闪存存储系统的碎片管理优化研究

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大数据时代,闪存凭借优越的性能逐渐取代磁盘成为主流的存储设备。在闪存存储系统中,闪存文件系统的日志结构写方式和闪存转换层的地址映射功能,使数据块和空闲块离散地分布在文件系统和闪存中,带来了严重的碎片化问题。碎片的管理分为碎片避免和碎片整理,现有的碎片避免方案主要面向磁盘文件系统,不适合闪存文件系统;而碎片整理引入了大量的写开销,严重缩短了闪存的寿命。
  针对闪存文件系统的逻辑层碎片问题,提出了一种临时写数据分离技术。临时写文件是造成逻辑层碎片问题严重的重要原因,将临时写数据从其他写特性的数据中分离出来,用日志结构方式写入单独的逻辑日志段,减少临时写文件逻辑碎片的同时,也减轻了对其他文件的干扰,逻辑层碎片得到缓解。针对闪存转换层的物理层碎片问题,提出了一种地址分段映射技术。标记来自文件系统的块请求,为同属一个逻辑日志段的块请求构造一个请求队列,连续的逻辑块写入连续的物理页,逻辑地址空间与物理地址空间很大程度地对齐,物理层碎片得到缓解。
  在不同的碎片化程度下完成了测试,临时写数据分离技术最高可以提升29.0%的顺序读性能;地址分段映射技术最高可以提升45.7%的顺序读性能;两种技术结合最高可以获得58.4%的顺序读性能提升。结果显示,物理层碎片优化比逻辑层碎片优化收益更大;系统容量使用率越高,碎片问题越严重,优化效果越好。
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