一种基于定制高性能互连的对象存储系统

基于高性能互连实现对象存储系统已经成为构建高性能计算机可扩展I/O系统的发展趋势。我们设计并实现了一种定制的高带宽、低延迟的高性能互连芯片HSNI,它提供了很好的通信性能,可用于构建对象存储系统。本文对HSNI的硬件体系结构、软件结构及其通信机制进行了介绍,并基于HSNI构建了高性能的对象存储系统。性能测试结果表明,HSNI芯片带宽高、延迟低,非常适合构建大规模对象存储系统,该存储系统能够很好地发挥Lustre系统的性能,并具有很好的可扩展性,能够很好地满足面向高性能计算的I/O系统需求。     

基于闪存的混合存储系统缓冲区管理算法

由于基于闪存的混合存储系统充分利用了闪存的高速随机读和磁盘的快速顺序写的特性,近年来已经成为了数据库管理系统的二级存储层的高效存储模式,但其I/O访问开销是一个继续提高存储性能的瓶颈.为了降低混合存储系统的I/O访问开销,提出了一种自适应缓冲区管理算法DLSB.该算法根据数据页的逻辑代价和物理代价进行自适应的数据域选择;并在选择的数据域中,比较闪存队列和磁盘队列容量的实际值与理想值来确定数据页的置换,达到了提高I/O访问效率的目的.实验结果表明,该算法有效且可行,显著降低了混合存储系统的I/O访问开销.     

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.     

一种时间敏感的SSD和HDD高效混合存储模型

基于闪存的固态硬盘(Solid State Driver,SSD)已成为目前广泛使用的一种持久存储设备.但是由于闪存不对称的I/O特性以及价格因素,SSD还不能完全取代传统硬盘(Hard Disk Driver,HDD).因此,由SSD和HDD组成的混合存储系统逐步成为目前研究的重点.文中针对SSD和HDD混合存储问题,提出了一个时间敏感的混合存储模型用来有效地利用SSD.该模型把SSD和HDD作为同级的存储设备,结合数据页的访问次数以及访问热度实现对页面的准确分类和分配,即将读倾向负载的hot页面分配到SSD存储,写倾向负载的页面或者cold页面分配到HDD存储,从而利用SSD和HDD不对称的I/O特性来降低系统总的I/O延迟.作者分别在基于高端SSD和中端SSD的混合存储系统上实现了提出的混合存储模型,并进行了性能评测.实验结果显示,作者提出的模型可以实现对数据页更准确的分类,可以有效地降低页面迁移代价,在较少的SSD存储条件下取得了显著的性能提升.     

Multi-bank闪存文件系统的一种I/O调度机制

闪存以其体积小、抗震性强、能耗低、读取速度快等特点,被广泛应用于存储系统中。NOOP是闪存上传统的调度方法,但是NOOP的I/O性能较低,不能满足很多应用程序的要求。根据闪存读取速度快、多个banks(chips)可以并行运行等特点,提出了一种基于闪存文件系统YAFFS的Multi-bank闪存调度方法(简称MBS)。MBS并行地执行请求,且给予读请求更高的优先级。MBS根据AVL-based-tree机制识别出的写请求属性动态地将其分配到合适的bank中。实验结果表明,相比NOOP,MBS调度具有更高的I/O吞吐率、更短的请求响应时间并具有均匀的bank擦除次数和利用率。     

一种基于对象的多媒体存储系统优化策略

设计一个实用的分布式多媒体服务系统,存储子系统是其中的一个研究重点.根据多媒体系统的存储特点,从全新的视角提出一种存储子系统设计方案--基于对象的多媒体存储系统(Multimedia Object-based Storage System,MOSS),并分析了MOSS的系统架构和工作流程.与传统的多媒体存储技术相比,对象存储不仅能有效地改善系统I/O性能,还具有较好的安全性.以对象存储原型系统为基础,讨论了热点对象文件的分布和均匀分块优化策略.通过建立与系统相对应的数学模型,对数传率、I/O请求丢失率等性能指标作了定性分析.该研究工作对消除多媒体服务系统I/O瓶颈、进行存储子系统设计具有实际的指导意义.     

OHPSS:一种基于对象的高性能存储系统

现有存储系统主要存在以下问题:信息存储规模有限、系统结构限制了高速应用范围以及系统实时性和可靠性不够.为了满足大容量、高效、可扩展和高服务质量的存储系统需求,提出了一种基于对象的高性能存储体系结构--OHPSS.其特点是充分利用对象属性并采用适应性服务,达到提高访问性能的目的;基于对象存储设备(OBSD)有处理器和操作系统的硬件支持,既可避免系统性能瓶颈,又能提供异步I/O方式;存储磁盘采用SRAID(similar RAID)结构,提高了磁盘的并行性和可扩展性.测试结果表明,与其他存储系统相比,该存储结构显著提高了小块数据的随机读/写性能,并且多线程 异步I/O的工作方式也使系统扩展性得到了显著提高.     

低CPU开销的低延迟存储引擎

近些年来,固态存储的硬件处理速率得到了极大改善.一块超低延迟的固态存储盘能在10μs内处理4KB大小的数据.加速I/O收割过程以构建低延迟的存储引擎是存储系统研究中的一个重要研究课题.传统存储系统通过硬件中断机制收割I/O,却引入了额外的上下文切换开销,延长了整体I/O处理时间.现有工作使用轮询机制以消除上下文切换,却...     

一种闪存敏感的多级缓存管理方法

基于闪存的固态硬盘(solid state driver,简称SSD)已经广泛应用于各种移动设备、PC机和服务器.与磁盘相比,尽管SSD具有数据存取速度高、抗震、低功耗等优良特性,但SSD自身也存在读写不对称、价格昂贵等不利因素,这使得SSD 短期内不会完全取代磁盘.将SSD和磁盘组合构建混合系统,可以发挥不同的硬件特性,提升系统性能.基于 MLC 型 SSD 和 SLC 型 SSD 之间的特性差异,提出了一种闪存敏感的多级缓存管理策略——FAMC.FAMC将SSD用在内存和磁盘之间作扩展缓存,针对数据库系统、文件管理中数据访问的特点,有选择地将内存牺牲页缓存到不同类型的SSD.FAMC同时考虑写请求模式和负载类型对系统性能的影响,设计实现对SSD友好的数据管理策略.此外,FAMC基于不同的数据置换代价提出了适用于SSD的缓冲区管理算法.基于多级缓存存储系统对FAMC的性能进行了评测,实验结果表明,FAMC可以大幅度降低系统响应时间,减少磁盘I/O.     

新型非易失存储I/O栈综述

随着新型非易失存储介质的出现,软件I/O栈的开销已经成为存储系统的性能瓶颈.首先详述了基于磁盘的传统I/O栈的各个软件层次和请求经过I/O栈的一般流程.在分析了传统I/O栈在闪存(flash)、相变存储器(phase change memory,PCM)等新型非易失存储介质构成的存储系统中存在的问题后,对专门为PCIe固态硬盘(solid state drive,SSD)设计的高性能主机控制器接口——NVMe接口及基于该接口的I/O栈、请求流程进行了详细介绍.最后,针对相变存储器、阻变存储器(resistive randomaccess memory,RRAM)和自旋转移矩磁阻随机存储器(spin-transfer torque magnetic random access memory,STT-MRAM)等下一代存储介质,对I/O栈在中断使用、文件系统权限检查等方面带来的性能问题进行了详细分析,指出未来I/O栈设计要考虑的问题.