磁盘阵列中固态盘缓存算法的研究与实现

摘要

随着互联网的发展进步，数据开始呈爆炸性增长，企业对数据存储的要求越来越高。与此同时，中央处理器和磁盘的性能差距越拉越大，磁盘成为了系统的性能瓶颈。这对传统的磁盘阵列系统来说是个很大的挑战。
　　固态盘作为新兴的一种存储介质，它的性能和价格都介于中央处理器和磁盘之间。固态盘的出现是磁盘阵列系统的机遇，将固态盘纳入阵列存储系统可以缩小中央处理器和磁盘之间的性能鸿沟，这是当前存储领域的一个热点研究方向。但是，在利用固态盘之前，首先需要解决固态盘的读写性能不对称和写寿命的问题。
　　结合固态盘自身的特点，在研究了现有相关缓存算法的基础上，提出了一种新的固态盘二级缓存算法，将固态盘作为系统的热点数据缓存区，目的是提高缓存系统的命中率，减少对阵列的读写次数来提高阵列存储系统的性能。将随机存取存储器的缓存空间划分为最近最少使用缓存区和写缓冲区，其中最近最少使用缓存区的数据是利用一个基于最近最少使用算法改进的算法进行管理，在淘汰时会优先释放干净数据块来降低系统响应时间，在写缓冲区中缓存写频繁的数据块，聚合写操作，可以减少对固态盘的写次数从而延长固态盘寿命。从随机存取存储器中淘汰的块经过热点筛选，被识别为热点的数据块被保存到固态盘中，固态盘中的数据块被划分活跃级别，淘汰时优先从活跃级别低的开始，增加实时老化机制淘汰误选冷数据或者变冷的数据，解决了缓存污染问题，提高了固态盘空间的利用率。
　　在真实的系统上实现了上述缓存算法，并用数据库测试工具进行测试，测试结果表明，设计的缓存算法在提高性能和减少固态盘写次数方面存在优势。和不使用固态盘的情况相比，系统加速比最高可以达到5倍，增加写缓冲最高可以减少超过40％的固态盘写请求，因此设计的缓存算法达到了延长固态盘寿命和提高系统性能的设计目标。

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1 绪论

1.1课题背景

1.2固态盘的发展现状

1.3 RAID中的基本概念

1.4 SSD的相关概念

1.5研究的内容和主要目的

1.6课题来源

2 缓存相关算法

2.1 LRU-K缓存替换算法

2.2 2Q缓存替换算法

2.3本章小结

3 算法设计

3.1需求分析

3.2模块设计

3.3 RAM缓存空间管理

3.4热点数据识别算法

3.5热点数据管理算法

3.6本章小结

4 算法实现

4.1系统结构

4.2缓存空间管理

4.3读写流程和状态转换

4.4 LRU数据缓存区管理

4.5写缓冲区管理

4.6热点数据区管理

4.7本章小结

5 系统测试

5.1测试环境

5.2性能测试

5.3命中率测试

5.4写缓冲测试

5.5本章小结

6 总结和展望

6.1总结

6.2展望

致谢

参考文献