瓦記錄磁盤系統(tǒng)數(shù)據(jù)組織關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、瓦記錄技術(shù)對當(dāng)前磁盤的磁記錄介質(zhì)和制造工藝只帶來很小的改動(dòng)，是當(dāng)前提高磁盤存儲密度非常有前景的技術(shù)。瓦記錄技術(shù)通過部分重疊磁道的方式來提高存儲密度。使用瓦記錄技術(shù)的磁盤稱為瓦記錄磁盤，它繼承了瓦記錄技術(shù)的所有特性。因此，瓦記錄磁盤存在一個(gè)固有的寫訪問限制：寫入數(shù)據(jù)到一個(gè)磁道會(huì)損壞后續(xù)磁道中的數(shù)據(jù)，即如果后續(xù)磁道存在有效數(shù)據(jù)，更新當(dāng)前磁道的數(shù)據(jù)必須重寫后續(xù)磁道的數(shù)據(jù)。因此，一個(gè)寫操作可能能會(huì)帶來大量的額外讀寫操作，產(chǎn)生寫放大問題。為了把瓦

2、記錄磁盤整合到現(xiàn)有的存儲系統(tǒng)中，必須克服瓦記錄磁盤物理特性帶來的寫訪問限制。因此，必須設(shè)計(jì)新的數(shù)據(jù)組織方式來解決這個(gè)問題，同時(shí)提高瓦記錄磁盤的性能。
　　自治式瓦記錄磁盤可以直接替換傳統(tǒng)磁盤，應(yīng)用到現(xiàn)有的存儲系統(tǒng)中。自治式瓦記錄磁盤通過瓦記錄轉(zhuǎn)換層來屏蔽寫訪問限制，它的作用類似于SSD中的閃存轉(zhuǎn)換層。為了提高自治式瓦記錄磁盤的性能，設(shè)計(jì)了一種基于段的瓦記錄轉(zhuǎn)換層SSTL(Segment-based Shingled Transla

3、tion Layer)。首先，SSTL把瓦記錄區(qū)在徑向方向上劃分為段，段結(jié)構(gòu)的瓦記錄磁盤把寫放大單元從區(qū)大小減少到段大小。其次，在一個(gè)段內(nèi)，SSTL采用段內(nèi)動(dòng)態(tài)塊映射的方式存儲數(shù)據(jù)，有效地減少了數(shù)據(jù)的寫放大倍數(shù)。最后，SSTL使用一個(gè)小容量的非易失性設(shè)備來緩存頻繁訪問的數(shù)據(jù)，最近最久未被訪問段的緩存替換算法被設(shè)計(jì)來管理非易失性緩存。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在六種不同的工作負(fù)載下，SSTL相比于循環(huán)日志結(jié)構(gòu)瓦記錄磁盤Sblock提供了2.1-8.4

4、倍的加速比。
　　磁盤陣列技術(shù)廣泛應(yīng)用于當(dāng)前的存儲系統(tǒng)中。但是，現(xiàn)有的磁盤陣列技術(shù)是為傳統(tǒng)磁盤設(shè)計(jì)的，并沒有考慮瓦記錄磁盤的讀寫特性。針對這一問題，為瓦記錄磁盤提出了一種動(dòng)態(tài)可變長條帶的磁盤陣列技術(shù)DVS-RAID(Dynamic Variable-width Striping RAID)，用于減少校驗(yàn)塊更新開銷。在數(shù)據(jù)布局上，DVS-RAID把陣列的整個(gè)地址空間劃分成條帶組。DVS-RAID的核心思想是：在一個(gè)條帶組內(nèi)，DVS-

5、RAID從來不覆蓋舊數(shù)據(jù)塊，無論是新寫入的數(shù)據(jù)塊還是更新的數(shù)據(jù)塊，DVS-RAID總是使用這些數(shù)據(jù)塊動(dòng)態(tài)生成一個(gè)新的條帶，然后以追加的形式寫入到磁盤。條帶的大小是可以變化的，可以是滿條帶，也可以是部分條帶。同時(shí)，DVS-Cache的寫緩存管理算法被設(shè)計(jì)來管理陣列的緩存。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：對于一些以讀為主的，或者以順序訪問為主的，亦或是數(shù)據(jù)更新頻率低的工作負(fù)載，DVS-RAID提供的性能比基于傳統(tǒng)磁盤的RAID5的性能還要好；而對于數(shù)據(jù)更新頻

6、率很高的工作負(fù)載，DVS-RAID的性能比基于傳統(tǒng)磁盤的RAID5也只稍差一點(diǎn)。
　　為了把瓦記錄磁盤應(yīng)用到對象存儲系統(tǒng)中，本文設(shè)計(jì)了一種基于對象的瓦記錄轉(zhuǎn)換層OSTL(Object-based Shingled Translation Layer)。OSTL建立在日志式文件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，向上層提供ANSI T10一樣的對象訪問接口。在數(shù)據(jù)組織上，OSTL把頻繁更新的瓦記錄區(qū)信息表和目錄樹的索引信息存儲在瓦記錄磁盤的隨機(jī)訪問區(qū)，把

7、日志和文件數(shù)據(jù)存儲在瓦記錄區(qū)，從而提高數(shù)據(jù)的訪問速度和垃圾回收的效率。OSTL使用對象地址轉(zhuǎn)換機(jī)制來維護(hù)磁盤上對象的索引信息，該機(jī)制消除了B+樹的遞歸更新問題，內(nèi)存中使用B+樹來維護(hù)對象的索引信息。由于不能從市面上得到Host-aware類型的瓦記錄磁盤，開發(fā)了一個(gè)符合ZBC規(guī)格的瓦記錄磁盤模擬器。通過向Ceph添加一種新的存儲引擎，實(shí)現(xiàn)了OSTL的原型系統(tǒng)。與Ceph中原有Key/Value的存儲引擎對比，在Postmark基準(zhǔn)測試下