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细粒度缓存管理研究

细粒度缓存管理研究

作者：李玉雄重庆大学

学位级别：硕士

数据缓存一直是存储系统中用于提高访存性能的关键部件。随着大数据应用和云计算的高速发展,存储服务器的工作负载强度和并发性不断提高,对存储缓存的要求也随之增强。尤其为了获得较高的存储访问性能和I/O吞吐量,服务器端的存储缓存开... 详细信息

数据缓存一直是存储系统中用于提高访存性能的关键部件。随着大数据应用和云计算的高速发展,存储服务器的工作负载强度和并发性不断提高,对存储缓存的要求也随之增强。尤其为了获得较高的存储访问性能和I/O吞吐量,服务器端的存储缓存开始采用大粒度页面管理缓存数据。然而,采用大粒度页面管理缓存数据将使传统缓存算法面临两个严重问题。第一,传统的缓存算法以页为单位对缓存数据进行管理和替换,即当页面缺失时,即使I/O请求仅访问该页面的一个字节,也必须从底层存储设备中读取整个页面到缓存,从而导致缓存空间被污染,缓存利用率降低。并且,缓存页面越大,缓存空间污染现象越严重。第二,存在于同一个大缓存页面的不同数据通常具有不同的访存模式和不同的访问局部性特征,致使同一个缓存页中常出现冷热数据混合存储的问题。传统的缓存算法仅以页面为单位记录整个缓存页的访问热度,即无论每次访问多少数据,整个页面的热度值都将统一增加。在这种情况下,随着时间的推移,冷热数据混合存储的问题将会越来越严重,最后会严重影响缓存数据准入和替换的正确性,降低缓存命中率,影响缓存的整体性能。为了解决上述问题,本文提出了一种基于细粒度管理的页面大小可变的缓存架构,简称AIRCache。AIRCache包含四个部分:缓存页面映射表(Page Mapping Table,简称PMT)、细粒度记录器(Fine-Grained Recorder,简称FGR)、多粒度写入器(Multi-Granularity Writer,简称MGW)和多粒度替换器(Multi-Granularity Replacer,简称MGR)。PMT主要记录缓存页面的元数据信息;FGR主要通过将大粒度缓存页面划分成粒度更小的子块并记录其详细的访问状态信息;MGW以大小不同的粒度向缓存写入数据;MGR则以大小不同的粒度将数据逐出缓存,以确保缓存空间的高利用率和高缓存命中率。为了验证AIRCache的有效性,本文以传统缓存替换算法LRU和ARC为基础,实现了AIRCache算法,分别称为AIR-LRU和AIR-ARC,并使用FIU数据集中的工作负载对AIR-LRU和AIR-ARC进行实验评估。实验结果表明,与传统的LRU和ARC算法相比,AIR-LRU和AIR-ARC的读缓存命中率最高提高了7.59倍和2.05倍,缓存空间利用率最高分别提高2.1倍和3.1倍。

关键词：存储缓存细粒度管理冷热数据识别

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基于非堆栈缓存替换算法的缓存分区优化研究

基于非堆栈缓存替换算法的缓存分区优化研究

作者：余爱玲重庆大学

学位级别：硕士

缓存分区通过提供私有缓存的性能隔离和共享缓存的容量优势成为目前共享存储系统中提升缓存性能的重要手段。缓存缺失率曲线(MRC)描述了缓存缺失率和缓存容量的关系,是指导缓存分区不可或缺的有效工具。然而,构建MRC需要大量的存储开销... 详细信息

缓存分区通过提供私有缓存的性能隔离和共享缓存的容量优势成为目前共享存储系统中提升缓存性能的重要手段。缓存缺失率曲线(MRC)描述了缓存缺失率和缓存容量的关系,是指导缓存分区不可或缺的有效工具。然而,构建MRC需要大量的存储开销和时间开销,难以在实时环境被有效构建,尤其是对于实现复杂但性能优越的非堆栈缓存替换算法,这阻碍了缓存分区技术在共享存储系统的高效应用。微型模拟将少量样本请求同时提供给多个按比例缩小的微型缓存来同时获取多个缓存大小的缺失率,为非堆栈型缓存替换算法构建MRC。但是,现有工作对用于计算缺失率的缓存分片(微型缓存)采取统一固定配置,这会导致具有相同缺失率的多个缓存大小被重复计算,增加了对缓存空间的消耗。同时会缺失一些重要缓存大小的缺失率,构造不那么精确的MRC,导致无效的缓存分区。针对以上问题,本文做了以下工作:(1)本文对已有的MRC在线构建算法做了详尽的研究和分析,并阐述了现有的MRC在线构建算法中存在的两个主要问题:对具有相同缺失率的多个缓存大小进行重复计算而引入的缓存空间过度消耗问题和缺少一些关键缓存大小的缺失率而造成MRC低精度的问题。(2)针对缓存空间过度消耗的问题,本文提出了一个基于应用程序访问局部性特征的缓存分片静态筛选方法(简称SFshards)。SFshards根据程序过去运行周期的访问行为识别和移除无效的缓存分片,优化程序每个运行周期的初始缓存分片配置,减少对缓存空间的消耗。(3)针对MRC低精度问题,本文提出了一个基于程序访问多样性的缓存分片动态调整方法(简称Dashards)。Dashards通过在运行周期中动态捕捉并添加缺失的缓存分片来消除关键缓存大小的缺失,以适应工作负载的变化,保证MRC构造的精确性。本文选取MSR中的工作负载对上述策略进行实验和评估。结果表明,相比缓存分片的固定配置算法,SFshards为MRC的构建减少了约47%的缓存空间,Dashards可以构建与未筛选缓存分片同等精确度的MRC,同时SFshards和Dashards的结合使用提高了约17%的系统缓存总命中率。

关键词：存储缓存缓存共享 MRC 缓存分区缓存替换算法

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基于数据访问特征的高效缓存策略研究

基于数据访问特征的高效缓存策略研究

作者：许聪聪重庆大学

学位级别：硕士

固态硬盘相对于磁盘具有较好的读写性能,因此常将其作为磁盘缓存层应用于各种高性能存储系统之中。但随着现代工作负载强度的增加,缓存容量需求不断增大,导致有限的固态盘容量不足以容纳负载中的热点数据,致使缓存性能下降,限制了固态... 详细信息

固态硬盘相对于磁盘具有较好的读写性能,因此常将其作为磁盘缓存层应用于各种高性能存储系统之中。但随着现代工作负载强度的增加,缓存容量需求不断增大,导致有限的固态盘容量不足以容纳负载中的热点数据,致使缓存性能下降,限制了固态盘缓存的应用。重复数据删除技术(重删)通过检测和删除相同的数据,可以有效避免冗余缓存数据的写入和存储,提升固态盘缓存的空间利用率和耐久性。因此,构建基于重删感知的缓存是解决缓存容量不足以及设备寿命有限的可行方案。然而,通过对现有重删感知的缓存进行分析发现,其结合引用计数来辅助缓存算法执行数据替换,未能够充分利用重删感知缓存中数据访问的关联性,导致元数据缓存空间被占用,严重阻碍了缓存性能的提升;同时,其忽略了数据每次访问分布的多样性,没有考虑到每次访问内容分布的不同对缓存块整体热度的贡献也不相同,导致缓存难以捕捉准确的负载访问特征,影响了缓存空间的有效利用。针对上述问题,本文做了以下工作:(1)本文对现有基于重删感知的缓存策略做了详细的研究和分析,阐述了其存在的两个主要问题:(1)未有效利用数据访问的关联性;(2)忽略数据访问分布的多样性。(2)针对未有效利用数据访问的关联性问题,本文提出了一个基于访问关联的缓存数据替换策略(Replacement based on Access Relevance,简称RAR)。该策略综合分析了逻辑地址的访问频率、缓存块的引用计数变化,并在此基础上重新设计了缓存数据的替换规则,同时结合分段缓存结构,准确控制了具有较高关联强度的数据块在缓存中的驻留时间,有效提升了缓存命中率。(3)针对忽略数据访问分布的多样性问题,本文提出了一个基于访问分布的细粒度管理策略(Management based on Access Distribution,简称MAD)。该策略综合考虑每个数据访问请求的特征,充分挖掘每次请求访问的有效数据内容以及访问行为来管理缓存数据,从而消除缓存数据热度错误的识别。本文在传统缓存替换算法LRU和ARC的基础上实现了上述两种策略,分别称为RM-LRU和RM-ARC,并使用多种工作负载进行实验和评估。实验结果显示,RM-LRU和RM-ARC相对于现有基于重删感知的缓存替换算法在缓存缺失率上最高降低了23.91%和29.98%,缓存整体的IOPS和重删率分别平均提高了50.27%和2.67%。

关键词：存储缓存重复数据删除访问特征缓存策略

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无线网络在船舶数据存储系统中的应用

舰船科学技术 2021年第20期43卷 181-183页

作者：刘浪景德镇学院信息工程学院

船舶数据存储系统需要及时对大量数据进行存储调用操作,而当前的系统优化主要以减少数据冗余为主,虽提升了系统性能,但是也降低了系统操作效率。为改进上述缺陷,结合船舶航行需求提出基于无线网络的存储系统优化方法,研究无线网络在船... 详细信息

船舶数据存储系统需要及时对大量数据进行存储调用操作,而当前的系统优化主要以减少数据冗余为主,虽提升了系统性能,但是也降低了系统操作效率。为改进上述缺陷,结合船舶航行需求提出基于无线网络的存储系统优化方法,研究无线网络在船舶数据存储系统中的应用。将存储系统节点接入无线网络,在无线网络通信协议下,设计数据缓存反馈流程。并利用前项搜索规划系统节点状态,设计丢失数据恢复机制,从而优化系统的操作效率。经过实验测试,应用无线网络的系统其吞吐量平均提升了约30.5%,同时节省了系统的能量消耗与操作时间,性能得到了明显提升。

关键词：无线网络船舶数据存储系统存储缓存前向搜索数据重发

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变电站远动专线通道网络化改造方案分析

江苏电机工程 2013年第3期32卷 63-65页

作者：卓倬徐义宿迁供电公司江苏宿迁223800

宿迁地区变电站远动专线网络化改造后,有些变电站通道存在时通时断或者不通的情况。从传输控制协议(TCP)的keepalive属性、串口属性等方面分析了影响变电站通道状况的因素,并提出了解决方案,保证了变电站远动网络化改造后的正常运行。

关键词：网络化波特率存储缓存 keepalive