面向性能优化的固态盘数据管理和缓存算法研究

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相比于传统磁盘，基于闪存的固态盘（solid state drive,SSD）具有高性能、低功耗和高可靠性等优点，且存储密度呈现出高速增长的趋势，因此在各种存储系统中得到了广泛应用。但是，闪存具有先擦后写和擦写次数有限等独特的操作特性，需要固态盘实现相应的软件算法对这些特性进行隐藏和利用。闪存转换层（flash translation layer,FTL）和缓存算法是软件算法中的关键层次，如何对它们进行设计以提高固态盘的性能和寿命，成为了研究的热点。作为闪存转换层的核心，地址映射算法负责主机逻辑地址到闪存物理地址的转换，实现了数据在闪存上的基本管理。传统的页映射算法由于性能好而得到了广泛应用，但是面临着地址转换开销大的问题。针对这个问题，基于映射页特点优化映射缓存（用于缓存部分页映射表）的页映射算法TPFTL被提出。通过分析页映射的地址转换开销，发现降低这种开销的关键在于提高映射缓存的命中率和降低其替换脏条目的概率。TPFTL采用两级的映射缓存结构，并使用一种负载自适应的载入策略去提高缓存命中率，同时使用一种基于批量更新的替换策略去降低替换脏条目的概率。实验结果显示，TPFTL比传统的页映射FTL算法平均减少了62%的映射页写，最多减少了24%的请求响应时间。闪存页的大小不断增加，传统的地址映射算法由于映射粒度过大而面临着写效率低下的问题。针对这个问题，一个新的映射层次——迷你页被提出，以提供更细粒度的写入方式。为了在提高写效率的同时，减小迷你页映射带来的开销，基于迷你页映射和页映射的混合映射算法PM-FTL被提出。PM-FTL负载自适应地利用迷你页映射管理随机访问的数据，利用页映射管理顺序访问的数据。实验结果显示，PM-FTL比传统的FTL算法平均减少了33.4%的写放大和19.1%的请求响应时间。固态盘采用过长纠错码（即一个逻辑数据页的纠错码冗余大小超出了闪存页额外存储区的大小）能够提高可靠性和寿命，但面临着读性能大幅下降的问题，因为读取一个逻辑数据页需要读两个闪存页。通过分析发现，相比于缓存数据，缓存纠错码虽然导致更高的命中开销，但是能够获得更高的命中率，从而减少闪存读开销。为了提高固态盘的性能，一种高效的过长纠错码缓存算法SCORE被提出。它将逻辑上连续数据页的过长纠错码冗余聚集成纠错码页，并负载自适应性地缓存数据页和纠错码页。实验结果显示，SCORE相比于现有的方法能够在不牺牲数据缓存命中率的情况下，获得较高的纠错码缓存命中率，从而将请求响应时间平均降低了34%。

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作者
周游;
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作者单位

华中科技大学;

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授予单位华中科技大学;
学科计算机系统结构
授予学位博士
导师姓名谢长生;
年度 2017
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类计算技术、计算机技术;自动化技术及设备;
关键词
性能优化; 固态盘; 数据管理; 缓存;

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