(SSD)的混合瓦记录磁盘(HSWD)结构;使用SSD作为持久缓存,实现了全相联和组相联两种持久缓存到本地存储的映射策略,以及三种持久缓存回收策略——LRU、FIFO和MOST,并通过试验和理论分析分别对比了两种映射策略和三种回收策略。最后,通过测试对比HSWD、SSWD和Flashcache的性能,结果表明,HSWD较SSWD和Flashcache在持续随机写性能上有了明显提升,例如在回放hm0的测试中,HSWD的性能较SSWD提升2.25倍,较Flashcache提升1.32倍。

合成Trace及其I/O请求产生器的设计与实现

本文讨论了一种用于测试、仿真和评价外存储子系统的合成Ｔｒａｃｅ及其Ｉ／Ｏ请求产生器的设计与实现。从分析Ｉ／Ｏ负载特性着手设计合成Ｔｒａｃｅ，用双时钟方法实现Ｉ／Ｏ请求产生定时和Ｉ／Ｏ响应计时，给出了对固态盘－光盘子系统的实测结果。

一种提高固态盘可靠性的设计方法

提出了一种LS-RAID(Logic-level Striping Redundant Array of Independent Disks)固态盘(Solid State Disk,SSD)设计模型。在单个闪存芯片内,该模型在逻辑层实现了条带化,并将校验信息按照RAID5机制分配到逻辑闪存芯片中,从而提高了固态盘可靠性。使用DiskSim进行仿真测试,表明该模型在提高可靠性的同时,对固态盘平均寿命和损耗均衡影响不大,具有实用价值。

嵌入式通信系统软、硬件接口配置方案的研究

嵌入式系统由其高可靠性、体积小和配置灵活受到通信厂商的青睐，在当今的系统开发和集成中应用广泛。嵌入式系统的开发包括硬件系统的开发和软件系统的开发及两者间接口的开发，而在这两者的接口实现中可采用的技术及其实现方案非常丰富。文章简单介绍了嵌入式系统模型的划分，详细讨论了各种接口技术的优缺点。最后结合实践重点讨论了两种接口配置方案的实现细节。