基于语义的I/O分类缓存技术研究

摘要

近几十年来，计算机存储系统发生了巨大的变化，但I/O性能成为瓶颈的现实问题并未从根本上发生变化。为了弥合内存与外存之间I/O性能的巨大差距，提升系统的整体性能，最行之有效的方法就是在两者之间加入缓存，利用缓存提高I/O性能也通常是高端存储系统的重要设计。
　　虽然存储系统变得越来越复杂化和智能化，但基于块存储的接口仍然没有改变，如SCSI（Small Computer System Interface）接口。文件系统不能通过块接口获得底层块布局的详细信息，存储系统也仅能通过块接口观察读写块的原始数据流，而这些数据流并不包含有意义的语义信息。I/O请求在进入存储系统之前，语义信息在操作系统的块层即被剥离，所有I/O请求在逻辑块设备中是被一视同仁的，尽管之前包含不同的语义信息。
　　因此，为了更好的利用文件系统的语义信息，进一步提高缓存性能。本文提出一种基于语义对I/O进行分类的缓存设计：根据语义信息将文件系统向通用块层下发的I/O分为多种类别，分别构建元数据缓存与数据缓存。由于每类语义信息所代表的数据块访问模式差别巨大，区分不同语义信息的I/O可利用语义信息有差别的采用不同的缓存性能策略，更具体而高效的优化存储系统的读写性能。
　　本文缓存的实现是在SCSI目标端中间层SCST（SCSI Target mid-level），先完成文件系统层对I/O的语义信息的提取与分类，以及到块层、SCSI层I/O语义类别信息的传递，再在缓存中利用语义信息提高性能。采用多种测试工具测试缓存，发现优化后的缓存的I/O性能显著提升。

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1 绪论

1.1 课题背景

1.2 盘阵列缓存技术的研究概况

1.3 本文内容和组织

2 盘阵列缓存的体系结构

2.1 盘阵列控制器的硬件体系结构

2.2 盘阵列控制器的软件体系结构

2.3 本章小结

3 I/O分类缓存的设计

3.1 语义信息提取与传递

3.2 缓存块的检索

3.3 缓存块的分配

3.4 元数据缓存的设计

3.5 数据缓存的设计

3.6 本章小结

4 I/O分类缓存的实现

4.1 I/O分类与传递

4.2 分类缓存的功能模块

4.3 关键数据结构

4.4 缓存初始化

4.5 读操作流程

4.6 写操作流程

4.7 回写操作流程

4.8 预取操作流程

4.9 本章小结

5 性能测试与分析

5.1 测试环境

5.2 测试方案

5.3 测试结果

5.4 本章小结

6 全文总结

致谢

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间参加的主要科研项目