Data Bucket-Based Fragment Management for Solid State Drive Storage System

The current storage mechanism considered little in data’s keeping characteristics.These can produce fragments of various sizes among data sets.In some cases,these fragments may be serious and harm system performance.In this paper,we manage to modify the current storage mechanism.We introduce an extra storage unit called data bucket into the classical data manage architecture.Next,we modify the data manage mechanism to improve our designs.By keeping data according to their visited information,both the number of fragments and the fragment size are greatly reduced.Considering different data features and storage device conditions,we also improve the solid state drive(SSD)lifetime by keeping data into different spaces.Experiments show that our designs have a positive influence on the SSD storage density and actual service time.

一种兼容5G模块和SSD的M.2 KEY B接口设计

为解决M.2 KEYB接口兼容性、减少板内空间的问题,根据M.2 KEYB的规范,分析每个PIN定义的信号特性,使USB3.0信号和SATA信号互不干涉,对USB3.0模块和SATA模块与M.2 KEYB接口的兼容性开展设计。检测M.2 KEYB接口接入模块类型,根据检测模块的类型切换接口的工作电压。利用基本输入输出系统配置一个GPIO信号控制M.2 KEYB接口的供电电压,当接入USB3.0模块时,设计GPIO为高电平,供电电压为3.3 V;当接入SATA模块时,设计GPIO为低电平,供电电压为3.6 V。采用5G模块试验对USB3.0模块进行论证,SATA模块用固态硬盘进行验证。结果表明:所提出的M.2 KEYB接口设计方法,能够很好地兼容USB3.0模块和SATA模块。

多传感器融合的割草机器人障碍物检测方法

为了提高割草机器人自主作业时的环境感知能力,提出一种基于相机和低成本固态激光雷达融合的障碍物检测方法.首先,基于改进的DBSCAN聚类算法,得到一种可自适应确定聚类参数的KANN-DBSCAN算法,利用该算法对固态激光雷达采集到的三维点云聚类分析,得到障碍物点云并通过相机和固态激光雷达联合标定结果投影到二维图像上;其次,基于SSD目标检测网络完成障碍物样本训练,并对图像信息进行检测识别;最后,为了避免因光线不足或远距离雷达点云稀疏聚类困难,导致视觉或雷达检测性能受限,提出一种优势互补的目标级信息融合策略.试验结果表明:所提信息融合策略在融合两传感器检测结果的基础上,有效避免了环境条件改变单一传感器检测性能受限时,环境感知出现的漏检和误检,经过信息融合后的障碍物综合检出率约为87.5%,相较于单一传感器具有很大的提高,使环境感知信息更加全面可靠.

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.

二极管泵浦Yb:YAG Thin Disk激光器获得16 W连续激光输出

近年来，Ｙｂ：ＹＡＧ激光研究已被视为发展高效、高功率二极管泵浦固体激光器的一个主要方向．本文简要分析了 Ｙｂ ＹＡＧ作为增益介质优于 Ｎｄ ＹＡＧ的性质，阐述Ｔｈｉｎ Ｄｉｓｋ激光器的原理，并介绍了我们在国内首次获得 １６ Ｗ连续激光（波长 １０３０ ｎｍ）输出的二极管泵浦 Ｙｂ：ＹＡＧ Ｔｈｉｎ Ｄｉｓｋ激光器装置及数据．

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.

虚拟化环境下面向多目标优化的自适应SSD缓存系统

以SSD(solid state drive)为代表的新型存储介质在虚拟化环境下得到了广泛的应用,通常作为虚拟机读写缓存,起到优化磁盘I/O性能的作用.已有研究往往关注SSD缓存的容量规划,依据缓存读写命中率评价SSD缓存分配效果,未能充分考虑SSD的服务能力上限,难以适用于典型的分布式应用场景,存在虚拟机抢占SSD缓存资源,导致虚拟机中应用性能违约的可能.实现了虚拟化环境下面向多目标优化的自适应SSD缓存系统,考虑了SSD的服务能力上限.基于自适应闭环实现对虚拟机和应用状态的动态感知.动态检测局部SSD缓存抢占状态,基于聚类方法生成虚拟机的优化放置方案,依据全局SSD缓存供给能力确定虚拟机迁移顺序和时机.实验结果表明,该方法在应对典型分布式应用场景时可以有效缓解SSD缓存资源的争用,同时满足应用对虚拟机放置的需求,提升应用的性能并兼顾应用的可靠性.在Hadoop应用场景下,平均降低了25%的任务执行时间,对I/O密集型应用平均提升39%的吞吐率.在Zoo Keeper应用场景下,以不到5%的性能损失为代价,应对了虚拟化主机的单点失效带来的虚拟机宕机问题.

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。

利用重复数据删除和增量编码有效利用基于闪存的SSD

为解决基于闪存的固态盘寿命有限及随容量被消耗可靠性也逐渐衰减的特性,基于两个重要的观察结果:a)存在大量的重复数据块;b)元数据块比数据块被更加频繁地访问或修改,但每次更新仅有微小变化,提出了flash saver,耦合EXT2/3文件系统,结合重复数据删除和增量编码来减少到SSD的写流量。Flash saver将重复数据删除用于文件系统数据块,将增量编码用于文件系统元数据块。实验结果表明,flash saver可减少高达63%的总写流量,从而使其具有更长的使用寿命、更大的有效flash空间和更高的可靠性。

利用SSD和DRAM构建的扩展内存架构

大数据时代的数据密集型应用需要大容量的内存来提高系统性能,但是动态随机访问存储器的容量增长受限于功耗和价格.闪存作为一种已存在的非易失性存储器,具有大容量、低价格和低功耗等优势.提出一种利用固态硬盘作为内存扩展的架构,它以数据对象为粒度管理数据,提高了固态硬盘的访问有效性.为减少物理内存的浪费,提出一种灵活的内存划分和多重映射机制,以微页管理物理内存.该方案以运行时库的方式提供应用程序接口,使用户能透明地访问大容量扩展内存.多组数据密集型应用的测试结果表明,相对于采用固态硬盘作交换区、以页粒度换入换出数据的方案,该方案可获得最高3.3倍的性能提升.

基于SSD的计算机开放实验室

根据当前SSD固态硬盘的特点和发展趋势,指出了SSD固态硬盘必将会得到普及,人们对计算机的使用方式将产生变化,为适应这一变化,从而提出了建设基于SSD的计算机开放实验室的新思想,并指出了基于SSD的计算机开放实验室在实验、维护等方面的优势,以及具体的建设方法和管理措施。

通过差值和压缩减少SSD的擦除次数

作为SSD(solid state drives)的存储元件,NAND闪存在进行写之前,存储单元必须先进行擦除,因此被称作写一次存储器。SSD的使用寿命受到存储单元的擦除次数的限制,因此减少擦除次数对于SSD的可靠性十分重要。提出了一种通过编码压缩后的差值信息的方法来对SSD中写过一次的页面进行二次写,从而减少SSD的擦除次数,延长使用寿命。首先计算物理页面中更新前后的数据的差值,然后将差值数据进行压缩,再将压缩后的数据进行编码后保存在写过的物理页中的可写位中,以此实现写过物理页的二次写。实验结果表明,对于数据更新为主的应用,该方法能够充分利用写过的物理页中的可写位,大幅减少SSD的擦除次数。

基于SSD数据库负载的SQL能耗感知模型

面对大数据带来的能耗及环境方面的严峻问题,构建节能的绿色数据库系统已成为关键需求和重要挑战。针对现有数据库系统主要以性能优化为目标,缺少对能耗的感知及优化的问题,提出基于数据库负载的能耗感知模型,并将模型应用于基于固态硬盘(SSD)的数据库系统中。首先,将数据库负载执行过程中对主要系统资源(CPU、固态硬盘)的消耗解析为时间开销和功耗开销,并基于SSD数据库负载的基本I/O类型构建时间开销模型和功耗开销模型,实现为数据库构建资源开销单位统一的能耗感知模型;然后,利用多元线性回归实现对模型的求解,并分别在独占环境和竞争环境下,验证模型对不同I/O类型的数据库负载能耗估算的准确性;最后,分析实验结果,并讨论了影响模型准确性的因素。经实验验证模型准确度较高,在DBMS独占系统资源情况下的平均误差为5. 15%,绝对误差不超过9. 8%;竞争环境下的准确率相对下降,但平均误差也低于12. 21%,可有效构建能耗感知的绿色数据库系统。

面向SSD寿命优化的访问序列折叠缓存替换算法

SSD(solid state drive)的写入寿命比较有限,因此除命中率外,SSD缓存设备的写入量成为评价缓存替换算法的另一个关键指标。如何使算法提高写入数据转化为缓存命中的效率,从而延长SSD的使用寿命,具有重要的研究意义。目前,已有缓存替换算法的设计一般基于时间局部性,即刚被访问的数据短期内被访问的概率较高,因此需要频繁的数据更新和较高写入量来保证较高命中率;或是通过不低的开销屏蔽相对最差的部分数据来减少一定的写入量,还缺少用低开销获得数据长期热度规律,有效提高缓存数据质量的算法。提出了访问序列折叠的缓存替换算法,用比较低的开销定位拥有长期稳定热度的数据写入缓存,明显提高了SSD缓存数据质量,在保证命中率的同时减少了SSD的写入量。实验表明,访问序列折叠算法相比LRU(least recently used)算法可在命中率损失低于10%的情况下减少90%的写入量,与SieveStore、L2ARC(level2 adjustable replacement cache)等写入优化缓存算法相比,命中率相当时可将写入量减少50%以上,有效达到了通过缓存高质量数据,减少SSD的写入量,延长其使用寿命的目的。

一种基于MLC SSD的异质感知的ECC设计方法

已有研究发现,同一闪存芯片上的页面在性能、可靠性和持久性方面都存在很大差异.这种页面之间的异质性结构为设计和实现固态盘提供了新的探索空间.该文利用这种异质性结构来设计灵活的纠错码(ECC)从而提高固态盘的性能并延长其寿命.实验结果表明,采用异质感知的ECC方案可以获得大约50%的性能改进和线性的寿命增长.

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.

Persistent Data Layout in File Systems

Data layout in a file system is the organization of data stored in external storages. The data layout has a huge impact on performance of storage systems. We survey three main kinds of data layout in traditional file systems： in-place update file system, log-structured file system, and copy-on-write file sys- tem. Each file system has its own strengths and weaknesses under different circumstances. We also include a recent us- age of persistent layout in a file system that combines both flash memory and byte- addressable non- volatile memory. With this survey, we conclude that persistent data layout in file systems may evolve dramatically in the era of emerging non-volatile memory.