文件系统中元数据更新关键技术的研究

摘要

文件系统是存储系统的重要组成部分之一，随着用户对数据存储可靠性要求的不断提高，文件系统可靠性的研究也越来越受到重视。元数据更新是文件系统设计的核心问题之一。元数据更新机制决定了文件系统在崩溃的情况下能否恢复到一致的状态。现有的元数据更新技术主要有日志、日志结构化及软更新。这些元数据更新技术在提高文件系统可靠性的同时，也导致了文件系统I/O性能的损失。本文主要针对基于磁盘的日志文件系统和采用日志结构化设计的Flash文件系统，主要贡献是分析现有元数据更新机制中存在的I/O性能瓶颈并提出了改进方案，然后通过实验量化验证了分析的正确性和改进方案对I/O性能的提升，所做的主要工作包括： 1、以ext3为例详细介绍和分析了日志文件系统的设计和实现，针对ext3日志功能设计和实现中的不足，提出了相应的改进方案以消除性能瓶颈，并通过实验数据验证了分析的正确性和改进的有效性； 2、针对Flash文件系统中元数据更新引起的损耗均衡问题，以JFFS2文件系统为例详细介绍和分析了日志结构化的设计思想及其在Flash文件系统中的应用，以UBIFS文件系统为例介绍和分析了损耗均衡算法的设计与实现； 3、通过实验数据验证了关于损耗均衡对系统I/O性能的影响的分析，提出了一种综合考虑Flash可用空间以及系统I/O负载的自适应损耗均衡算法，并通过实验数据验证了分析的正确性和算法改进的有效性。

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论文说明：图表目录

声明

第1章绪论

1.1引言

1.2文件系统与元数据更新

1.2.1本地文件系统中的元数据更新

1.2.2 Flash文件系统中的元数据更新

1.2.3分布式文件系统中的元数据更新

1.3相关研究

1.3.1快速文件系统

1.3.2日志文件系统

1.3.3日志结构化文件系统

1.3.4软更新

1.4论文组织与主要工作

第2章基于磁盘的日志文件系统中的元数据更新

2.1日志文件系统

2.1.1日志文件系统的基本设计思想

2.1.2日志文件系统的实现

2.2 ext3日志文件系统的磁盘布局与元数据

2.2.1磁盘布局

2.2.2元数据

2.3 ext3文件系统的日志功能

2.4日志块设备层

2.4.1日志记录

2.4.2原子操作描述符

2.4.3事务

2.5 ext3现有日志功能的不足

2.6本章小结

第3章对ext3日志文件系统的改进与实现

3.1对ext3磁盘块分配算法的改进与实现

3.1.1问题分析

3.1.2改进方案与实现

3.1.3实验与分析

3.2对ext3日志提交周期的改进与实现

3.2.1问题分析

3.2.2改进方案与实现

3.2.3实验与分析

3.3对ext3日志模式的改进与实现

3.3.1问题分析

3.3.2日志大小与日志模式

3.3.3改进方案与实现

3.3.4实验与分析

3.4对日志事务粒度的改进与实现

3.4.1问题分析

3.4.2改进方案与实现

3.4.3实验与分析

3.5本章小结

第4章Flash文件系统中的元数据更新

4.1 Flash文件系统

4.1.1 Flash存储介质的特性

4.1.2 Flash文件系统设计的难点

4.1.3基于Flash转换层的Flash文件系统

4.2日志结构化文件系统

4.2.1日志结构化文件系统的设计思想

4.2.2日志结构化文件系统的实现

4.2.3日志结构化文件系统的优点和不足

4.3日志结构化在F1ash文件系统中的应用

4.3.1日志结构化的Flash文件系统

4.3.2损耗均衡与垃圾回收

4.3.3数据属性对损耗均衡和垃圾回收的影响

4.4本章小结

第5章对Flash文件系统损耗均衡算法的改进与实现

5.1 UBIFS文件系统中的损耗均衡算法

5.1.1头部数据

5.1.2损耗均衡单元对物理擦除块的组织

5.1.3保护机制和灵活的触发条件

5.1.4UBI中损耗均衡的实现

5.2损耗均衡对系统I/O性能的影响

5.2.1实验环境

5.2.2实验结果与分析

5.3自适应的损耗均衡算法

5.3.1算法设计

5.3.2算法实现

5.3.3实验与分析

5.4本章小结

第6章总结与展望

6.1总结

6.2进一步工作

6.2.1日志结构化的元数据

6.2.2固态硬盘与元数据更新

参考文献

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果

致谢