本地文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)更新模式研究.pdf

1、文件系統(tǒng)的主要作用是組織和存取用戶數(shù)據(jù)。文件系統(tǒng)在磁盤上組織用戶數(shù)據(jù)的時(shí)候一般涉及到多個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之間存在一致性關(guān)聯(lián)。文件系統(tǒng)在將內(nèi)存中修改的數(shù)據(jù)寫回磁盤時(shí)一般使用兩種基本策略：原地更新和異地更新。原地更新是指將存儲(chǔ)介質(zhì)上的數(shù)據(jù)塊讀取到內(nèi)存，進(jìn)行修改，然后再寫回到其原始位置。而異地更新是指將存儲(chǔ)介質(zhì)上的數(shù)據(jù)讀取到內(nèi)存，進(jìn)行修改，然后寫到一個(gè)新位置（這個(gè)過程中不覆蓋舊數(shù)據(jù)）。文件系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)更新時(shí)需要確保磁盤上的文件系統(tǒng)的各個(gè)

2、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在更新之后仍然處于一致的狀態(tài)，這個(gè)更新過程面臨的最大挑戰(zhàn)是系統(tǒng)可能會(huì)隨時(shí)崩潰。為了解決這個(gè)問題，學(xué)術(shù)界提出了多種文件系統(tǒng)更新模式，這些更新模式大致可以劃分為五類：無序原地更新、有序原地更新、日志更新、異地更新以及混合更新。在這五類更新模式中，應(yīng)用最廣泛、影響最大的是日志更新和異地更新。然而這兩種更新模式自身的固有問題卻很少被學(xué)術(shù)界深入分析和研究。
　　針對(duì)日志更新固有的寫兩次問題，提出了一種新的智能日志更新模式。該模式的核

3、心思想是攔截上層文件系統(tǒng)發(fā)往底層存儲(chǔ)設(shè)備的I/O請(qǐng)求，然后將這些I/O請(qǐng)求智能的重定向到日志空間和文件系統(tǒng)空間。其主要涉及四項(xiàng)技術(shù)：（1）智能探測(cè)上層文件系統(tǒng)的類型，并提取磁盤上空間分配信息；（2）智能識(shí)別文件系統(tǒng)發(fā)往底層存儲(chǔ)設(shè)備的寫請(qǐng)求是否是覆蓋性寫，若是覆蓋性寫則將其寫到日志空間，否則將其原地更新到文件系統(tǒng)空間；（3）智能識(shí)別文件系統(tǒng)發(fā)往底層存儲(chǔ)設(shè)備的讀請(qǐng)求的目標(biāo)磁盤塊是否已被寫到日志空間，若是則將讀請(qǐng)求重定向到日志空間，否則直接發(fā)

4、到文件系統(tǒng)空間；（4）在合適的時(shí)機(jī)將日志空間中保存的數(shù)據(jù)寫回到文件系統(tǒng)空間。在Ext3的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)原型系統(tǒng)，對(duì)其性能進(jìn)行實(shí)測(cè)，并分別同Ext3的數(shù)據(jù)日志（data journal）模式和有序日志（ordered）模式進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)表明，該智能日志原型系統(tǒng)突破了現(xiàn)有系統(tǒng)在提供版本級(jí)一致性和性能上不能兼顧的難題，既確保了版本級(jí)一致性，又達(dá)到類似有序日志運(yùn)行模式的性能。
　　針對(duì)異地更新固有的遞歸更新問題，提出了一種遞歸更新的分析

5、模型，并使用該模型對(duì)遞歸更新問題進(jìn)行了系統(tǒng)研究。首先針對(duì)單一B樹的遞歸更新問題進(jìn)行建模，分析其可能導(dǎo)致的寫放大效應(yīng)，然后將該模型推廣到典型的寫時(shí)復(fù)制（采用異地更新策略）文件系統(tǒng)中。通過仔細(xì)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，對(duì)該模型的正確性進(jìn)行了驗(yàn)證。之后，通過對(duì)該模型進(jìn)行模擬計(jì)算，發(fā)現(xiàn)被存取文件在文件系統(tǒng)中的分布情況是影響整個(gè)文件系統(tǒng)的遞歸更新寫放大效應(yīng)的決定性因素。另外進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)寫放大效應(yīng)也會(huì)被其它因素所影響，包括存取的文件數(shù)量、文件系統(tǒng)中已有文件的數(shù)

6、量以及文件系統(tǒng)樹的空間使用率等。
　　針對(duì)異地更新固有的遞歸更新問題，提出了一種同時(shí)支持原地更新和異地更新的文件系統(tǒng)，使用該系統(tǒng)對(duì)遞歸更新進(jìn)行實(shí)證研究，揭示出影響文件系統(tǒng)寫放大效應(yīng)和性能的新現(xiàn)象和新規(guī)律。以 BTRFS文件系統(tǒng)（本身為寫時(shí)復(fù)制文件系統(tǒng)，采用異地更新策略）作為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展以同時(shí)支持原地更新和異地更新兩種更新模式，然后通過復(fù)雜全面的對(duì)照實(shí)驗(yàn)，分別考察在不同的工作負(fù)載和存儲(chǔ)設(shè)備上這兩種更新模式在性能和寫放大方面