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基于分区命名空间固态硬盘的车载存储系统研究

基于分区命名空间固态硬盘的车载存储系统研究

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作者：苏田重庆大学

学位级别：硕士

随着车载应用不断丰富,车载多应用场景不仅需要更高的存储容量和性能支持,还需要根据多应用的数据类型、访存行为等特征进一步优化车载存储系统。在多应用的访存行为中,写入模式可分为顺序写和随机写。对于这两种不同访存行为所产生的数... 详细信息

随着车载应用不断丰富,车载多应用场景不仅需要更高的存储容量和性能支持,还需要根据多应用的数据类型、访存行为等特征进一步优化车载存储系统。在多应用的访存行为中,写入模式可分为顺序写和随机写。对于这两种不同访存行为所产生的数据,混合存放容易导致多应用之间的访问干扰。因此,一种优化方法是基于多应用的访存行为实现数据隔离。但是传统的存储架构存在一些限制,难以实现多应用场景的数据隔离。新兴的分区命名空间固态硬盘(Zoned Namespace Solid State Drive,ZNS SSD)提出了一种存储架构,能以更低的开销实现存储扩容和性能提升,并且使主机端既能感知应用访存行为,又能感知硬件特征,从而为多应用场景提供了数据隔离的条件。然而,作为一种新兴的存储架构,为了实现车载多应用的数据隔离,目前仍需要解决两个关键问题:(1)空间管理问题,一些传统方案没有利用ZNS的应用感知能力实现空间管理的优化,在使用ZNS固态硬盘的过程中存在空间管理效率低下导致空间利用率低、较高的写放大和尾延迟等问题;(2)应用访问问题,现有方案在向应用提供ZNS的访问支持时难以兼顾两个方面:既能够提供通用性的访问支持,又能够充分利用ZNS固态硬盘的特性以实现多应用的数据隔离。针对上述研究现状及问题,本文完成了以下工作:(1)提出了一种面向车载多应用的空间管理策略,该策略包含三个核心点:(1)双重数据隔离策略,该数据布局实现了应用之间的物理隔离和应用的顺序写和随机写访存行为的隔离;(2)隔离区域的动态分配算法,通过虚拟化技术解决多应用场景的新增、删除、扩容、缩容动态变化,以提高空间利用率和空间分配的灵活性;(3)隔离区域的垃圾回收策略,分别向顺序写区域和随机写区域提供差异化的垃圾回收流程,以实现更集中、高效的空间清理。(2)提出了一种基于ZNS新型介质的车载文件系统DIFS(Double Isolation File System),该系统实现了本文提出的面向车载多应用的空间管理策略,并且能够为多应用提供良好的ZNS访问支持。DIFS主要包含四个工作:(1)基于双重数据隔离构建了一种新的软硬件数据通路,实现从用户空间到设备空间的数据隔离存储流程;(2)针对顺序写和随机写两种访存行为设计了分区并行管理策略,以实现差异化的空间分配与回收;(3)面向多应用的访存需求提出了文件并行管理策略,以提供差异化的映射机制和类POSIX的文件语义;(4)基于ZNS的空间管理单元实现了大粒度的介质管理以减少映射开销,并解决了无效数据统计、有效数据迁移、数据频繁更新等方面的问题。(3)开展了不同方案的对标测试,实验结果表明:在性能方面,DIFS比传统方案至少提升10%以上;在存储开销方面,DIFS在大容量、多应用的情况下在100～1000KB级别,而其他方案在10～1000MB级别;在垃圾回收方面,本文提出的数据隔离策略能以更低的写放大保持更高的空间利用率,以及更低的尾延迟。

关键词：车载存储系统文件系统分区命名空间固态硬盘数据隔离

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基于分区命名空间固态硬盘的碎片管理策略优化

基于分区命名空间固态硬盘的碎片管理策略优化

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作者：邵继成华中科技大学

学位级别：硕士

闪存设备具有高性能、低功耗、大容量、抗冲击等优势,有逐渐成为主流存储设备的趋势。对文件进行频繁的写、删除、截断等操作,会导致数据块在文件系统和闪存设备离散分布,造成严重的碎片化问题。传统碎片整理工具对数据进行拷贝,有效消... 详细信息

闪存设备具有高性能、低功耗、大容量、抗冲击等优势,有逐渐成为主流存储设备的趋势。对文件进行频繁的写、删除、截断等操作,会导致数据块在文件系统和闪存设备离散分布,造成严重的碎片化问题。传统碎片整理工具对数据进行拷贝,有效消除存储系统中的碎片化,提升系统的读写性能,但是会引入较大的数据迁移,导致严重的写放大问题,影响前台应用的读写性能和降低闪存设备寿命。针对闪存设备和文件系统的碎片化问题,提出了一种基于分区命名空间固态硬盘的碎片管理策略优化方法。该方法根据文件在文件系统层分散的碎片大小和数量,对逻辑碎片进行量化,根据数据在物理设备内部的分散程度和分布的闪存芯片数量,对物理碎片进行量化,能准确计算碎片对系统性能影响的程度,为碎片整理对象选择提供数据基础,避免无效的数据迁移。在碎片整理过程中,提出扩展分区命名空间接口的命令集,设计数据迁移命令,将数据迁移的任务卸载到设备端执行,缩短数据拷贝的读写路径,降低碎片整理过程对前台应用的读写影响。在模拟仿真平台上,利用多种合成负载和模拟负载进行了测试。实验结果表明,在保证碎片整理效果的同时,能有效降低数据的迁移量,减少对系统性能和闪存寿命的影响。与FragPicker方案相比,对系统读带宽的提升效果基本一致,降低数据迁移量22.4%～36%,提高闪存芯片并行度约3.2～9.1倍,并且缩短碎片整理过程耗时77.5%左右,对前台应用的读写影响较小。

关键词：闪存设备日志结构文件系统碎片化分区命名空间固态硬盘

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面向ZNS SSD的日志结构文件系统同步机制优化

面向ZNS SSD的日志结构文件系统同步机制优化

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作者：张子越华中科技大学

学位级别：硕士

日志结构文件系统采用异地更新模式,旨在将随机写入转换为顺序写入以提升写性能,但这种方式同时也造成了高频的元数据更新,导致文件同步时元数据页写回数量的上升。过高的元数据同步开销导致了严重的写放大,降低固态硬盘寿命并影响文件... 详细信息

日志结构文件系统采用异地更新模式,旨在将随机写入转换为顺序写入以提升写性能,但这种方式同时也造成了高频的元数据更新,导致文件同步时元数据页写回数量的上升。过高的元数据同步开销导致了严重的写放大,降低固态硬盘寿命并影响文件系统性能。基于分区存储模型的分区命名空间固态硬盘(Zoned Namespaces Solid State Drive,ZNS SSD)相比于传统固态硬盘具有更高写吞吐、更大容量和性能可预测等优点,是固态硬盘重要的发展方向之一。然而ZNS SSD逻辑分区内的顺序写限制加剧了日志结构文件系统元数据同步写放大问题并使得现有的优化策略失效。针对应用ZNS SSD带来的日志结构文件系统元数据同步写放大问题,提出了面向ZNS SSD的日志结构文件系统同步机制优化方法。在文件系统层提出了文件元数据同步的增量写回方式与动态写回策略,通过量化评估文件元数据脏页的全量持久化效率,自适应地选择合适的写回方式,明显减少了元数据同步导致的闪存页写入次数。在设备端提出了使用可字节寻址的非易失性存储器存储文件节点更新数据的日志,设计基于日志结构的段分配与轻量级垃圾回收机制保证存储空间管理的灵活性,实现了对ZNS SSD的功能增强,支撑文件元数据同步的增量写回。此外,设计了二阶段崩溃恢复方法,利用增量日志的一致性结构检测并恢复设备端日志数据一致性;基于日志数据恢复文件系统元数据,保证了同步机制优化方法不会破坏文件系统原有的崩溃一致性。分别使用移动设备和服务器场景下的同步操作密集型负载对论文提出的方法进行了测试。实验结果表明,该方法能够有效减少文件元数据脏页的写回数量,避免未修改元数据的反复写入,文件系统写性能得到明显提升。与基于ZNS SSD的原生F2FS相比,文件系统写吞吐量提升7.0%～107.1%,写放大倍数减少了11.89%～36.42%。

关键词：日志结构文件系统分区命名空间固态硬盘元数据同步增量更新

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