基于闪存的混合式存储系统研究.pdf

华中科技大学
硕士学位论文
基于闪存的混合式存储系统研究
姓名:雷小强
申请学位级别:硕士
专业:计算机应用技术
指导教师:卢正鼎
2011-01-16
华中科技大学硕士学位论文
摘要
近几年来,随着闪存技术的不断发展,无论是在桌面应用还是分布式计算领域,
基于闪存的固态硬盘(SSD,Solid State Disk)有取代传统的机械硬盘(HDD,Hard
Disk Drive)的趋势。然而,在企业应用中完全用SSD来替换HDD作为主流的存储系
统设备还有很长一段路需要走。考虑到SSD的成本、性能以及可靠性,将SSD和HDD
结合构成混合式存储系统是一种在实践中可行的方法。
提出了一种混合式存储系统―性能-可靠性- 混合式存储系统(PR-HSS,
Performance Reliablity-Hybrid Storage System),在I/O性能和可靠性之间得到一个折
衷,PR-HSS由一块高性能的SSD和一块传统的HDD来存储镜像数据来保证可靠性,
所有的I/O请求的数据经过PR-HSS后首先都会重定向到SSD,然后根据特定的备份策
略将数据异步地从SSD备份到HDD。为了削弱或者隐藏数据拷贝所带来的延迟开销,
使用一个I/O窗口来吸收写请求并且维护一个I/O请求队列的元数据集合,该请求队列
是有序的,这样可以减少HDD的寻道时间,提高系统整体性能。为了适应不同的I/O
负载,设计并实现了一种动态自适应的策略来平衡前端应用层的I/O请求以及后端备
份的请求。在Linux操作系统内核中实现了一个原型系统PR-HSS,并用标准的基准测
试程序IoMeter、PostMark以及TPC-C进行了全面的测试。结果表明在IoMeter和
PostMark的负载下,PR-HSS相对于RAID1在性能上提高了10倍,数据可靠性仅仅降
低了2%。另外,在TPC-C测试程序下,PR-HSS性能并没有得到提升,但是相对于HDD
组成的RAID1来说,其能满足更大规模数据集的应用。通过使用熵理论对IoMeter、
PostMark以及TPC-C的I/O负载的时间请求序列进行突发性分析发现,TPC-C相对于
IoMeter以及PostMark有更多的空闲时间来让PR-HSS进行后台备份。

关键词:固态硬盘,机械硬盘,混合式存储系统,异步备份








I
华中科技大学硕士学位论文
Abstract
Recent advances in flash memory show great potential to replace traditional hard
drives (HDDs) with flash-based solid state drives (SSDs) from puting to
distributed systems. However, it is still a long way to go pletely using SSDs for
enterprise data storage. Considering the cost, performance, and reliability of SSDs, a
practical solution is bine both SSDs and HDDs. This paper proposes a hybrid
storage system named PR-HSS (Performance-Reliability-based Hybrid Storage System) to
tradeoff between I/O performance and data reliability. PR-HSS includes a
high-performance SSD and a traditional HDD to store mirrored data for of
the I/O requests are redirected to the primary SSD first and then the updated data blocks
are copied to the backup HDD asynchronously. In order to hide the latency of copying
operations, we use an I/O window to coalesce write requests and maintain an ordere