張?zhí)煊?李娟 劉靖宇

新型存儲(chǔ)介質(zhì)在RAID中的應(yīng)用與研究

張?zhí)煊?李娟 劉靖宇

河北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與軟件學(xué)院，天津 300401

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的迅速發(fā)展，新型非易失存儲(chǔ)器件由于具有非易失、低延遲、低能耗以及抗震等優(yōu)良特性，得到了廣泛關(guān)注，也為存儲(chǔ)系統(tǒng)的研究提供了新思路與挑戰(zhàn)。針對(duì)應(yīng)用日益廣泛的視頻監(jiān)控、連續(xù)數(shù)據(jù)保護(hù)、備份、歸檔等這類連續(xù)存儲(chǔ)系統(tǒng)的特點(diǎn)，將新型存儲(chǔ)介質(zhì)作為緩存引入系統(tǒng)，可以極大地提高系統(tǒng)的性能, 具有非常好的研究?jī)r(jià)值。

RAID；NVM；SSD；緩存技術(shù)

引言

獨(dú)立磁盤(pán)冗余陣列(Redundant Array of Independent Disks, RAID)[1]技術(shù)是把相同的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在多個(gè)硬盤(pán)的不同地方的方法，自從1987年提出以來(lái)就受到了廣泛關(guān)注與研究。RAID技術(shù)是將多塊相同的磁盤(pán)通過(guò)RAID控制器連接起來(lái)形成一個(gè)統(tǒng)一的存儲(chǔ)設(shè)備來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。不僅擴(kuò)大了系統(tǒng)的存儲(chǔ)容量，而且大大提高了數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)速度。更為重要的是RAID技術(shù)還提供數(shù)據(jù)容錯(cuò)技術(shù)，保證了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全性。根據(jù)選擇的版本不同，RAID比單盤(pán)有以下一個(gè)或多個(gè)方面的益處：增強(qiáng)數(shù)據(jù)整合度，增強(qiáng)容錯(cuò)功能，增加吞吐量或容量。另外，磁盤(pán)組對(duì)于計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，看起來(lái)就像一個(gè)單獨(dú)的磁盤(pán)或邏輯存儲(chǔ)單元。目前其技術(shù)已經(jīng)很成熟并廣泛應(yīng)用于大規(guī)模的存儲(chǔ)系統(tǒng)中。

大規(guī)模存儲(chǔ)系統(tǒng)通常采用普通機(jī)械磁盤(pán)作為存儲(chǔ)介質(zhì)，其磁盤(pán)數(shù)據(jù)的存取與普通單個(gè)磁盤(pán)的存儲(chǔ)操作相同，仍然受到緩慢機(jī)械運(yùn)動(dòng)的限制。這就限制了由多個(gè)單盤(pán)組成的磁盤(pán)陣列性能的進(jìn)一步提高，使其存取時(shí)間仍停留在毫秒級(jí)，其吞吐率及帶寬已經(jīng)成為大規(guī)模存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能瓶頸。

近年來(lái)以新型非易失性存儲(chǔ)器(Non-Volatile Memory，NVM)[2]為代表的新型存儲(chǔ)介質(zhì)的飛速發(fā)展為突破存儲(chǔ)系統(tǒng)IO瓶頸提供了新的思路與挑戰(zhàn)。

1 新型非易失性存儲(chǔ)器

很多存儲(chǔ)系統(tǒng)的寫(xiě)操作程序中，內(nèi)存作為控制器和硬盤(pán)之間的重要橋梁，提供更快速的性能，但是如果發(fā)生突然間斷電的情況，如何保護(hù)內(nèi)存中的數(shù)據(jù)不丟失，這是存儲(chǔ)系統(tǒng)中老生常談的議題。近年半導(dǎo)體技術(shù)迅猛發(fā)展，相繼出現(xiàn)了閃存（Flash）、相變存儲(chǔ)器（PCM）、鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)器(FRAM)、磁阻隨機(jī)存儲(chǔ)器（MRAM）、憶阻器（RRAM）等新型非易失存儲(chǔ)介質(zhì)和技術(shù)。這些存儲(chǔ)介質(zhì)沒(méi)有機(jī)械裝置，在斷電后數(shù)據(jù)不丟失，具有非易失、低延遲、抗震動(dòng)、低能耗等特點(diǎn)，在很大程度上可以改善了單個(gè)硬盤(pán)的I/O性能。

從性能指標(biāo)上來(lái)看，NVM比較接近DDR內(nèi)存的性能，且具有非易失按字節(jié)存取、存儲(chǔ)密度高、低能耗等特征，在新的存儲(chǔ)系統(tǒng)中可能逐漸成為主要的存儲(chǔ)設(shè)備，而DDR內(nèi)存則作為臨時(shí)數(shù)據(jù)的緩存使用與傳統(tǒng)的單數(shù)據(jù)速率相比，DDR技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)進(jìn)行兩次讀/寫(xiě)操作，即在時(shí)鐘的上升沿和下降沿分別執(zhí)行一次讀/寫(xiě)操作。當(dāng)前閃存技術(shù)發(fā)展得最成熟，讀寫(xiě)性能上也達(dá)到了較高水平，既可以作為磁盤(pán)與系統(tǒng)內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)緩存，又可以替代硬盤(pán)作為持久性存儲(chǔ)設(shè)備。

固態(tài)盤(pán)(Solid State Disk，SSD)[3]就是一種基于閃存的新型可讀寫(xiě)和擦除的非易失性半導(dǎo)體存儲(chǔ)器,用固態(tài)電子存儲(chǔ)芯片陣列而制成的硬盤(pán)，由控制單元和存儲(chǔ)單元（FLASH芯片、DRAM芯片）組成。固態(tài)硬盤(pán)（SSD）是以Flash代替了傳統(tǒng)的硬盤(pán)盤(pán)做為存儲(chǔ)介質(zhì)，使用SATA 系列接口的新型存儲(chǔ)設(shè)備SSD的出現(xiàn)解決了計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)系統(tǒng)的瓶頸問(wèn)題，顯著提高了計(jì)算機(jī)性能，降低了功耗。

SSD采用電子存儲(chǔ)介質(zhì)進(jìn)行存儲(chǔ)，通過(guò)改變存儲(chǔ)芯片內(nèi)介質(zhì)的狀態(tài)來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，擺脫了磁盤(pán)機(jī)械特性的限制，免去了數(shù)據(jù)查找時(shí)間和尋道時(shí)間。隨機(jī)訪問(wèn)性能比傳統(tǒng)硬盤(pán)高一兩個(gè)數(shù)量級(jí)，能夠?qū)π×６?、隨機(jī)I/O訪問(wèn)提供較好的支持。

2 SSD在RAID中的應(yīng)用研究

SSD采用閃存作為存儲(chǔ)介質(zhì)，讀取速度相對(duì)機(jī)械硬盤(pán)更快。固態(tài)硬盤(pán)不用磁頭，尋道時(shí)間幾乎為0。持續(xù)寫(xiě)入的速度非常驚人。在存儲(chǔ)系統(tǒng)中應(yīng)用SSD存儲(chǔ)技術(shù)可以極大地提高系統(tǒng)的讀寫(xiě)能力，RAID系統(tǒng)中應(yīng)用SSD一般有兩種情況。一是直接用SSD替換磁盤(pán)用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，但SSD本身的容量和價(jià)格問(wèn)題致使不能大范圍使用。二是將SSD用作系統(tǒng)緩存，雖然發(fā)揮了其讀速度的優(yōu)勢(shì)，但頻繁的計(jì)算校驗(yàn)信息也嚴(yán)重制約了寫(xiě)速度的優(yōu)勢(shì)。

固態(tài)硬盤(pán)都使用相同的LPM（Link Power Management）節(jié)能特性。LPM節(jié)能特性包括三種基本狀態(tài)：Active（活動(dòng)）、Partial（輕度睡眠）和Slumber（深度睡眠）。LPM節(jié)能特性的實(shí)現(xiàn)有兩種發(fā)起方式。由主機(jī)端（電腦南橋）發(fā)起的被稱之為HIPM（Host-Initiated LPM）；而直接由硬盤(pán)發(fā)起的則叫做DIPM（Device-Initiated LPM）。LPM節(jié)能需要主機(jī)端電腦和設(shè)備端硬盤(pán)的共同支持，此外還需要操作系統(tǒng)及磁盤(pán)控制器驅(qū)動(dòng)的協(xié)同工作。LPM節(jié)能的運(yùn)作在外部是無(wú)法觀察到的。SSD不僅為存儲(chǔ)系統(tǒng)帶來(lái)了極大的性能提升，而且節(jié)能效果也特別顯著，與其相關(guān)的研究也很廣泛，例如基于SSD的緩存技術(shù)、磨損均衡、數(shù)據(jù)遷移以及垃圾回收機(jī)制等提出的優(yōu)化策略。隨著SSD應(yīng)用技術(shù)日趨成熟，與HDD組成的混合存儲(chǔ)方案因其充分考慮了存儲(chǔ)容量和性能，所以逐漸成為研究熱點(diǎn)。

將SSD作為緩存引入存儲(chǔ)系統(tǒng)。首先，SSD作為緩存可以擴(kuò)展主緩存容量。使容量可達(dá)到TB級(jí)，比現(xiàn)有存儲(chǔ)系統(tǒng)的可用緩存要大得多，因而能夠存儲(chǔ)更多的數(shù)據(jù)。其次，SSD的寫(xiě)入速度比機(jī)械磁盤(pán)快一個(gè)數(shù)量級(jí)，對(duì)于映射到SSD中數(shù)據(jù)的操作，將以更短的響應(yīng)時(shí)間和更高的IOPS進(jìn)行操作。最后，緩存可以減少磁盤(pán)的讀I/O并放緩寫(xiě)操作，因而磁盤(pán)可以有足夠的空閑時(shí)間來(lái)降低盤(pán)片旋轉(zhuǎn)速度甚至是完全停轉(zhuǎn)減少能耗。

連續(xù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)具有特定的數(shù)據(jù)訪問(wèn)模式和存儲(chǔ)特性。如I/O負(fù)載以順序訪問(wèn)為主，只有少量隨機(jī)訪問(wèn)；對(duì)數(shù)據(jù)的可靠性、存儲(chǔ)空間的要求較高；以寫(xiě)操作為主，讀操作通?；胤艑?xiě)操作等。

針對(duì)這類存儲(chǔ)系統(tǒng)，將SSD作為二級(jí)緩存引入系統(tǒng)中，二級(jí)緩存是指利用SSD的快速讀能力，將系統(tǒng)、游戲常用數(shù)據(jù)置于SSD內(nèi)，從而滿足客戶機(jī)的快速讀取需求。利用良好的寫(xiě)性能將數(shù)據(jù)寫(xiě)入SSD中，SSD中的數(shù)據(jù)也方便系統(tǒng)快速讀取，待達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定條件再將SSD中數(shù)據(jù)寫(xiě)回到逐一寫(xiě)入RAID的磁盤(pán)陣列中，在提高系統(tǒng)寫(xiě)性能同時(shí)也通過(guò)磁盤(pán)待機(jī)方式減少了系統(tǒng)能耗開(kāi)銷。同時(shí)也可以改善校驗(yàn)信息的計(jì)算方式來(lái)減輕頻繁小寫(xiě)給系統(tǒng)帶來(lái)的寫(xiě)懲罰，進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能。但在研究過(guò)程中也要充分考慮到NVM其壽命受到擦寫(xiě)次數(shù)以及失效率的限制。

3 總結(jié)

視頻監(jiān)控、連續(xù)數(shù)據(jù)保護(hù)、備份、歸檔等這類連續(xù)存儲(chǔ)系統(tǒng)應(yīng)用日益廣泛。針對(duì)連續(xù)存儲(chǔ)系統(tǒng)的特點(diǎn)，將NVM作為緩存引入系統(tǒng)可以極大地提高系統(tǒng)的性能，具有非常好的研究?jī)r(jià)值。

[1]Chen P M, Lee E K, Gibson G A, et al. RAID: high-performance, reliable secondary storage[J]. ACM Computing Surveys, 1994, 26（2）：145-185.

[2]張鴻斌，范建，舒繼武，等.基于相變存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)系統(tǒng)與技術(shù)綜述[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2014, 51（8）：1647-1662.

[3]詹玲，門(mén)勇，湯陳蕾，等. SHCA:基于RAID的兩級(jí)緩存算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，2017, 38（5）：1152-1157.

The Application and Research of New Storage Medium in RAID

Zhang Tianyu Li Juan Liu Jingyu

School of Computer Science and Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300401

With the rapid development of semiconductor technology, the Non-Volatile Memory that have the metrics of non-volatility, low latency, low power consumption and shock resistance, are attracting wide attention, and also provides a new way to the research of storage system and challenges. Based on the chara cteristics of continuous storage system such as video monitoring, continuous data protection, backup and archiving, and so on, using the Non-Volatile Memory as cache can greatly improve the performance of the system and has great research value.

RAID; NVM; SSD; cache technique

TP333.4

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