范里，李小勇

自動(dòng)分層存儲(chǔ)的發(fā)展與展望

范里，李小勇

從NVRAM技術(shù)、SSD技術(shù)、分層架構(gòu)、分層技術(shù)等方面綜合分析了自動(dòng)分層存儲(chǔ)的發(fā)展趨勢(shì)，并對(duì)新一代分層存儲(chǔ)－自動(dòng)分層存儲(chǔ)的相關(guān)理論和關(guān)鍵技術(shù)做了分析，自動(dòng)分層存儲(chǔ)系統(tǒng)應(yīng)綜合利用NVRAM、SSD和磁盤的特性進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)。

海量存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)、分層存儲(chǔ)

0 引言

存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能提升一直是學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界研究的熱點(diǎn)，這一研究在目前具有更加緊迫的需要：一方面，存儲(chǔ)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間的性能差距呈不斷擴(kuò)大之勢(shì)；另一方面，人類進(jìn)入數(shù)字信息量呈爆炸性增長(zhǎng)的時(shí)代，迫切需要低成本的大容量存儲(chǔ)系統(tǒng)，也需要存儲(chǔ)系統(tǒng)具有與數(shù)據(jù)規(guī)模相匹配的高性能訪問能力。

基于RAM的Cache技術(shù)一直是緩解磁盤性能瓶頸，提高存儲(chǔ)系統(tǒng)性能的重要手段[1]。其基本思想是將經(jīng)常訪問的數(shù)據(jù)保存在RAM中，盡量避免訪問磁盤，從而實(shí)現(xiàn)以RAM的性能訪問數(shù)據(jù)，這一技術(shù)在2000年后還獲得大的發(fā)展[2]。該方法也是RAM和HDD（Hard Disk Drive）實(shí)現(xiàn)混合存儲(chǔ)的一種方式。但基于RAM和HDD的混合存儲(chǔ)面臨兩個(gè)主要問題：數(shù)據(jù)可靠性問題，由于RAM是易失性存儲(chǔ)，掉電后數(shù)據(jù)將會(huì)丟失，這也是長(zhǎng)期困擾存儲(chǔ)系統(tǒng)可靠性的挑戰(zhàn)問題；Cache有效性問題，目前計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中HDD容量和RAM的容量比例呈不斷擴(kuò)大之勢(shì)，使得基于RAM的Cache命中率呈不斷下降之勢(shì)，其提高性能的效果不斷減弱。

近年來，SSD（Solid State Disk，也稱為固態(tài)盤）的快速發(fā)展為提升存儲(chǔ)系統(tǒng)性能提供了新的重大機(jī)遇。SSD以Flash為存儲(chǔ)介質(zhì)，具有隨機(jī)讀取速度快，功耗低，抗震性好等優(yōu)點(diǎn)；但目前SSD還存在價(jià)格偏高，容量較小，并且存在寫前擦除，耐久性等限制[3]。SSD和HDD良好的互補(bǔ)性為設(shè)計(jì)大容量、高性能、低成本的存儲(chǔ)系統(tǒng)提供了嶄新的機(jī)遇，該方向已成為目前學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的研究熱點(diǎn)。存儲(chǔ)領(lǐng)域的頂級(jí)會(huì)議FAST在2011、2012年都有針對(duì)SSD的專題。從總體來看，目前該領(lǐng)域的研究還處于起步階段，很多研究工作主要關(guān)注于認(rèn)識(shí)、研究SSD的特性及內(nèi)部結(jié)構(gòu)；可公開檢索到的關(guān)于SSD和HDD混合存儲(chǔ)的少量文獻(xiàn)[4][5]，也僅僅提供了思路，缺少對(duì)關(guān)鍵技術(shù)的描述和測(cè)試論證，無法用于指導(dǎo)存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。根據(jù)國際存儲(chǔ)系統(tǒng)評(píng)測(cè)聯(lián)盟SPC公布的資料，目前國際一流存儲(chǔ)廠商的存儲(chǔ)產(chǎn)品已開始使用SSD和HDD的混合存儲(chǔ)[6][7][8]；但由于缺乏公開文獻(xiàn)，其內(nèi)部實(shí)現(xiàn)機(jī)制、性能提升效果無從得知。

1 分層存儲(chǔ)發(fā)展趨勢(shì)

分層存儲(chǔ)并不是一個(gè)新概念。在過去的十幾年里，以UC Berkeley、CMU為代表的學(xué)術(shù)界，以及以NetApp、EMC、IBM為代表的企業(yè)界，都對(duì)利用各類新型的存儲(chǔ)器件來改善系統(tǒng)性能、容量和可靠性一直進(jìn)行著不斷地研究和探索，涌現(xiàn)出了眾多優(yōu)秀的研究成果。近年來我國也有高校和研究機(jī)構(gòu)開展了混合存儲(chǔ)技術(shù)的研究，建立了較好的工作基礎(chǔ)，取得了較好的研究進(jìn)展。

1.1 NVRAM技術(shù)

從存儲(chǔ)系統(tǒng)的國際發(fā)展動(dòng)態(tài)過程來看，在20世紀(jì)90年代初，研究人員就已提出了利用NVRAM（Non-Volatile RAM）來提高存儲(chǔ)系統(tǒng)可靠性和性能的方法[9]。NVRAM是增加了備用電池、或以大容量電容作為后備的小容量RAM，具有和RAM同樣高的隨機(jī)讀寫性能，但容量通常很小?；贜VRAM的特性，其主要被用于臨時(shí)存儲(chǔ)文件系統(tǒng)的日志數(shù)據(jù)。這些日志數(shù)據(jù)首先寫入到NVRAM，當(dāng)數(shù)據(jù)積累到一定量之后，再將其寫入到磁盤。期間如果發(fā)生斷電或宕機(jī)，系統(tǒng)重啟后仍然可以從NVRAM中讀出相關(guān)數(shù)據(jù)，將存儲(chǔ)系統(tǒng)恢復(fù)到一致的狀態(tài)。NVRAM的使用可以顯著提高存儲(chǔ)系統(tǒng)的可靠性，但由于其容量很小，對(duì)于需要大數(shù)據(jù)量寫入的應(yīng)用所帶來的性能改進(jìn)有限。在最近的幾年中，下一代NVRAM如相變RAM（phase-change RAM，PCRAM或PCM），鐵電體RAM（ferroelectric RAM，F(xiàn)eRAM），以及磁RAM（magnetic RAM，MRAM）等發(fā)展很快，這些NVRAM既不需要備用電源，也不需要像SSD那樣執(zhí)行寫前擦除，具有很大發(fā)展?jié)摿?。隨著新一代NVRAM技術(shù)的不斷成熟，未來有望在混合存儲(chǔ)系統(tǒng)中扮演重要的角色[10][11]。

1.2 SSD技術(shù)

SSD的發(fā)展是近年來存儲(chǔ)技術(shù)最重要的成果之一。SSD基于Flash介質(zhì)來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，具有訪問延遲低、體積小、質(zhì)量輕、無噪聲、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。近年來，隨著制作工藝的進(jìn)步，SSD的容量以每年翻一倍的速度遞增，其價(jià)格也以每年40%~50%的速度遞減，已開始進(jìn)入大規(guī)模存儲(chǔ)領(lǐng)域，成為存儲(chǔ)系統(tǒng)突破性能瓶頸的根本手段。

在SSD屬性認(rèn)知和SSD內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，Agrawal等對(duì)SSD的內(nèi)部架構(gòu)、交叉存取、映射機(jī)制、空間回收、并行性等相關(guān)內(nèi)容與機(jī)制進(jìn)行了較為全面的介紹，指出了SSD設(shè)計(jì)過程中所面臨的一些利弊權(quán)衡，并設(shè)計(jì)了一個(gè)理想化的SSD模擬器[12]。文獻(xiàn)[13]較為詳細(xì)地介紹了針對(duì)SSD的讀、寫、擦除等基本操作的流程，并在此基礎(chǔ)上提出了基于交叉存取實(shí)現(xiàn)SSD高性能訪問的方法。由于SSD的寫入次數(shù)受限，成為影響其使用壽命，進(jìn)而影響存儲(chǔ)系統(tǒng)可靠性的最主要因素，因此很多研究關(guān)注于如何實(shí)現(xiàn)“損耗平衡”，即將寫操作均衡地分配到每個(gè)存儲(chǔ)塊上，以避免個(gè)別塊由于寫入過于頻繁而損壞。Wu等人提出基于統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)的方法，即統(tǒng)計(jì)每個(gè)塊的寫入次數(shù)，如果該次數(shù)超過了SSD所有塊的平均寫入次數(shù)，則將該塊重定向到其它寫入次數(shù)較少的塊[14]；Chang等人提出了一種稱作“雙池算法”的損耗均衡策略，其思想是讓損耗過高的塊存放冷數(shù)據(jù)，以避免其損壞，但在損耗均衡發(fā)揮作用之前對(duì)存儲(chǔ)塊不做其它操作，這種算法的好處在于它不需要進(jìn)行復(fù)雜的調(diào)整，而且可以降低由于數(shù)據(jù)遷移而導(dǎo)致的額外負(fù)載[15]。

1.3 分層架構(gòu)

目前SSD與HDD實(shí)現(xiàn)混合存儲(chǔ)系統(tǒng)的架構(gòu)主要有兩種方式：一種是將SSD作為HDD的緩存，以分層的方式搭建系統(tǒng)（緩存分層架構(gòu)）；另一種是將SSD和HDD設(shè)備放在同一層，作為存儲(chǔ)系統(tǒng)的兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的存儲(chǔ)設(shè)備來搭建系統(tǒng)（設(shè)備同層結(jié)構(gòu)）。

緩存分層結(jié)構(gòu)是將SSD完全作為HDD的Cache，SSD中的數(shù)據(jù)是HDD中數(shù)據(jù)的子集。因?yàn)镾SD較RAM可以緩存更多的內(nèi)容，所以存儲(chǔ)系統(tǒng)的讀性能得到提高；而且SSD的隨機(jī)寫入性能也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于HDD，所以可以用它來作為寫緩存，然后將寫入數(shù)據(jù)批量寫入到HDD中，進(jìn)而提高寫性能。2008年，Taeho Kgil在FlashCache的研究基礎(chǔ)上提出了如何在服務(wù)器平臺(tái)中把Flash用作磁盤緩存[16]。2010年，Yang Liu提出了RAF（Random Access First）混合存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)[17]。在讀寫分離的基礎(chǔ)上提出優(yōu)先緩存隨機(jī)訪問數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)了在提高系統(tǒng)性能的同時(shí)延長(zhǎng)SSD的使用壽命。也有人提出基于MLC/SLC兩種介質(zhì)的緩存結(jié)構(gòu)[18]。在網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)環(huán)境中采用SSD作為本地緩存[19]。

設(shè)備同層結(jié)構(gòu)是將SSD與HDD設(shè)備放在同一層，數(shù)據(jù)在SSD和HDD其中之一存儲(chǔ)，根據(jù)訪問頻率在兩種設(shè)備之間遷移。這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)是存儲(chǔ)設(shè)備的存儲(chǔ)容量得到充分利用，系統(tǒng)容量為SSD和HDD容量之和；同時(shí)將經(jīng)常使用或最近訪問的數(shù)據(jù)存放（或遷移）到SSD上，提高系統(tǒng)性能[20]。例如，UmbrellaFS將多種設(shè)備集合在統(tǒng)一命名空間下，實(shí)現(xiàn)了異種設(shè)備的混合存儲(chǔ)[21]；有研究提出根據(jù)最優(yōu)化方法分配和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)塊，從而使應(yīng)用端可以并發(fā)地從所有的設(shè)備存取數(shù)據(jù)，以提高吞吐量，降低延遲[22]；還有研究提出根據(jù)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，來設(shè)計(jì)和優(yōu)化數(shù)據(jù)在SSD和HDD之間的自動(dòng)遷移策略和算法[23]。

1.4 分層技術(shù)

在混合存儲(chǔ)系統(tǒng)中，理想狀態(tài)是將需要頻繁訪問的數(shù)據(jù)保持在速度較快的SSD設(shè)備上。但由于數(shù)據(jù)的訪問頻度會(huì)隨著時(shí)間而發(fā)生變化，而且SSD的容量也要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于HDD，因此必須要解決數(shù)據(jù)的分配、緩存和遷移問題。其中數(shù)據(jù)分配主要解決的是將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到哪種設(shè)備上；數(shù)據(jù)緩存主要用來決定將哪些數(shù)據(jù)緩存在高性能存儲(chǔ)介質(zhì)上；而數(shù)據(jù)遷移是交換不同存儲(chǔ)介質(zhì)間的部分?jǐn)?shù)據(jù)，以便更加有效地處理訪問請(qǐng)求。這3種技術(shù)相互關(guān)聯(lián)，以提高混合存儲(chǔ)系統(tǒng)的整體性能，延長(zhǎng)SSD使用壽命等為目標(biāo)。

I/O特征流的識(shí)別也是混合存儲(chǔ)中的關(guān)鍵技術(shù)之一，識(shí)別的準(zhǔn)確性和效率也會(huì)直接影響到分配、緩存和遷移的效果。在該方向的研究中，HRO（Hot Random Off-loading）通過歷史IO活動(dòng)，包括隨機(jī)性和熱點(diǎn)程度來進(jìn)行區(qū)分[24]；EDT（Extent Based Dynamic Tiering）不僅僅通過IO計(jì)數(shù)，并且將LBA在之前LBA的512KB之內(nèi)的IO請(qǐng)求被認(rèn)為是連續(xù)的訪問請(qǐng)求，在512KB之外的被認(rèn)為是隨機(jī)訪問請(qǐng)求，減少了識(shí)別I/O特征所需要的空間開銷[4]。

不同數(shù)據(jù)處理的粒度對(duì)于混合存儲(chǔ)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)分配、緩存和遷移的效果有直接影響，進(jìn)而影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。目前研究人員提出的各種SSD和HDD混合存儲(chǔ)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的粒度是不同的，有的是以文件為粒度進(jìn)行數(shù)據(jù)的分配、緩存和遷移[24]；有的粒度是卷級(jí)[25]；還有的粒度是extend級(jí)，即一個(gè)可以指定的大小，如卷的一部分，采用這種粒度的系統(tǒng)有EDT[24]，HybridStore[25]。

分配、緩存和遷移過程可以依據(jù)事先確定的規(guī)則和策略執(zhí)行，也可以根據(jù)負(fù)載情況動(dòng)態(tài)地進(jìn)行。有些研究以性能為目標(biāo)，其算法的選擇更傾向于負(fù)載均衡以及多設(shè)備的并發(fā)以提高吞吐量，降低延遲[22]；有些系統(tǒng)除了性能外還關(guān)注能耗，如EDT在滿足性能要求的同時(shí)，還可以使動(dòng)態(tài)能耗達(dá)到最小化[4]。

實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的存儲(chǔ)介質(zhì)用量組合，在盡可能減小成本的同時(shí)達(dá)到系統(tǒng)的性能需求，也是混合存儲(chǔ)設(shè)計(jì)中需要考慮的問題。典型的研究如Florida International與IBM research合作的EDT系統(tǒng)，可以根據(jù)系統(tǒng)的負(fù)載特性和要求達(dá)到的性能指標(biāo)，推薦最小的成本的存儲(chǔ)設(shè)備組合[4]。HybridStore是另一個(gè)考慮最優(yōu)化配置組合的系統(tǒng)，提出了一種容量計(jì)劃方法，使管理員在預(yù)算內(nèi)得到大致的性能指標(biāo)[5]。

2 分層存儲(chǔ)技術(shù)展望

混合存儲(chǔ)是指利用不同特性的非易失性存儲(chǔ)器件而組成的高效存儲(chǔ)系統(tǒng)。其目標(biāo)是充分利用不同存儲(chǔ)介質(zhì)的特性，既能支持存儲(chǔ)系統(tǒng)的容量可大幅擴(kuò)展，又要在保持系統(tǒng)低成本的前提下，大幅提高存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能。

目前混合存儲(chǔ)系統(tǒng)的研究已經(jīng)得到了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛重視，相關(guān)研究在各個(gè)方面已經(jīng)有了較好的進(jìn)展。但另一方面，一些關(guān)鍵問題還未獲得突破，主要表現(xiàn)在：

1）在基于SSD和HDD的混合存儲(chǔ)系統(tǒng)中，寫入性能仍然較低，而且頻繁的寫入會(huì)影響到SSD的壽命并進(jìn)而影響到存儲(chǔ)系統(tǒng)的可靠性；

2）基于NVRAM和HDD的混合存儲(chǔ)系統(tǒng)解決了系統(tǒng)的可靠性問題，但讀性能問題仍然未獲得解決；

3）混合存儲(chǔ)系統(tǒng)中需要解決的關(guān)鍵問題如高效的熱點(diǎn)數(shù)據(jù)及訪問模式識(shí)別、數(shù)據(jù)放置策略及遷移算法等關(guān)鍵技術(shù)問題目前還未有成熟、通用的方案。

NVRAM 在處理寫請(qǐng)求時(shí)具備良好的性能，可以用來為寫請(qǐng)求加速，但其價(jià)格較高，容量較小，不足以為讀請(qǐng)求加速；SSD 具備良好的隨機(jī)性，尤其是隨機(jī)讀性能，可以用來為隨機(jī)讀請(qǐng)求加速，但由于自身固有屬性的問題，不適合用來處理頻繁的寫入操作和大數(shù)據(jù)順序訪問操作；HDD的容量最大，每 GB 成本最低，但隨機(jī)讀寫性能較低，不適合處理隨機(jī)請(qǐng)求，但對(duì)順序請(qǐng)求有很好支持，可以用來處理大數(shù)據(jù)的順序訪問。

綜合采用NVRAM、SSD和HDD并進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)的混合存儲(chǔ)系統(tǒng)，通過引入NVRAM，利用其高性能隨機(jī)寫入能力來減少寫SSD的操作，從而解決當(dāng)前混合存儲(chǔ)系統(tǒng)所面臨的可靠性和寫入性能低下問題。

3 總結(jié)

通過利用NVRAM優(yōu)異的隨機(jī)寫性能、SSD良好的隨機(jī)讀性能，以及HDD的大容量低成本優(yōu)勢(shì)，以解決現(xiàn)有混合存儲(chǔ)系統(tǒng)所存在的可靠性和性能等方面的問題，為設(shè)計(jì)高性能、高可靠、低成本的混合存儲(chǔ)系統(tǒng)提供了新的思路和方法：

1）基于NVRAM、SSD、HDD一體化設(shè)計(jì)混合存儲(chǔ)系統(tǒng)，該方法能夠突破已有混合存儲(chǔ)系統(tǒng)在可靠性和性能方面的瓶頸，為高性能混合存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)探索出一種新的架構(gòu)。

2）根據(jù)NVRAM、SSD、HDD的存儲(chǔ)特性和數(shù)據(jù)I/O特征，研究設(shè)計(jì)新的混合存儲(chǔ)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)的分配、緩存和遷移算法，以盡可能地發(fā)揮不同存儲(chǔ)介質(zhì)的不同優(yōu)勢(shì)，避開它們的不足，實(shí)現(xiàn)混合存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能、價(jià)格、容量、可靠性等多指標(biāo)的平衡。

3）為云存儲(chǔ)系統(tǒng)的自動(dòng)分層存儲(chǔ)管理研究做鋪墊。

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The Development and Prospect of Automated Tiered Storage

Fan Li1, Li Xiaoyong2
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This paper discusses development trend of automated tiered storage from view of NVRAM, SSD, tiered structure and tiered technology; then it points out that future automated tiered storage should be integration system designed with NVRAM,SSD and hard disk.

Mass Storage; Network Storage; Tiered Storage

TP393

A

1007-757X(2014)07-0040-03

2014.05.20）

范 里（1980-），男，上海圣橋信息科技有限公司，同濟(jì)大學(xué)博士研究生，研究方向：海量存儲(chǔ)與網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)，上海 200233李小勇（1972-），男，上海交通大學(xué)，副教授，研究方向：海量存儲(chǔ)與存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，上海 200240