【摘 要】
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随着NAND闪存的持续性发展,得益于其高性能和大容量的表现,基于NAND闪存的固态硬盘(Solid State Drives,SSDs)已经成为了主流的存储介质。随着制造工艺的发展和削减成本的需求,高密度和低成本的闪存介质占据了主流市场,它们可以在单个闪存存储单元中存储多个比特信息。但是该类高密度的闪存颗粒,存在I/O性能较差、擦写寿命更短等问题。为了调和容量与性能的矛盾,混合式SSD被发明出来。
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随着NAND闪存的持续性发展,得益于其高性能和大容量的表现,基于NAND闪存的固态硬盘(Solid State Drives,SSDs)已经成为了主流的存储介质。随着制造工艺的发展和削减成本的需求,高密度和低成本的闪存介质占据了主流市场,它们可以在单个闪存存储单元中存储多个比特信息。但是该类高密度的闪存颗粒,存在I/O性能较差、擦写寿命更短等问题。为了调和容量与性能的矛盾,混合式SSD被发明出来。它的内部既使用高速闪存介质(如Single Level Cell,SLC)来满足性能要求,又使用高密度介质(如Quad Level Cell,QLC)来满足容量要求。动态混合式SSD则通过选择性控制一部分闪存区域的工作模式,获得了性能和容量的综合优势。由于动态混合式SSD的大容量特性,配备有这类存储的端侧设备,可以很轻易获得大量的空间用于缓存网络数据,以提高网络数据的访问性能。但是在使用动态混合式SSD的场景中,由于其内部存储介质单元具有动态转换的特性,其I/O性能随着容量的增加会呈现出下滑的趋势,所以如何有效管理好动态混合式SSD上的文件缓存是尚未被仔细研究的问题。本文针对端侧设备使用动态混合式SSD的部分空间作为文件缓存的场景进行研究,研究了真实的动态混合式SSD设备,并且基于测试结果,设计了基于动态混合式SSD的文件缓存管理策略。本文的主要贡献如下:1.基于真实的动态混合式SSD的性能测试与分析。本文选择了市面上典型的动态混合式SSD的消费级产品,做了大量的I/O测试和分析,得出了通用的特性曲线;2.设计了基于特性曲线的文件缓存空间管理技术。通过在动态混合式SSD的不同存储使用阶段,动态调整最大可用缓存空间,改善了存储设备的平均I/O性能;3.设计了基于特性曲线的缓存文件筛选技术。使用可以动态调整的按类型剔除方案和随着使用空间增加而逐渐严格的缓存文件筛选技术,限制了低价值文件进入闪存缓存的机会,减少了I/O写入量和I/O竞争。本文设计实现了基于动态混合式SSD的动态缓存文件管理策略,取名为DF-Cache(Dynamic File Cache),详细介绍了其中使用的两个技术,缓存空间管理技术和缓存文件筛选技术。并且,在真实的动态混合式SSD设备上进行了实验,来验证所提出方案的有效性。实验表明,DFCache通过控制缓存空间的大小和缓存文件的筛选机制,有效提高了动态混合式SSD存储设备用作缓存时的本地I/O性能,在某些I/O性能指标上可以达到3.7倍的提升。
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