CN102999428A - 一种瓦记录磁盘的四级编址方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种瓦记录磁盘的四级编址方法，包括以下步骤：将瓦记录磁盘的逻辑空间划分为“区-段-块-扇区”的四级结构，采用径向编址的方式对划分后的四级结构进行编址，采用对称堆叠式的磁道布局对编址后的四级结构的区间间隔进行优化，对编址后的四级结构的瓦记录磁盘进行读写操作。本发明针对瓦记录磁盘随机写限制，对瓦记录磁盘的数据结构和磁道布局进行优化，并且结合闪存和内存的读写速度快优势，组成三级架构的瓦记录磁盘系统，来解决传统瓦记录磁盘的随机写性能差的问题，使其在倍增磁盘可用容量的同时，避免性能的下降，并提高读写速度。

Description

一种瓦记录磁盘的四级编址方法

技术领域

本发明属于数据存储技术领域，更具体地，涉及一种瓦记录磁盘的四级编址方法。 

背景技术

互联网的蓬勃发展、社会的数字化变革，导致了数字化的数据呈爆炸式增长。根据市场分析公司IDC和存储设备公司EMC的统计，2006年全球数据内容总量为161EB，2007年为281EB，2008年为487EB，2011年达到了惊人的1800EB。数据总量从2006年到2011年增长了11倍多，以每年61％的速度指数增长。IDC预测在未来10年文件总量会增长75倍。爆炸式的信息增长必然导致对存储容量的需求大幅增长。与此同时，存储需求持续飞速增长对我们提出了一个重要的挑战和机遇：在维持相同生产成本的条件下，如何进一步提高单个数据存储设备的容量来满足强大的市场需求。磁盘作为主导存储设备，如何在不增加生产成本的条件下进一步提高磁记录密度是当前具有重要理论和商业意义的研究课题。 

虽然单个磁盘存储容量过去以每年30–50%的速度增加，其增长速度正在急剧放缓，主要原因是记录技术、制造工艺和记录材料等方面都遇到了技术的瓶颈难题。即使采用先进的垂直磁记录，磁盘存储密度也仅为500GB/in2；而且，垂直磁记录将接近由超顺磁效应限定理论值1TB/in2，因此提高空间和速度受到限制。 

瓦记录方式被认为是目前最有可能突破1TB/in2的磁记录技术，目前模拟的存储密度可以达到3TB/in2。瓦记录的原理主要是利用部分重叠磁道的记录方式提高磁记录密度，类似屋顶上的瓦片那样重叠互扣，其实质上 是通过缩短磁道宽度的方式实现数据的高密度记录。由于磁道变窄使得磁记录介质将变小，对磁头的灵敏度要求提高。重叠磁道和高灵敏度磁头，相对于其他记录技术，在硬件上比较容易实现。但是，其主要问题就是随机写速度很慢。因为瓦记录通过部分重叠相邻磁道而使记录信息的磁道变窄，如图1所示，当单个磁道上的数据被更新时，相邻连续磁道上的数据也必须重新擦写一遍以防止由于磁头写操作过程中对邻近磁道磁化擦除造成数据丢失。如果成功将瓦记录应用到磁盘上，磁盘容量将有望提高2.3-10陪，将对磁盘存储技术产生重大的意义和影响。 

当前瓦记录存储技术存在以下缺陷： 

1．需要管理大量的元数据：因为瓦记录存在写数据覆盖，数据经常不能够直接写到原来的位置，该方式类似SSD，需要映射表等元数据管理，一般需要几GB的元数据量，随着磁盘容量的增大，这些元数据信息也会越来越大。而在有限的内存情况下，这些元数据如何存储，对这些数据的读写性能也存在较大的影响。 

2.瓦记录磁盘空间利用率问题：目前大多数的研究都是基于区的分布方式，即一个区由若干个瓦记录磁道构成，区与区之间需要间隙，这种间隙的存在导致大约10%的空间浪费；另外，区内采用循环日志方式，循环日志的头尾也需要几个磁道的间隙，才能够确保有效数据不被覆盖；最后，采用日志方式，需要一定的冗余空间，才能够进行有效的垃圾回收。 

3.瓦记录磁盘的写放大问题：传统基于磁道的编址便于发挥磁盘顺序访问的性能优势，但在瓦记录磁盘中，写数据会覆盖相邻几个磁道的数据，采用传统的编址，覆盖的数据就在逻辑地址上是分散的，为了确保数据不丢失，目前采用循环日志的方法将相邻几个磁道上的数据都迁移到其它位置，然后再写入数据，这样导致大量的数据迁移。这些多次的读写操作，不但增加了读写数据量，还导致磁头在不同地方来回移动，间接地影响了随机写性能，导致性能成倍下降。 

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种瓦记录磁盘的四级编址方法，其针对瓦记录磁盘随机写限制，对瓦记录磁盘的数据结构和磁道布局进行优化，并且结合闪存和内存的读写速度快优势，组成三级架构的瓦记录磁盘系统，来解决传统瓦记录磁盘的随机写性能差的问题，使其在倍增磁盘可用容量的同时，避免性能的下降，并提高读写速度。 

为实现上述目的，本发明提供了一种瓦记录磁盘的四级编址方法，包括以下步骤： 

（1）将瓦记录磁盘的逻辑空间划分为“区-段-块-扇区”的四级结构； 

（2）采用径向编址的方式对划分后的四级结构进行编址； 

（3）采用对称堆叠式的磁道布局对编址后的四级结构的区间间隔进行优化； 

（4）对编址后的四级结构的瓦记录磁盘进行读写操作，具体包括以下子步骤： 

（4-1）接收来自上层文件系统的读写请求，根据读写请求的逻辑地址进行地址映射，以得到该请求对应的区号、段号和块号，并判断该读写请求是读请求还是写请求，如果是读请求进入步骤（4-2），否则进入步骤（4-7）； 

（4-2）判断内存中是否缓存了该读请求对应的数据块，若存在，则进入步骤（4-3），否则进入步骤（4-4）； 

（4-3）从内存中读取该数据块，并将该数据块返回给上层文件系统，过程结束； 

（4-4）判断SSD中是否缓存了该数据块，若存在，则进入步骤（4-5），否则进入步骤（4-6）； 

（4-5）从SSD中读取该数据块，并将该数据块返回给上层文件系统，过程结束； 

（4-6）从瓦记录磁盘中读取该数据块，将该数据块缓存在SSD中，并将该数据块返回给上层文件系统，过程结束； 

（4-7）判断内存中是否缓存了该写请求对应的数据块，若不存在，则进入步骤（4-8），否则进入步骤（4-12）； 

（4-8）判断SSD中是否缓存了该数据块，若不存在，则进入步骤（4-9），否则进入步骤（4-10）； 

（4-9）从瓦记录磁盘中读取该数据块，进入步骤（4-11）； 

（4-10）从SSD中读取该数据块，同时将SSD中的该数据块置为无效； 

（4-11）将该数据块修改后写入内存，过程结束； 

（4-12）写内存，修改该数据块，过程结束。 

步骤（1）具体为，将多个连续的磁道组织在一起，构成一个区，区再划分为多个段，一个段包含多个块，一个块由多个连续的扇区组成，由此构成“区-段-块-扇区”的四级划分结构。 

步骤（4-6）包括以下子步骤： 

（4-6-1）从瓦记录磁盘中读取该数据块，在SSD中查找是否有空闲的数据块，若有，则进入步骤（4-6-2），否则进入步骤（4-6-3）； 

（4-6-2）将该数据块写入SSD中空闲的数据块，并将该数据块返回给上层文件系统，过程结束； 

（4-6-3）替换掉SSD中的数据块，以提供空闲的数据块，具体而言，SSD中保存的是瓦记录磁盘中数据块的副本，使用LRU算法替换掉最久未使用的数据块； 

（4-6-4）将该数据块写到空闲的数据块，并将该数据块返回给上层的文件系统，过程结束。 

步骤（4-11）包括以下子步骤： 

（4-11-1）修改该数据块，在内存中查找是否有空闲的数据块，若有，则进入步骤（4-11-2），否则进入步骤（4-11-3）； 

（4-11-2）将修改后的数据块写入内存中空闲的数据块，过程结束； 

（4-11-3）替换掉内存中部分脏数据块，以提供空闲的数据块 

（4-11-4）将脏数据块写回瓦记录磁盘；具体而言，采用基于“段”的倒盘方式，将写磁盘时会影响的磁道数据块读出来，结合要写入的数据块，顺序写入某个段中。这样将多个随机写合并成一个顺序写，一次性写入一个段的多个块，减少写磁盘操作造成的数据移动量和重写量。 

（4-11-5）将修改后的数据块写入空闲的数据块，过程结束。 

步骤（4-11-4）具体为，采用基于“段”的倒盘方式，将写磁盘时会影响的磁道数据块读出来，结合要写入的数据块，顺序写入某个段中。这样将多个随机写合并成一个顺序写，一次性写入一个段的多个块，以减少写磁盘操作造成的数据移动量和重写量。 

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本发明具有以下的有益效果： 

1.避免了大量元数据的管理和存储问题：由于采用了步骤（1），所以物理地址可以由逻辑地址计算所得，从而不需要各种映射表等元数据，也就没有大量元数据带来的存储与管理的问题。 

2.提高了瓦记录磁盘的空间利用率：由于采用了步骤（1），段内采用地址直接定位，不需要循环日志方式的区内间隔和垃圾回收所需要的冗余空间，因此可以大幅提高瓦记录磁盘的存储密度。由于采用了步骤（3），减少了一半的区间间隔开销，提高了瓦记录磁盘的空间利用率。 

3.减少了“写放大”问题：由于采用了步骤（1）（2），连续数据按照磁道覆盖的方向进行写操作，逻辑地址段内是连续的，充分利用数据的空间局部性，减少了写操作的数据覆盖量及写放大系数。 

4.提高了瓦记录磁盘的读写性能：由于采用了步骤（4），多数请求在缓冲区中命中，与传统的瓦记录磁盘相比，提高了瓦记录磁盘的读写性能。 

附图说明

图1是现有技术瓦记录磁盘的写覆盖示意图。 

图2是本发明方法中步骤（1）的示意图。 

图3示出本发明方法中径向编址方式与现有技术编址方式的比较。 

图4是现有技术瓦记录磁盘的磁道布局。 

图5是本发明方法中的对称堆叠式布局。 

图6是本发明瓦记录磁盘系统的架构图。 

图7是本发明方法中步骤（4）的细化流程图。 

图8是本发明方法中瓦记录磁盘系统基于“段-块”缓存替换算法示意图。 

图9是本发明方法中瓦记录磁盘系统基于“段”的倒盘算法示意图。 

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。 

本发明瓦记录磁盘的四级编址方法包括以下步骤： 

（1）将瓦记录磁盘的逻辑空间划分为“区-段-块-扇区”的四级结构，具体而言，将多个连续的磁道组织在一起，构成一个区，区再划分为多个段，一个段包含多个块，一个块由多个连续的扇区组成，由此构成“区-段-块-扇区”的四级划分结构，如图2所示，每个圆环代表一个区，一个区按照径向分成了若干个段。如区1被划分成了8个段，而每个段则是由不同磁道上的连续扇区构成，同一磁道上的连续扇区则构成了一个操作单元（即块）。采用四级划分结构这种方式，充分利用瓦记录磁盘径向覆盖的特点，将一个区内径向的多个块组织成一个段，逻辑地址段内是连续的，利用存储的空间局部性，减少段内写的数据重写量。 

（2）采用径向编址的方式对划分后的四级结构进行编址，这样与传统的沿着磁道方向编址的方式对比，在写磁盘时能够显著减少数据移动量和 重写量，减少“写放大”的问题。具体而言，如图3所示，假设写数据覆盖了相邻的2个磁道，则写4个数据块时，将覆盖相邻磁道上的8个数据块，即需要将这8个数据块读出来，写到空闲块中，然后再写入要写的4个数据块，总的读数据量是8个数据块，写数据量是12个数据块。本发明采用径向编址方式，同样的写4个数据块，只会影响相邻磁道上的2个数据块，总的读数据量是2个数据块，写数据量是6个数据块。可以有效的缓解瓦记录磁盘“写放大”的问题。 

（3）对编址后的四级结构的区间间隔进行优化，具体而言，采用对称堆叠式的磁道布局，如图5所示，相邻的两个区按照对称方式进行磁道记录，即沿内径和外径两个方向进行记录，每个区内部磁道覆盖方向是相同的，假设磁头在区1中写数据，沿内径方向依次写入磁道1，磁道2，...，磁道N，而区2则沿相反方向依次写入磁道1’，磁道2’，…，磁道N’，其中区1中的磁道N和区2中的磁道N’中间重叠的部分为隔离带。这样，与图4所示的传统磁道布局相比，减少了一半的隔离带空间开销，提高了瓦记录磁盘的空间利用率。 

（4）对编址后的四级结构的瓦记录磁盘进行读写操作，如图6所示，本发明的瓦记录磁盘系统采用的三级架构，瓦记录磁盘系统接受上层的读写请求，完成对瓦记录磁盘的读写操作，瓦记录磁盘系统主要分为三个部分：瓦记录管理部分，用于实现瓦记录磁盘的内部原理；闪存管理部分，用于主要完成闪存作为瓦记录磁盘读缓存的管理功能；内存管理部分，用于主要完成内存作为瓦记录磁盘写缓存的功能。 

本步骤包括以下子步骤： 

（4-1）接收来自上层文件系统的读写请求，根据读写请求的逻辑地址进行地址映射，以得到该请求对应的区号、段号和块号，并判断该读写请求是读请求还是写请求，如果是读请求进入步骤（4-2），否则进入步骤（4-7）； 

（4-2）判断内存中是否缓存了该读请求对应的数据块，若存在，则进入步骤（4-3），否则进入步骤（4-4）； 

（4-3）从内存中读取该数据块，并将该数据块返回给上层文件系统，过程结束； 

（4-4）判断SSD中是否缓存了该数据块，若存在，则进入步骤（4-5），否则进入步骤（4-6）； 

（4-5）从SSD中读取该数据块，并将该数据块返回给上层文件系统，过程结束； 

（4-6）从瓦记录磁盘中读取该数据块，将该数据块缓存在SSD中，并将该数据块返回给上层文件系统，过程结束；该步骤包括以下子步骤： 

（4-6-1）从瓦记录磁盘中读取该数据块，在SSD中查找是否有空闲的数据块，若有，则进入步骤（4-6-2），否则进入步骤（4-6-3）； 

（4-6-2）将该数据块写入SSD中空闲的数据块，并将该数据块返回给上层文件系统，过程结束； 

（4-6-3）替换掉SSD中的数据块，以提供空闲的数据块，具体而言，SSD中保存的是瓦记录磁盘中数据块的副本，使用LRU算法替换掉最久未使用的数据块； 

（4-6-4）将该数据块写到空闲的数据块，并将该数据块返回给上层的文件系统，过程结束； 

（4-7）判断内存中是否缓存了该写请求对应的数据块，若不存在，则进入步骤（4-8），否则进入步骤（4-12）； 

（4-8）判断SSD中是否缓存了该数据块，若不存在，则进入步骤（4-9），否则进入步骤（4-10）； 

（4-9）从瓦记录磁盘中读取该数据块，进入步骤（4-11）； 

（4-10）从SSD中读取该数据块，同时将SSD中的该数据块置为无效； 

（4-11）将该数据块修改后写入内存，过程结束；该步骤包括以下子 步骤： 

（4-11-1）修改该数据块，在内存中查找是否有空闲的数据块，若有，则进入步骤（4-11-2），否则进入步骤（4-11-3）； 

（4-11-2）将修改后的数据块写入内存中空闲的数据块，过程结束； 

（4-11-3）替换掉内存中部分脏数据块，以提供空闲的数据块；具体而言，本发明设计了一个基于“段-块”的缓存替换算法，算法思想是尽量减少倒盘的次数，即每次倒盘时尽量提供较多的空闲块，将属于同一个段的块尽量替换掉写回磁盘，而将该段的“热块”数据保留在缓存中，将缓存中的块按照LRU顺序组织起来。当缓存满时，从LRU尾部向前搜索“冷块”，将脏数据块数目最多的段替换掉，写回磁盘。RAM可以缓存10个块，当前有10个块在RAM，访问块6时，在RAM命中，块6被提至LRU首部，接下来有个写请求，并且在RAM中不命中，需要替换掉RAM中相关的块，假设RAM中前面30%的都是“热块”，那么搜索后面70%的“冷块”，各段中“冷块”数目最多的是块0、块7、块5和块8所在的段，替换掉该段，这样可以腾出4个空闲数据块，同时较热的数据块4保留在内存中； 

（4-11-4）将脏数据块写回瓦记录磁盘；具体而言，采用基于“段”的倒盘方式，将写磁盘时会影响的磁道数据块读出来，结合要写入的数据块，顺序写入某个段中。这样将多个随机写合并成一个顺序写，一次性写入一个段的多个块，减少写磁盘操作造成的数据移动量和重写量。如图9所示，缓存在内存中的数据块5和块3被替换，需要写回瓦记录磁盘，同时，数据块4和块1已缓存在SSD中，由于瓦记录磁盘的写覆盖特点，写数据块5时，会影响数据块4及后面的数据块，按照基于“段”的倒盘算法，从内存中读取数据块5，从SSD中读取数据块4，从内存中读取数据块3，从瓦记录磁盘读取数据块2，从SSD中读取数据块1到buf中，然后将buf中的数据顺序的写入到该段的数据块5到块1； 

（4-11-5）将修改后的数据块写入空闲的数据块，过程结束； 

（4-12）写内存，修改该数据块，过程结束。 

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (5)

1.一种瓦记录磁盘的四级编址方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将瓦记录磁盘的逻辑空间划分为“区-段-块-扇区”的四级结构；

（2）采用径向编址的方式对划分后的四级结构进行编址；

（3）采用对称堆叠式的磁道布局对编址后的四级结构的区间间隔进行优化；

（4）对编址后的四级结构的瓦记录磁盘进行读写操作，具体包括以下子步骤：

（4-1）接收来自上层文件系统的读写请求，根据读写请求的逻辑地址进行地址映射，以得到该请求对应的区号、段号和块号，并判断该读写请求是读请求还是写请求，如果是读请求进入步骤（4-2），否则进入步骤（4-7）；

（4-2）判断内存中是否缓存了该读请求对应的数据块，若存在，则进入步骤（4-3），否则进入步骤（4-4）；

（4-3）从内存中读取该数据块，并将该数据块返回给上层文件系统，过程结束；

（4-4）判断SSD中是否缓存了该数据块，若存在，则进入步骤（4-5），否则进入步骤（4-6）；

（4-5）从SSD中读取该数据块，并将该数据块返回给上层文件系统，过程结束；

（4-6）从瓦记录磁盘中读取该数据块，将该数据块缓存在SSD中，并将该数据块返回给上层文件系统，过程结束；

（4-7）判断内存中是否缓存了该写请求对应的数据块，若不存在，则进入步骤（4-8），否则进入步骤（4-12）；

（4-8）判断SSD中是否缓存了该数据块，若不存在，则进入步骤（4-9），否则进入步骤（4-10）；

（4-9）从瓦记录磁盘中读取该数据块，进入步骤（4-11）；

（4-10）从SSD中读取该数据块，同时将SSD中的该数据块置为无效；

（4-11）将该数据块修改后写入内存，过程结束；

（4-12）写内存，修改该数据块，过程结束。

2.根据权利要求1所述的四级编址方法，其特征在于，步骤（1）具体为，将多个连续的磁道组织在一起，构成一个区，区再划分为多个段，一个段包含多个块，一个块由多个连续的扇区组成，由此构成“区-段-块-扇区”的四级划分结构。

3.根据权利要求1所述的四级编址方法，其特征在于，步骤（4-6）包括以下子步骤：

（4-6-1）从瓦记录磁盘中读取该数据块，在SSD中查找是否有空闲的数据块，若有，则进入步骤（4-6-2），否则进入步骤（4-6-3）；

（4-6-2）将该数据块写入SSD中空闲的数据块，并将该数据块返回给上层文件系统，过程结束；

（4-6-3）替换掉SSD中的数据块，以提供空闲的数据块，具体而言，SSD中保存的是瓦记录磁盘中数据块的副本，使用LRU算法替换掉最久未使用的数据块；

（4-6-4）将该数据块写到空闲的数据块，并将该数据块返回给上层的文件系统，过程结束。

4.根据权利要求1所述的四级编址方法，其特征在于，步骤（4-11）包括以下子步骤：

（4-11-1）修改该数据块，在内存中查找是否有空闲的数据块，若有，则进入步骤（4-11-2），否则进入步骤（4-11-3）；

（4-11-2）将修改后的数据块写入内存中空闲的数据块，过程结束；

（4-11-3）替换掉内存中部分脏数据块，以提供空闲的数据块

（4-11-4）将脏数据块写回瓦记录磁盘；具体而言，采用基于“段”的倒盘方式，将写磁盘时会影响的磁道数据块读出来，结合要写入的数据块，顺序写入某个段中。这样将多个随机写合并成一个顺序写，一次性写入一个段的多个块，减少写磁盘操作造成的数据移动量和重写量。

（4-11-5）将修改后的数据块写入空闲的数据块，过程结束。

5.根据权利要求4所述的四级编址方法，其特征在于，步骤（4-11-4）具体为，采用基于“段”的倒盘方式，将写磁盘时会影响的磁道数据块读出来，结合要写入的数据块，顺序写入某个段中。这样将多个随机写合并成一个顺序写，一次性写入一个段的多个块，以减少写磁盘操作造成的数据移动量和重写量。

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