瓦記錄磁盤系統數據組織關鍵技術研究.pdf

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

2、記錄磁盤整合到現有的存儲系統中，必須克服瓦記錄磁盤物理特性帶來的寫訪問限制。因此，必須設計新的數據組織方式來解決這個問題，同時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磁盤，應用到現有的存儲系統中。自治式瓦記錄磁盤通過瓦記錄轉換層來屏蔽寫訪問限制，它的作用類似于SSD中的閃存轉換層。為了提高自治式瓦記錄磁盤的性能，設計了一種基于段的瓦記錄轉換層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，段結構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，在一個段內，SSTL采用段內動態(tài)塊映射的方式存儲數據，有效地減少了數據的寫放大倍數。最后，SSTL使用一個小容量的非易失性設備來緩存頻繁訪問的數據，最近最久未被訪問段的緩存替換算法被設計來管理非易失性緩存。實驗結果表明：在六種不同的工作負載下，SSTL相比于循環(huán)日志結構瓦記錄磁盤Sblock提供了2.1-8.4

4、倍的加速比。
　　磁盤陣列技術廣泛應用于當前的存儲系統中。但是，現有的磁盤陣列技術是為傳統磁盤設計的，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態(tài)可變長條帶的磁盤陣列技術DVS-RAID(Dynamic Variable-width Striping RAID)，用于減少校驗塊更新開銷。在數據布局上，DVS-RAID把陣列的整個地址空間劃分成條帶組。DVS-RAID的核心思想是：在一個條帶組內，DVS-

5、RAID從來不覆蓋舊數據塊，無論是新寫入的數據塊還是更新的數據塊，DVS-RAID總是使用這些數據塊動態(tài)生成一個新的條帶，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，DVS-Cache的寫緩存管理算法被設計來管理陣列的緩存。實驗結果表明：對于一些以讀為主的，或者以順序訪問為主的，亦或是數據更新頻率低的工作負載，DVS-RAID提供的性能比基于傳統磁盤的RAID5的性能還要好；而對于數據更新頻

6、率很高的工作負載，DVS-RAID的性能比基于傳統磁盤的RAID5也只稍差一點。
　　為了把瓦記錄磁盤應用到對象存儲系統中，本文設計了一種基于對象的瓦記錄轉換層OSTL(Object-based Shingled Translation Layer)。OSTL建立在日志式文件系統的基礎上，向上層提供ANSI T10一樣的對象訪問接口。在數據組織上，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訪問區(qū)，把

7、日志和文件數據存儲在瓦記錄區(qū)，從而提高數據的訪問速度和垃圾回收的效率。OSTL使用對象地址轉換機制來維護磁盤上對象的索引信息，該機制消除了B+樹的遞歸更新問題，內存中使用B+樹來維護對象的索引信息。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，實現了OSTL的原型系統。與Ceph中原有Key/Value的存儲引擎對比，在Postmark基準測試下