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异构蜂窝网络中基于协作混合缓存的能耗分析

南京邮电大学学报（自然科学版） 2022年第6期42卷 27-37页

作者：张骏朱琦南京邮电大学江苏省无线通信重点实验室江苏南京210003 南京邮电大学教育部泛在网络健康服务系统工程研究中心江苏南京210003

针对由宏基站和小基站组成的两层异构蜂窝网络缓存场景,设计了将混合缓存与基站之间的协作相结合的混合协作缓存机制。用户接入采用封闭式接入策略,将两层异构网络基站的分布建模为相互独立的PPP过程,基于随机几何理论,在宏基站和小基... 详细信息

针对由宏基站和小基站组成的两层异构蜂窝网络缓存场景,设计了将混合缓存与基站之间的协作相结合的混合协作缓存机制。用户接入采用封闭式接入策略,将两层异构网络基站的分布建模为相互独立的PPP过程,基于随机几何理论,在宏基站和小基站使用正交频谱和共享频谱两种场景下,采用文件重传机制,分别推导了宏用户和小基站用户的无线传输中断概率,基于混合协作缓存机制推导了文件命中率,并在此基础上,进一步推导了服务用户的系统能耗。仿真结果表明,推导的理论值与仿真值基本一致,证明了推导的正确性;文中设计的缓存策略能够提高用户请求文件的命中率,减少系统的能耗。

关键词：异构网络协作混合缓存中断概率能耗

考虑内容异构5G无线网络云对边混合缓存策略

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计算机工程与应用 2019年第6期55卷 94-100页

作者：周林腾刘明山东科技大学电气信息系山东青岛266590

现有大多数内容缓存算法需要对内容流行度的准确估计,这在动态移动网络环境中是较难实现的。提出考虑内容异构5G无线网络云对边混合缓存策略,设计优化了内容缓存位置,其可以是原始内容服务器、云单元(CUs)和基站(BSs)。采用Lyapunov优... 详细信息

现有大多数内容缓存算法需要对内容流行度的准确估计,这在动态移动网络环境中是较难实现的。提出考虑内容异构5G无线网络云对边混合缓存策略,设计优化了内容缓存位置,其可以是原始内容服务器、云单元(CUs)和基站(BSs)。采用Lyapunov优化方法解决了NP-hard缓存控制问题与CU缓存和BS缓存控制决策之间的紧密耦合问题,有助于改善和识别网络体系结构的层次性和Cus缓存与BSs缓存之间的隶属关系,同时新的分层网络架构能够通过机会性地开发以云为中心和以边缘为中心的缓存来提高内容缓存性能,支持高平均请求的内容数据速率。采用李雅普诺夫优化技术,可实现恒定分数的容量区域的所有到达率的有限服务延迟,进而实现缓存数据的快速读取。仿真结果显示,所提缓存策略在平均端到端服务延迟和负载降低率方面具有较为显著的优势。

关键词：内容异构 5G无线网络云对边混合缓存服务延迟

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基于混合缓存机制的垃圾回收策略研究

基于混合缓存机制的垃圾回收策略研究

作者：罗勇湖南大学

学位级别：硕士

基于NAND Flash的固态硬盘凭借着自身良好的读写性能、高可靠性等诸多优点,逐渐成为二级存储系统的主流存储媒介。由于NAND Flash的写前擦除特性,在进行数据更新时,不能原地覆盖,为了提高写入性能,通常采取异地更新的方式,但是该方式会... 详细信息

基于NAND Flash的固态硬盘凭借着自身良好的读写性能、高可靠性等诸多优点,逐渐成为二级存储系统的主流存储媒介。由于NAND Flash的写前擦除特性,在进行数据更新时,不能原地覆盖,为了提高写入性能,通常采取异地更新的方式,但是该方式会衍生出更多无效的旧版本数据,为了腾出更多的空闲空间,通常情况下,垃圾回收是被NAND FLASH采取用来重拾因异地更新所产生的无效数据块的有效机制,然而,高开销的垃圾回收又带来了新的问题。垃圾回收是一种既耗时又损耗闪存寿命的操作,本文从垃圾回收所导致的响应延迟、资源利用率低下、高额的数据迁移开销等问题进行了分析,提出了一种基于混合缓存的垃圾回收策略(Mixed Cache Based Garbage Collection,MC-GC),MC-GC 大致工作可分为如下几个部分:首先,针对芯片执行垃圾回收时,挂载在同一通道的其它芯片无法进行数据传输,从而导致芯片利用率低下,系统响应延迟等问题。本文基于缓存的思想,提出了写页数据回写延迟策略,选择性的缓存部分阻塞请求数据页,并行地执行数据写入和垃圾回收。其次,鉴于垃圾回收过程中,数据迁移给闪存带来的系统响应延迟和写放大等问题,本文设计了一种基于混合缓存的数据迁移方案,对于预回收块,构造了一种新的回收代价函数,并利用缓存对数据页迁移进行了去冗余设计,有效减少了垃圾回收的数据迁移开销。最后,对于暂存在混合缓存中的数据,设计了一种基于页热度的混合缓存管理方案,其中较冷的页面数据会优先被回写到闪存,针对缓存数据页回写的I/O分配方式,本文综合考虑了通道繁忙程度和写入次数来进行I/O分配,从而减少了整个系统响应延迟和对闪存寿命的损耗。同时,为了充分利用PCM和DRAM的优点,我们设计一种基于垃圾回收的页面调度方案,以保证对DRAM更多的写入,而在PCM中保证读较为密集的数据页。实验结果表明,MC-GC在写入性能、损耗均衡、写入次数、数据迁移开销等方面都有了较好的改善。

关键词：闪存垃圾回收数据迁移混合缓存

基于NVM的三维多核处理器混合缓存架构研究

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基于NVM的三维多核处理器混合缓存架构研究

作者：卢昊南京航空航天大学

学位级别：硕士

随着多核处理器规模的增加,对片上缓存容量的需求越来越大,传统存储器面临着存储密度低和静态功耗高等问题日益严峻。新型非易失性存储器(Non-volatile Memory,NVM)具有非易失性、近零静态功耗和高存储密度等优良特性,其为片上缓存设计... 详细信息

随着多核处理器规模的增加,对片上缓存容量的需求越来越大,传统存储器面临着存储密度低和静态功耗高等问题日益严峻。新型非易失性存储器(Non-volatile Memory,NVM)具有非易失性、近零静态功耗和高存储密度等优良特性,其为片上缓存设计提供了新的思路,但其也存在写延时大、写功耗大等不足。因而,构建基于NVM和SRAM的混合缓存架构是一种更为合理的多核处理器缓存设计方法。论文针对基于NVM的三维多核处理器混合缓存架构设计展开研究。论文首先基于gem5、NVSim和McPAT模拟器搭建了面向混合缓存三维多核处理器的仿真平台,并对新型NVM与传统存储器特性进行了分析比较,确定了基于新型非易失性存储器STT-RAM和传统SRAM作为片上混合缓存Cache的设计思路。结合三维多核处理器功耗、温度设计约束以及缓存访问概率分布特征,提出了一种三维多核处理器混合缓存球形布局策略,通过将SRAM布局在芯片的中心位置保证了处理器核对Cache中间Bank频繁访问的低延时,将STT-RAM布局在芯片的外围位置降低了整体Cache的静态功耗。该布局相比采用SRAM作为Cache并且容量相同的多核处理器架构功耗降低34%,性能仅降低3.32%。基于该布局的混合缓存架构,又进一步研究了三维结构中混合缓存数据迁移问题,并提出了一种三维多核处理器混合缓存数据迁移策略。该策略通过规定数据在不同方向迁移的优先级,禁止SRAM向STT-RAM的数据迁移,保留数据迁移信息,降低了多核处理器数据迁移抖动现象,解决了混合缓存数据迁移失效的问题。

关键词：三维多核处理器新型非易失性存储器混合缓存数据迁移仿真平台

基于混合缓存架构的Cassandra读性能优化

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基于混合缓存架构的Cassandra读性能优化

作者：吕显赫山东大学

学位级别：硕士

随着大数据时代的来临,传统的数据存储、查询、分析方式渐渐力不从心,难以适应海量数据的处理需求。关注非关系型、分布式、开源、可以线性扩展这几个特点的NoSQL数据库应运而生,能够很好地满足大数据时代的数据存储与处理需求。Cassan... 详细信息

随着大数据时代的来临,传统的数据存储、查询、分析方式渐渐力不从心,难以适应海量数据的处理需求。关注非关系型、分布式、开源、可以线性扩展这几个特点的NoSQL数据库应运而生,能够很好地满足大数据时代的数据存储与处理需求。Cassandra作为NoSQL数据库的代表之一,被广泛地应用于各大IT公司,承担着极其重要的数据存储和处理任务。然而Cassandra仍旧是一个相对较为年轻的分布式数据库系统,其在各方面尤其是性能方面还有很大的改进空间。在实际使用过程中,我们发现Cassandra的读性能较差,难以满足日渐增长的读数据需求。经过对Cassandra系统架构的分析以及性能测试,我们发现读操作较慢的主要原因是数据读取过程中涉及较多的硬盘IO操作。如果在读数据时命中Cassandra的RowCache缓存,就可以直接从缓存中获取完整数据进而省略硬盘IO过程,故增大缓存可以明显地提升读操作的性能。但是内存空间是有限的,且价格较高,无法进行大规模扩充来满足缓存高命中率的要求。而近年来出现的固态硬盘具有低消耗、高容量、高速度、低耗费的特点,将其作为内存的扩展,是增大缓存的极佳方案。目前将固态硬盘作为系统交换区来扩展内存是较为常用的手段,但是这种方案有较多的缺点,无法充分利用固态硬盘的优点。为此我们针对性地设计并实现了基于内存和固态硬盘的混合缓存架构,将固态硬盘作为内存的扩展,为Cassandra提供大容量、高速度的RowCache缓存服务,来优化其读性能。我们设计的缓存架构分为两层五区,其中内存层分为三个区域,固态硬盘层分为两个区域。混合缓存在充分利用内存和固态硬盘的存储空间和读写速度的情况下,尽量减少固态硬盘读写过程中的擦除操作,来减少固态硬盘的使用损耗。同时我们设计了一种使数据在各区域中有序转移交换算法,能够区分对待混合缓存中的冷热数据,使较热的数据能够存储在内存层,而相对较冷的数据存储在固态硬盘层。混合缓存系统可以与Cassandra无缝衔接,并对用户提供了友好的参数配置界面,包括静态和动态两种配置接口,使用户可以简单方便的使用。在最后的效果测试中,我们设计的混合缓存架构,在Cassandra上的性能表现是使用固态硬盘作为交换区方案的1.4倍。

关键词：混合缓存 Cassandra 固态硬盘

片上多核处理器混合缓存架构生成与访问机制研究

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片上多核处理器混合缓存架构生成与访问机制研究

作者：王磊南京航空航天大学

学位级别：硕士

随着片上多核处理器核数的持续增加,对片上缓存容量的需求越来越大,传统的基于SRAM缓存所带来的功耗开销在多核处理器系统中所占比重越来越大。新型非易失性存储器(Non-volatile Memory,NVM)具有非易失性、近零的泄漏功耗和高存储密度... 详细信息

随着片上多核处理器核数的持续增加,对片上缓存容量的需求越来越大,传统的基于SRAM缓存所带来的功耗开销在多核处理器系统中所占比重越来越大。新型非易失性存储器(Non-volatile Memory,NVM)具有非易失性、近零的泄漏功耗和高存储密度等优良特性,为片上缓存设计提供了新的思路,但其也存在写延时大、写功耗大和有限的写寿命的问题等。因此,构建基于NVM与SRAM的混合缓存架构是一种更为合理的多核处理器缓存设计方法。本文针对基于一种新型非易失性存储器STT-RAM与SRAM的片上三维多核处理器混合缓存架构生成与访问机制展开研究。本文首先分析并建立了片上多核处理器的功耗、热传播以及新型非易失性存储器的耐久性模型,在此基础上提出了一种基于STT-RAM与SRAM的混合缓存架构优化生成方法。该生成方法在满足多核处理器系统最大温度与NVM耐久性约束下,确定每级共享缓存层不同类型存储器的最佳容量,以使得系统功耗开销最小;并进一步考虑“暗硅”的影响,将每级缓存层最佳容量进行分配,确定每个缓存块的打开关闭情况,得到最优化的缓存块布局。基于Gem5仿真平台通过实验验证,相比采用同等面积的SRAM的片上缓存架构,采用所提出生成方法生成的缓存架构的多核处理器系统功耗降低了28.9%,性能提升了44.81%。其次,本文提出了一种混合缓存架构动态生成策略。该策略在片上多核处理器运行过程中,监测缓存块当前的使用率与热度指标,并与相应的阈值比较来判断是否可能被打开或者关闭。然后将缓存块进行优先级判断,并执行打开关闭算法,最终确定需要打开或者关闭的缓存块数目。本文还设计了指标采集器、读写命中率采集器和缓存块优先级判断器,以较低的硬件开销实现了动态生成策略。通过实验仿真,相比固定的混合缓存架构,采用所提出策略生成的混合缓存架构功耗降低14%,性能仅降低6%。最后,基于前述所提出的混合缓存架构,提出了一种混合缓存的访问机制。该访问机制首先将缓存行划分成了死亡行和写频繁行,然后根据这两种类型的缓存行从缓存填充、缓存替换和数据迁移三个方面对传统访问机制进行了优化。该访问机制减少了不必要的缓存填充、优化了缓存行的替换并减少了对STT-RAM的写操作,从而降低了系统的功耗开销并提升了性能。通过实验仿真,在使用动态生成策略的情况下,相比于传统的写回访问策略,所提出的访问机制可以提升性能约24.1%,节省功耗约29%。

关键词：片上多核处理器新型非易失性存储器混合缓存读写策略

基于页面分类与放置策略的混合缓存管理机制研究

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基于页面分类与放置策略的混合缓存管理机制研究

作者：余新华中科技大学

学位级别：硕士

随着片上多核CMP（Chip Multi Processor）成为主流微处理器技术，微处理器已经进入多核时代。通过多核技术提高处理能力、降低消耗已成为微处理器的必然选择。该技术面临的另一挑战是共享缓存的管理。共享缓存被多核竞争使用，不仅降... 详细信息

随着片上多核CMP（Chip Multi Processor）成为主流微处理器技术，微处理器已经进入多核时代。通过多核技术提高处理能力、降低消耗已成为微处理器的必然选择。该技术面临的另一挑战是共享缓存的管理。共享缓存被多核竞争使用，不仅降低共享缓存的性能，而且日益增大的容量加重了CMP上缓存的能耗问题。由多种内存技术组成的混合缓存，兼具各缓存技术优点，为上述问题提供了一种解决方案。混合缓存旨在利用程序访问共享缓存的行为差异性来共享缓存的各个区域，以提供更好的访问性能。基于页面分类和放置策略的混合缓存管理机制以页着色算法为基础，由页面分类单元和页面放置单元两部分组成。页面放置单元用于动态统计页级共享缓存的访问频率等信息，并对页面实施分类。页面放置单元通过页着色算法，根据页面分类单元所提供的共享缓存的页面访问信息来迁移页面，达到管理共享缓存的目的。这两个功能结构分别在系统的硬件层和操作系统层实现。与现有的共享缓存管理机制相比，该机制能够充分利用缓存密度高、漏电能耗较低的特点提升共享缓存性能。该机制具有以下优点：在操作系统级管理混合缓存，降低混合缓存的设计复杂度，提高了管理机制的灵活性和可扩展性，整体系统开销小。实验结果表明，在使用基于页面分类和放置策略的混合缓存管理机制之后，程序性能得到提高，与未采用该机制的系统相比，平均IPC提高3.74%，最高提升可达22.76%。

关键词：混合缓存页面着色页面分类页面放置

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WEBGIS混合缓存的应用与研究

计算机系统应用 2009年第9期18卷 144-148页

作者：魏祖宽胡娟金在弘电子科技大学计算机科学与工程学院四川成都610054 永同大学校计算机工学科韩国忠清北道永同郡370701

大数据量的网络传输速度和空间信息的分布式处理效率成为影响WebGIS系统性能的关键因素。缓存技术是改进系统性能的关键技术。针对胖客户模式、瘦客户模式存在的不足,提出一种适用于电网可视化管理系统的混合缓存模式,即通过运用服务器... 详细信息

大数据量的网络传输速度和空间信息的分布式处理效率成为影响WebGIS系统性能的关键因素。缓存技术是改进系统性能的关键技术。针对胖客户模式、瘦客户模式存在的不足,提出一种适用于电网可视化管理系统的混合缓存模式,即通过运用服务器缓存和客户端缓存技术,在服务器端基于地图缓存和无状态的池式服务,在客户端采用内存缓存,提高用户请求响应用速度。实验表明,这种模型可以减少数据的网络传输量,提高空间数据的存取效率和并发访问能力。

关键词： WebGIS地图切片地图缓存混合缓存电网分析缓存分析

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异步光分组交换的光电混合队列及调度

半导体光电 2006年第3期27卷 309-313页

作者：刘焕淋潘英俊张治中重庆邮电大学通信工程学院重庆400065 重庆大学光电工程学院重庆400044

研究了以光纤延迟线作为主要的常规缓存,以电存储器作为辅助缓存的光电混合缓存的光电混合缓存结构,并用改进的FF-VF算法调度冲突的分组,达到改善长度可变光分组交换的分组丢失率目的。分析和仿真结果都表明,光电混合缓存和改进的FF-VF... 详细信息

研究了以光纤延迟线作为主要的常规缓存,以电存储器作为辅助缓存的光电混合缓存的光电混合缓存结构,并用改进的FF-VF算法调度冲突的分组,达到改善长度可变光分组交换的分组丢失率目的。分析和仿真结果都表明,光电混合缓存和改进的FF-VF算法能改善可变长光分组交换在负载较高时的分组丢失率性能,并减少光纤延迟线的数目。

关键词：光分组交换改进的FF—VF算法混合缓存分组丢失率光纤延迟线