CN104298619A - 基于Ramdisk和固态硬盘的高速二级存储系统及数据存取方法 - Google Patents
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Abstract
基于Ramdisk和固态硬盘的高速二级存储系统及数据存取方法,结合中小型企业信息化对服务器性能的较高需求,设计了一种结合固态硬盘、虚拟磁盘及RAID等多项技术的二级存储系统(服务器架构)。本架构是一种可以大幅提高读写性能的二级存储方式,使用固态硬盘作为基础存储介质,并结合RAID模块对固态硬盘的容错性和并发读写能力进行进一步提升;使用虚拟磁盘技术将内存的一部分规划成磁盘,作为高性能存储介质。在实际应用中,将应用及服务提前从固态硬盘阵列读取至虚拟硬盘,以获得高性能的内存计算速度,搭建高性能实时数据计算平台;将数据库部分存储于固态硬盘阵列中,可以实现的突发读写以及数据的随机读取。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于Ramdisk和固态硬盘的高速二级存储系统及数据存取方法,令新型硬件固态硬盘(Solid State Disk)与内存虚拟化技术(Ramdisk)相结合,适用于计算机和服务器,属于计算机系统结构领域。
背景技术
在信息系统运行过程中,查询、后台运算等服务需要调取大量数据库数据,出现运行速度缓慢等情况。经过分析后发现主要在于硬盘的IO速度过低成为系统瓶颈。传统解决方案是使用更高转速硬盘、RAID阵列等方式来提高硬盘读写速度,但对于一些突发读写需求和大量并发需求,系统并不能很好的即时响应。因此,有必要提高硬盘IO速度来缩短系统响应时间。
传统计算机存储系统包括总线速度较低的机械硬盘存储器和速度较高的计算机内存。单独机械硬盘作为存储时,其速度受磁盘转速和磁头移臂、寻道等物理因素影响,读写速度读/写大约为100MB/s和60MB/s,突发读写延迟15-20毫秒;在一些较高级的计算机、服务器上使用独立磁盘冗余阵列(RAID)技术,可以在一定程度上提高计算机存储的读写速度,其使用磁盘阵列卡作为硬件接口设备,多数为PCIE总线外接若干数量的机械硬盘,将数据分散存储于每块硬盘上,并使用一些算法解决读写冲突、CRC校验错误和分布式存储。应用了磁盘阵列技术,可以提供了更高的读写速度、硬盘容错,双盘RAID0可以提供大约180MB/s的读速,突发读写延迟较单硬盘略长,读写速度较单硬盘提升约80%。但磁盘阵列技术依然不能满足轻量级应用服务器的速度需求,特别是在多用户并发访问时,频繁请求硬盘上不同位置的数据,会导致部分应用和服务响应缓慢,间接影响用户体验。
近年来,直接使用固态硬盘作为存储设备的服务器,其固态硬盘的理论寿命是根据数据擦写次数进行评估,32nm技术的存储颗粒的理论擦写次数为5000次全擦写,即625TB的数据量,正常使用时约为10年。频繁服务及应用的读写操作(读取网页、数据库等)可能会大幅度缩短固态硬盘的使用寿命。且装配固态硬盘的服务器的价格较高,普遍使用PCIE接口的固态硬盘的价格远远高于民用SATA接口固态硬盘,其普及程度不如传统服务器广泛,不具有很好的适用性。
发明内容
本发明解决的技术问题是:克服现有技术的不足,提供一种基于Ramdisk和固态硬盘的高速二级存储系统及数据存取方法。本发明系统利用总线速度更快的内存作为应用服务和系统的运行平台,并将操作系统和数据库存放于读写速度较快的非易失性的固态硬盘阵列中。该方法可将频繁读写的应用软件数据的IO速度提高两个数量级,将数据库系统的IO速度提高一个数量级,从而使IO不成为系统瓶颈,或使系统短板差距缩小,并解决了固态硬盘使用寿命不确定的情况。
本发明的技术解决方案是:
基于Ramdisk和固态硬盘的高速二级存储系统,包括:CPU、北桥芯片、内存、固态硬盘和输入输出总线;
CPU包括运算单元和缓冲存储单元,内存中包括系统数据区、应用程序数据区和Ramdisk数据区;
多块固态硬盘组成Raid磁盘阵列,应用程序数据备份和应用程序数据库均存储在所述固态硬盘中,
开机时,固态硬盘中存储的所述应用程序数据备份通过输入输出总线拷贝到内存中的Ramdisk数据区;
开机完成之后,当64位操作系统主动或者被动地调用应用程序时,如果该应用程序不需要读取所述应用程序数据库,则该应用程序对应的Ramdisk数据区中存储的应用程序数据调用到内存中的应用程序数据区中,再通过北桥芯片调用到CPU中的缓冲存储单元中;如果该应用程序需要读取所述应用程序数据库,则存储在固态硬盘中的应用程序数据库中的数据通过输入输出总线拷贝到内存中的应用程序数据区中,再通过北桥芯片调用到CPU中的缓冲存储单元中;
关机时,Ramdisk数据区中的所有数据以镜像方式通过输入输出总线保存到固态硬盘中,形成应用程序数据备份。
所述固态硬盘为SATA接口或者PCIE接口。
所述内存的主频不低于1333MHz,内存的容量不低于16GB。
所述操作系统主动调用应用程序是指:操作系统运行时,自启动的应用程序。
所述操作系统被动调用应用程序是指:由用户或者其他应用程序触发,调用该应用程序或者该应用程序的部分功能。
基于所述高速二级存储系统实现的数据存取方法,步骤如下:
(1)将组成Raid磁盘阵列的固态硬盘作为服务器上的硬盘存储设备,将服务器中的内存配置为容量不低于16GB、频率不低于1333MHz的内存;
(2)安装64位操作系统之后,在固态硬盘中安装Ramdisk软件和应用程序数据库;
(3)在Ramdisk软件中设置内存中的Ramdisk数据区大小;
(4)在Ramdisk数据区中部署应用程序,并将Ramdisk软件设置成保存磁盘镜像模式,之后重新启动服务器,使得Ramdisk磁盘镜像保存在固态硬盘中;
(5)服务器开机时,固态硬盘中存储的所述Ramdisk磁盘镜像通过输入输出总线拷贝到内存中的Ramdisk数据区;
(6)开机完成之后,当操作系统主动或者被动地调用应用程序时,如果该应用程序不需要读取所述应用程序数据库,则该应用程序对应的Ramdisk数据区中存储的应用程序数据调用到内存中的应用程序数据区中,再通过北桥芯片调用到CPU中的缓冲存储单元中;如果该应用程序需要读取所述应用程序数据库,则存储在固态硬盘中的应用程序数据库中的数据通过输入输出总线拷贝到内存中的应用程序数据区中,再通过北桥芯片调用到CPU中的缓冲存储单元中;
(7)关机时,Ramdisk数据区中的所有数据自动以镜像方式通过输入输出总线保存到固态硬盘中,形成应用程序数据备份。
本发明与现有技术相比的有益效果是:
(1)本发明可以实现更快的IO总线速度,缩减应用程序响应时间,使磁盘不成为系统瓶颈。其主要特点是整体实现了数据读写的随机存储,离散数据读写速率,在连续数据读写速率,突发数据读写速率,突发数据读取时间等方面,比传统机械的磁盘驱动器通过转动盘片和移动磁头的方式读写数据,具有高速度和低延迟的优势;通过区分应用程序数据和应用程序数据库存储位置的方式分离高频连续数据和低频离散数据,可以使带宽得到充分的优化提速,分类存储两种数据较只使用固态硬盘的服务器和主机具有更高的总线速度。
(2)本发明相对只使用固态硬盘的服务器或主机,使用主频不低于1333MHz、容量不低于16GB内存所构建的Ramdisk可以作为读写保护层,以减少对固态硬盘上某些文件区块的频繁读写;使内存代替闪存芯片进行擦写操作,可以大幅减少固态硬盘擦写损耗以延长使用寿命,间接增加服务器使用时间以及提高系统的鲁棒性;
(3)本发明可通过更换固态硬盘并增加内存,达到升级原有服务器或主机的硬件配置的目的;相比更换服务器整机,减少投入成本,是一种企业更容易接受的方案,可以提高实用程度;
(4)本发明对64位操作系统上层及应用层程序具有透明性,应用程序无需知道操作系统和底层在使用何种技术进行实现,可直接将应用程序及服务部署在本发明存储系统之上,无需对上层应用进行修改,具有部署方便的特点。
附图说明
图1为传统系统架构示意图
图2为磁盘驱动器读写特征示意图
图3为本发明架构示意图
图4为二级存储逻辑结构示意图
具体实施方式
如图1所示,为传统服务器系统架构示意图,涉及数据传输的主要组成部分由中央处理器、北桥、内存、磁盘驱动器和输入输出总线构成。传统的数据流是读取所述应用程序数据库或应用程序数据,则存储在磁盘驱动器中的应用程序部分中的数据通过输入输出总线调用到内存中的应用程序数据区中,再通过北桥芯片调用到CPU中的缓冲存储单元中;
对于轻量级的应用服务器,所运行的应用程序有如下特点。应用服务通常由后台运行应用程序(控制台、Windows服务、Tomcat等)与静态网页元素(HTML、XML、JPEG图片等)构成,其特点是所读取的静态文件通常不会发生变更,但读取次数极为频繁。例如网页门户中的图片和脚本,每次访问时都要向服务器请求资源,服务器响应请求时就会读取磁盘中的数据,频率为秒或毫秒计数。数据库系统的特点是数据量较大,但数据存储离散程度较高,每条目数据的读写频率较低。例如论坛用户登录时访问数据库用户身份表,读取频率为天计数甚至周计数。
如图2所示,为磁盘驱动器读写特征示意图,传统轻量级服务器的两种访问频率相差很多的数据共同存在于服务器机械硬盘中,前者访问频率很高,导致硬盘磁头频繁访问同一区域,一定程度上不能及时响应后者数据库的访问请求,导致数据获取延迟加大。总结两种读写特征,可分为A型高频固定读取和B型低频离散读写两种数据结构特征。
如图3所示,本发明提供了一种基于Ramdisk和固态硬盘的高速二级存储系统,包括:CPU、北桥芯片、内存、固态硬盘和输入输出总线;所述内存的主频不低于1333MHz,内存的容量不低于16GB。
CPU包括运算单元和缓冲存储单元,内存中包括系统数据区、应用程序数据区和Ramdisk数据区;多块固态硬盘组成Raid磁盘阵列,应用程序数据备份和应用程序数据库均存储在所述固态硬盘中,所述固态硬盘为SATA接口或者PCIE接口。
开机时,固态硬盘中存储的所述应用程序数据备份通过输入输出总线拷贝到内存中的Ramdisk数据区;
开机完成之后,当64位操作系统主动或者被动地调用应用程序时,如果该应用程序不需要读取所述应用程序数据库,则该应用程序对应的Ramdisk数据区中存储的应用程序数据调用到内存中的应用程序数据区中,再通过北桥芯片调用到CPU中的缓冲存储单元中;如果该应用程序需要读取所述应用程序数据库,则存储在固态硬盘中的应用程序数据库中的数据通过输入输出总线拷贝到内存中的应用程序数据区中,再通过北桥芯片调用到CPU中的缓冲存储单元中;
所述操作系统主动调用应用程序是指:操作系统运行时,自动触发的应用程序,例如ERP系统、监控系统或Windows服务等。
所述操作系统被动调用应用程序是指:由用户或者其他应用程序触发,调用该应用程序或者该应用程序的部分功能,例如3DMax建模,Matlab数据拟合等。
关机时,Ramdisk数据区中的所有数据以镜像方式通过输入输出总线保存到固态硬盘中,形成应用程序数据备份。
如图4所示,为二级存储逻辑结构示意图,同图2中所描述的高频集中的A型数据和低频离散的B型数据两种读写特征,分别存放于Ramdisk和固态硬盘之中;如果该应用程序不需要读取所述应用程序数据库,则该应用程序对应的Ramdisk数据区中存储的应用程序数据调用到内存中的应用程序数据区中,再通过总线传输给其他部位进行处理;如果该应用程序需要读取所述应用程序数据库,则存储在固态硬盘中的应用程序数据库中的数据通过输入输出总线拷贝到内存中的应用程序数据区中,再通过总线传输给其他部位进行处理。
本发明还提供了一种基于所述高速二级存储系统实现的数据存取方法,步骤如下:
(1)将组成Raid磁盘阵列的固态硬盘作为服务器上的硬盘存储设备,将服务器中的内存调整为容量不低于16GB、频率不低于1333MHz的内存;
(2)安装64位操作系统之后,在固态硬盘中安装Ramdisk软件和应用程序数据库;
(3)在Ramdisk软件中设置内存中的Ramdisk数据区大小;
(4)在Ramdisk数据区中部署应用程序,并将Ramdisk软件设置成保存磁盘镜像模式,之后重新启动服务器,使得Ramdisk磁盘镜像保存在固态硬盘中;
(5)服务器开机时,固态硬盘中存储的所述Ramdisk磁盘镜像通过输入输出总线拷贝到内存中的Ramdisk数据区;
(6)开机完成之后,当操作系统主动或者被动地调用应用程序时,如果该应用程序不需要读取所述应用程序数据库,则该应用程序对应的Ramdisk数据区中存储的应用程序数据调用到内存中的应用程序数据区中,再通过北桥芯片调用到CPU中的缓冲存储单元中;如果该应用程序需要读取所述应用程序数据库,则存储在固态硬盘中的应用程序数据库中的数据通过输入输出总线拷贝到内存中的应用程序数据区中,再通过北桥芯片调用到CPU中的缓冲存储单元中;
(7)关机时,Ramdisk数据区中的所有数据自动以镜像方式通过输入输出总线保存到固态硬盘中,形成应用程序数据备份。
Ramdisk的相关技术信息:是一种通过软件方式,将一部分内存(RAM)模拟为硬盘来使用的一种技术。相对于直接的硬盘文件访问来说,这种技术可以极大的提高内存盘上文件的访问速度。Ramdisk可以将内存地址空间映射为一种文件列表,以便操作系统将该文件表像访问硬盘分区一样的方式进行访问。
固态硬盘相关技术信息:是一种使用固态电子存储芯片阵列制作的硬件存储器,在定义及功能、硬件接口、使用规范等方面与传统机械硬盘完全相同,在外形尺寸上符合通用SATA硬盘标准。使用闪存(FLASH)技术的固态硬盘,平均寻道时间约为2ms,总线读写速度(SATA3标准)达到了500MB/s。
本发明所实现的二级存储架构可以很好的区分高频集中的A型数据和低频离散的B型数据两种读写特征,使用高速度的Ramdisk作为磁盘时,具有总线级高速IO的特点,适合A型IO特征;使用固态硬盘作为数据库存储盘,具有随机存储和高速读写的特点,适合B型IO特征。使用以内存为介质的Ramdisk技术来存储经常需要读写的服务及应用,特别是需要实时处理来自网页的信息,可以在提高响应速度的同时,降低固态硬盘的擦写磨损。
二级存储架构较传统机械硬盘服务器具有突发读写性能优秀、并发数据量大、性能稳定和节约能耗等优点。机械硬盘服务器的IO速度为百兆级,应用二级存储架构后的轻量级服务器,对B型IO特征的数据传输速率为近千兆级,对A型IO特征数据的传输速率为超千兆级(总线级)。
Claims (6)
1.基于Ramdisk和固态硬盘的高速二级存储系统,其特征在于包括:CPU、北桥芯片、内存、固态硬盘和输入输出总线;
CPU包括运算单元和缓冲存储单元,内存中包括系统数据区、应用程序数据区和Ramdisk数据区;
多块固态硬盘组成Raid磁盘阵列,应用程序数据备份和应用程序数据库均存储在所述固态硬盘中,
开机时,固态硬盘中存储的所述应用程序数据备份通过输入输出总线拷贝到内存中的Ramdisk数据区;
开机完成之后,当64位操作系统主动或者被动地调用应用程序时,如果该应用程序不需要读取所述应用程序数据库,则该应用程序对应的Ramdisk数据区中存储的应用程序数据调用到内存中的应用程序数据区中,再通过北桥芯片调用到CPU中的缓冲存储单元中;如果该应用程序需要读取所述应用程序数据库,则存储在固态硬盘中的应用程序数据库中的数据通过输入输出总线拷贝到内存中的应用程序数据区中,再通过北桥芯片调用到CPU中的缓冲存储单元中;
关机时,Ramdisk数据区中的所有数据以镜像方式通过输入输出总线保存到固态硬盘中,形成应用程序数据备份。
2.根据权利要求1所述的基于Ramdisk和固态硬盘的高速二级存储系统,其特征在于:所述固态硬盘为SATA接口或者PCIE接口。
3.根据权利要求1所述的基于Ramdisk和固态硬盘的高速二级存储系统,其特征在于:所述内存的主频不低于1333MHz,内存的容量不低于16GB。
4.根据权利要求1所述的基于Ramdisk和固态硬盘的高速二级存储系统,其特征在于:所述操作系统主动调用应用程序是指:操作系统运行时,自启动的应用程序。
5.根据权利要求1所述的基于Ramdisk和固态硬盘的高速二级存储系统,其特征在于:所述操作系统被动调用应用程序是指:由用户或者其他应用程序触发,调用该应用程序或者该应用程序的部分功能。
6.基于权利要求1所述高速二级存储系统实现的数据存取方法,其特征在于步骤如下:
(1)将组成Raid磁盘阵列的固态硬盘作为服务器上的硬盘存储设备,将服务器中的内存调整为容量不低于16GB、频率不低于1333MHz的内存;
(2)安装64位操作系统之后,在固态硬盘中安装Ramdisk软件和应用程序数据库;
(3)在Ramdisk软件中设置内存中的Ramdisk数据区大小;
(4)在Ramdisk数据区中部署应用程序,并将Ramdisk软件设置成保存磁盘镜像模式,之后重新启动服务器,使得Ramdisk磁盘镜像保存在固态硬盘中;
(5)服务器开机时,固态硬盘中存储的所述Ramdisk磁盘镜像通过输入输出总线拷贝到内存中的Ramdisk数据区;
(6)开机完成之后,当操作系统主动或者被动地调用应用程序时,如果该应用程序不需要读取所述应用程序数据库,则该应用程序对应的Ramdisk数据区中存储的应用程序数据调用到内存中的应用程序数据区中,再通过北桥芯片调用到CPU中的缓冲存储单元中;如果该应用程序需要读取所述应用程序数据库,则存储在固态硬盘中的应用程序数据库中的数据通过输入输出总线拷贝到内存中的应用程序数据区中,再通过北桥芯片调用到CPU中的缓冲存储单元中;
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