一种改进的基于缓存池机制的小文件I/O策略

Lustre文件系统对大文件的I/O性能较好,但对小文件不佳。针对这个问题,提出建立一个基于MDS节点的小文件缓存池机制,在缓存池里缓存经常被访问的小文件。在该机制中,小文件缓存池与OST使用全相联映射方式对应,并且使用贯穿读出式和直写式策略保持文件的一致性;缓存池更新策略综合考虑了文件的访问时间和次数等因素,使用改进的近期最少使用算法（LRU）更新替换。实验结果表明,改进后的Lustre文件系统减少了小文件的网络传输开销和访问时间,对小文件的I/O性能有较明显的提高。虽然它对大文件的I/O性能有所降低,但在可接受范围之内,仍具有一定的实用价值。     

高强度I/O的应用对并行存储系统的挑战和解决方法研究

具有高I/O密集特性的高性能计算应用对高性能计算机存储系统综合性能的要求越来越高.以石油地震勘探数据处理为代表的一类重要应用表现出I/O数据量巨大、I/O访问密度大,对单个磁盘阵列存储部件的读写带宽要求高的特征.在Lustre文件系统中,充当对象存储服务功能的磁盘阵列设备输出带宽的不足将成为阻碍存储系统整体性能发挥的重要因素.针对此类问题,提出了一种缓存管理方法,分别在客户端添加VDISK模块,在OST端添加Cache模块,二者协同提高并行文件系统I/O的输出带宽的使用效率;另外,充分利用客户端空闲内存以及客户端之间的通信带宽,降低应用程序对磁盘阵列设备输出带宽的要求.通过大规模并行模型的验证表明,VDISK提高了实际可用的输出带宽,提高了外部存储系统的I/O效率.     

并行文件系统Lustre细粒度I/O性能优化

并行文件系统Lustre粗粒度I/O性能良好,细粒度I/O性能相对粗粒度I/O比较低下,因此优化细粒度I/O性能成为提高系统整体I/O性能的关键问题。在研究和分析了Lustre的I/O访问模式、细粒度I/O服务流程和页面替换算法等方面后,提出了细粒度优先（Fine Grained First,FGF）LRU算法。在OST端及Client端的页高速缓存中最大程度地保留细粒度I/O的页面,降低细粒度I/O引起的页面下沉速度,延长细粒度I/O页面在主存中的时间,进而减少对磁盘的访问次数,降低磁盘访问开销。通过对实验数据的对比和分析,验证了FGF-LRU算法的有效性。在不影响粗粒度I/O性能的情况下,提高了细粒度I/O性能,最终实现提高系统整体I/O性能。     

基于机器学习的并行文件系统性能预测

并行文件系统能有效解决高性能计算系统的海量数据存储和I/O瓶颈问题.由于影响系统性能的因素十分复杂,如何有效地评估系统性能并对性能进行预测成为一个潜在的挑战和热点.以并行文件系统的性能评估和预测作为研究目标,在研究文件系统的架构和性能因子后,设计了一个基于机器学习的并行文件系统预测模型,运用特征选择算法对性能因子数量进行约简,挖掘出系统性能和影响因子之间的特定的关系进行性能预测.通过设计大量实验用例,对特定的Lustre文件系统进行性能评估和预测.评估和实验结果表明:threads/OST、对象存储器(OSS)的数量、磁盘数目和RAID的组织方式是4个调整系统性能最重要因子,预测结果的平均相对误差能控制在25.1%～32.1%之间,具有较好预准确度.     

MDDS:一种面向高性能计算的并行文件系统元数据性能提升方法

随着计算能力的增强、应用课题规模和复杂度的增加,高性能计算机对并行文件系统性能要求越来越高.在海量小文件和大规模并发I/O操作的应用场景中,文件系统元数据的吞吐率成为限制其性能的关键因素.设计并实现了元数据代理(meta data delegation service,MDDS),通过降低元数据服务间的耦合度,保证元数据集群的高可用性;使用目录子树方式管理元数据代理空间,避免跨节点目录引入的分布式原子操作的复杂性和低效性.并针对高性能计算中I/O转发架构,提出基于元数据代理的两种作业调度策略——单作业独占单元数据代理调度和多作业共享多元数据代理调度——实现作业间和作业内的负载均衡.在116台存储服务器上对MDDS进行评估,实验结果表明,元数据代理提供了拟线性的元数据性能,在大规模的环境中较Lustre CMD方案有较好的扩展性;两种调度方式有效分散了作业元数据的负载,改善了高性能计算中的元数据瓶颈问题.     

基于RAM/Disk混合设备模型的FC-SAN存储系统

磁盘存取是基于光纤通道网络的SAN存储系统的目前性能瓶径，在综合和分析目前各种文件系统I／O操作工作负载的研究结果的基础上，提出了一个新的改进FC-SAN存储系统性能的方法：将各种文件系统I／O操作分为大数据量的文件读写操作、小数据量的文件读写操作和文件属性操作，大数据量的文件读写操作还是按照原来的I／O路径进行，存取物理磁盘；但其他各种文件操作包括小数据量的文件读写操作对基于内存的RAMDisk设备进行操作，实验结果显示，基于混合I／O子系统的FC-SAN存储系统的存取速率可以接近线速。     

NFS over Lustre性能评测与分析

传统的网络文件系统难以满足高性能计算系统的I/O 需求，基于对象存储的全局并行文件系统Lustre可以有效地解决传统文件系统在可扩展性、可用性和性能上存在的问题。该文介绍了Lustre文件系统的结构及其优势，对NFS over Lustre 进行了性能测试，并将测试结果与Lustre文件系统、NFS网络文件系统及本地磁盘Ext3文件系统的性能进行了比较分析，给出了性能差异的原因，提出了一种可行的解决方法。     

面向海量存储的文件系统评测基准

为满足海量存储文件系统级性能评测需求,开发一个通用的符合POSIX.1标准的文件系统基准评测工具LZpack,可为不同文件系统的性能评测比较提供一种有效的方法,也可为使用文件系统操作API集合的应用程序设计者提供性能评价的依据。LZpack采用集群评测的评测架构,可以对文件I/O性能及元数据操作性能进行准确评测。对LZpack的系统结构和关键问题进行描述,对使用LZpack在不同文件系统上的测试结果进行分析,提出LZpack下一步的改进思路。     

集群文件系统的性能最优化配置

集群文件系统是当前存储系统的研究热点.在资源一定的条件下,存储系统中元数据服务器和数据存储服务器节点及客户端节点数量之间的配置比例会对系统性能产生较大的影响.分析了lustre集群文件系统的参数配置,针对两种典型应用环境:文件服务和Web服务,测试了不同节点数和不同lustre条块大小配置下的系统性能;通过对比分析,得出lustre集群文件系统最优化配置,为提高集群文件系统性能提供参考.测试结果显示.当lustre文件系统的OST节点数与client节点数相当时系统性能最好.     

Lustre文件系统I/O锁的应用与优化

分布式文件系统需要有一种机制对来自各个客户端的并发访问进行控制,维护文件数据的一致性。锁是实现并发控制最流行的机制。研究了Lustre文件系统的分布式I/O范围锁的模型,并对它的各种应用进行了优化。介绍了Lustre分布式锁的基本概念,对基于锁实现数据客户端写回缓冲以及多写者文件大小的动态获取的算法进行了分析;提出自适应I/O锁策略,基于区间树的范围锁冲突检测优化策略以及客户端锁淘汰策略来增强Lustre锁服务的性能和扩展性。     

Scalable Design and Implementations for MPI Parallel Overlapping I/O

We investigate the message passing interface input/output (MPI I/O) implementation issues for two overlapping access patterns: the overlaps among processes within a single I/O operation and the overlaps across a sequence of I/O operations. The former case considers whether I/O atomicity can be obtained in the overlapping regions. The latter focuses on the file consistency problem on parallel machines with client-side file caching enabled. Traditional solutions for both overlapping I/O problems use whole file or byte-range file locking to ensure exclusive access to the overlapping regions and bypass the file system cache. Unfortunately, not only can file locking serialize I/O, but it can also increase the aggregate communication overhead between clients and I/O servers. For atomicity, we first differentiate MPI's requirements from the portable operating system interface (POSIX) standard and propose two scalable approaches, graph coloring and process-rank ordering, which can resolve access conflicts and maintain I/O parallelism. For solving the file consistency problem across multiple I/O operations, we propose a method called persistent file domains, which tackles cache coherency with additional information and coordination to guarantee safe cache access without using file locks     

集群下Cholesky分解的数据重用算法

核外计算中,由于磁盘I/O操作特点是启动开销大,所以对文件的访问时间占的比例较大。如果能减少读取文件操作的次数则可以大幅度地提高运行效率。数据重用是一种有效的减少I/O操作次数的技术。本文将数据分成几个文件,然后将本次Cholesky分解完毕的文件继续的留在内存缓冲区中。当对下一个文件进行分解时,可用上一个刚分解完的文件进行数据的更新。这样就减少了读取数据的I/O操作次数,从而提高了分解效率。     

基于Lustre文件系统的MPI-IO编程接口改进

针对传统MPI集群并行I/O效率不高的问题,通过分析Lustre并行文件系统的特点和MPI-IO集中式I/O操作的算法,提出了一种基于MPI-IO编程接口的改进方案,用以改善集群I/O瓶颈,提高I/O并行效率,并通过实验验证了该方案的可行性。     

Block I/O Scheduling on Storage Servers of Distributed File Systems

This paper presents a new scheme of I/O scheduling on storage servers of distributed/parallel file systems, for yielding better I/O performance. To this end, we first analyze read/write requests in the I/O queue of storage server (we name them block I/Os), by using our proposed technique of horizontal partition. Then, all block requests are supposed to be divided into multiple groups, on the basis of their offsets. This is to say, all requests related to the same chunk file will be grouped together, and then be satisfied within the same time slot between opening and closing the target chunk file on the storage server. As a result, the time resulted by completing block I/O requests can be significantly decreased, because of less file operations on the corresponding chunk files at the low-level file systems of server machines. Furthermore, we introduce an algorithm to rate a priority for each group of block I/O requests, and then the storage server dispatches groups of I/Os by following the priority order. Consequently, the applications having higher I/O priorities, e.g. they have less I/O operations and small size of involved data, can finish at a earlier time. We implement a prototype of this server-side scheduling in the PARTE file system, to demonstrate the feasibility and applicability of the proposed scheme. Experimental results show that the newly proposed scheme can achieve better I/O bandwidth and less I/O time, compared with the strategy of First Come First Served, as well as other server-side I/O scheduling approaches.     

一种性能优化的小文件存储访问策略的研究

在分布式文件系统中,小文件的管理一般存在访问性能较差和存储空间浪费较大等缺点.为了解决这些问题,提出了一种性能优化的小文件存储访问(SFSA)策略.SFSA将逻辑上连续的数据尽可能存储在物理磁盘的连续空间,使用Cache充当元数据服务器的角色并通过简化的文件信息节点提高Cache利用率,提高了小文件访问性能;写数据时聚合更新数据及其文件夹域中的相关数据为一次I/O请求写入,减少了文件碎片数量,提高了存储空间利用率;文件传输时利用局部性原理,提前发送批量的高访问率的小文件,降低了建立网络连接开销,提升了文件传输性能.理论分析和实验证明,SFSA的设计思想和方法能有效地优化小文件的存储访问性能.     

双粒度协议下基于hint的启发式缓存替换算法

合作式缓存技术是提高机群文件系统性能的关键技术之一.s2fs(scalable single-image file system)是一个单一映像机群文件系统原型,它利用双粒度协议实现了符合严格UNIX语义的合作式缓存.该文为s2fs设计了基于hint的启发式缓存替换算法,并为其建立了性能分析模型.分析结果表明,同现有的合作式缓存替换算法N-chance相比,启发式算法几乎在所有情况下都有效地降低了I/O的响应时间.     

新型非易失相变存储器PCM应用研究

并行I/O技术有效优化了I/O性能,但对访问延迟却难以控制.相变存储器(phase change memory,PCM)作为一种SCM(storage class memory),具有非易失性、随机可读写、低延迟、高吞吐率、体积小和低功耗的特点,为I/O性能优化提供了最直接有效的途径.研究了PCM的特性与存在的问题,总结了目前PCM的应用研究进展,针对高性能计算中的并行I/O问题,提出了一种基于相变存储器PCM的层次式并行混合存储模型,能够有效提高并行文件系统元数据服务效率和并行I/O吞吐率.     

异构多核系统中编译器指导的I/O代理技术

在异构多核系统中,精简设计的从处理器核无法运行操作系统,且不支持终端打印和读写文件等常用I/O操作。为此,提出编译器指导、主处理器代理执行的I/O操作技术,采用信息交互、中断处理等方法,实现聚合代理并优化从处理器代码中的I/O操作功能。实验证明,编译器指导的I/O代理性能比系统级I/O代理高5倍以上。