CN105446665A - 一种计算机存储加速系统及其优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种计算机存储加速系统及其优化方法，所述系统包括国产计算机主板，国产计算机主板通过SATA、SAS或PCI-E接口连接有SSD等高速存储设备，作为文件系统和底层存储设备之间的缓存设备。所述优化方法采用基于Linux内核开发的国产操作系统，通过内核加载高速缓存模块Flashcache，利用该模块实现将低速存储介质上的数据缓存到高速存储介质上；为读缓存未命中时增加预读机制，以提升后续读写操作的命中率，本发明通过高速存储介质优秀的读写能力来提升存储系统的性能，并通过改良高速缓存模块的缓存方法，来进一步增加读写性能。

Description

一种计算机存储加速系统及其优化方法
技术领域
本发明涉及一种存储加速系统，特别涉及国产计算机针对海量数据且热门数据较多的应用环境下，提高读性能的存储加速系统及其优化方法。
背景技术
随着国家科技信息安全意识的不断提高，计算机的自主可控逐渐被提上日程，但其国产计算机仍处起步阶段，与主流水平存在一定差距。然而，近几年来随着计算机和信息技术的迅猛发展和普及应用，行业应用系统的规模迅速扩大，行业应用所产生的数据呈爆炸性增长。面对如此海量的数据，如果将其全部放在大容量的SATA、SAS盘上时，会发现性能(响应时间)不够；如果全放在固态硬盘(SSD)上时，又会发现成本很高。而现在的大数据具有一个普遍特点，即大部分数据都会束之高阁封尘千年，只有少部分数据才会频繁访问使用。如何提高国产计算机的存储读写能力成为研究的重点之一。
多年来硬件技术不断向前发展，但各类硬件的发展速度却不尽相同。尤以CPU和磁盘最为明显，两者之间速度落差的不断增大导致磁盘单位容量的I/O性能越来越低。但随着闪存技术的进步，SSD的性价比逐渐提高，而且其高性能，低功耗，无噪音的特性对于大型存储系统有着极大的吸引力。即使如此，SSD的高价格与低容量仍然是制约其大规模应用的主要原因，例如一个32GBSSD大约花费12美元每GB，这比典型的传统商用硬盘贵了接近100倍。建立一个只有1TB的服务器，需要32个SSD，仅硬盘就要花费12000美元。所以目前SSD并不能完全代替传统硬盘，但是我们可以用它来增强传统硬盘的性能，将SSD作为存储系统中的二级缓存，储存常用数据来加速访问，降低用户的I/O请求直接与机械式磁盘的交互，并通过与基于SSD的缓存交互提高I/O效率，以此达到性能与价格的兼顾。在计算机系统中，缓存(cache)的魔爪无处不在。CPU中有一级缓存(L1cache)、二级缓存(L2cache)甚至三级缓存(L3cache)，Linux有页高速缓冲存储器(pagecache)，MySQL有高速缓冲存储器(buffercache/querycache)，IO系统中Raid卡/磁盘也有缓存(cache)，在大型互联网系统中，数据库前面一般也都有一层高速缓存系统memcache。缓存(cache)是容量与性能之前取平衡的结果，以更低的成本，获得更高的收益，是系统设计时应该遵循的原则。所以，毫无疑问基于SSD的缓存技术成为一种更好的加速方案。
Flashcache是Facebook技术团队的又一力作，最初是为加速MySQL设计的。由于Flashcache是在Linux层面的，所以任何受磁盘IO困绕的软件或应用都可以方便的使用之。Flashcache一个非常不错的软件(准确的说是一个Linux的模块)，可以动态加载。Flashcache通过在文件系统(VFS)和设备驱动之间新增了一次缓存层，来实现对热门数据的缓存。由此可见Flashcache满足上述加速方案要求，即用SSD作为介质的缓存，通过将传统硬盘上的热门数据缓存到SSD上，然后利用SSD优秀的读性能，来加速系统。这个方法较之内存缓存，没有内存快，但是空间可以比内存大很多。
发明内容
本发明所解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种计算机存储加速系统及其优化方法，能有效提高国产计算机存储系统的性能，尤其应对海量数据且热门数据较多的应用环境。
本发明所提供的技术方案为：
一种计算机存储加速系统,包括国产计算机主板，国产计算机主板通过SATA、SAS或PCI-E接口连接有如SSD、PBlaze3闪存加速卡等高速存储设备，作为文件系统(VFS)和底层存储设备之间的高速缓存设备；所述高速存储设备是指数据读写速度高于传统机械硬盘的存储设备，如SSD、PBlaze3闪存加速卡等。与以往的存储方式相比，本发明利用高速存储介质提高了I/O效率，并降低用户I/O请求与机械磁盘直接交互的频次，从而在降低了机械磁盘的故障发生率。
所述国产计算机是基于国产自主可控CPU搭建的计算机。
通过SATA、SAS或PCI-E等总线增加读写性能明显高于原存储介质(如机械硬盘)的高速存储介质(如SSD、高速缓冲卡)，作为存储系统中的高速缓存层。通过扩展国产计算机的存储介质，增加高速缓存层，并通过改良高速缓存模块Flashcache的缓存方法，为读缓存未命中时增加预读机制，以提升后续读写操作的命中率，来进一步增加读写性能。
优选地，国产计算机主板通过PCI-E插槽连接有PBlaze3闪存加速卡，作为文件系统(VFS)和底层存储设备之间的缓存设备。
一种计算机存储加速系统的优化方法，所述计算机存储加速系统为上述的计算机存储加速系统，其优化方法为：采用基于Linux内核开发的国产操作系统，通过内核加载高速缓存模块Flashcache，实现将底层存储设备(低速存储介质)上的数据缓存到高速存储设备(高速存储介质)上，从而通过高速存储介质优秀的读写能力来提升存储系统的性能。
所述高速缓存模块Flashcache通过通用设备映射机制Devicemapper将高速缓存设备和底层存储设备映射为同一逻辑存储设备(层)(MappedDevice)，从而通过高速存储介质优秀的读写能力来提升存储系统的性能。所述MappedDevice是作为虚拟的块设备驱动在内核中被注册的，它不是一个真实的设备驱动，不能完成块I/O请求(bio)处理，因此，它主要是基于映射表对bio进行分解、克隆和重映射，然后通过调用某一目标设备驱动target_driver的映射方法，来映射从上层分发下来的bio，找到正确的目标设备(Target_Device)，并将bio转发到目标设备的请求队列，启动数据传输，完成操作。当文件系统下发I/O请求时，不再直接访问底层真实存储设备，而是下发到高速缓存设备上，查找数据，如果存在则直接返回给上层，进而提高读写性能，如果不存在则需要将I/O请求再次下发到真实存储设备上查找，如果找到则将数据返回给上一层并把数据写入到高速缓存中。
进一步地，当文件系统下发I/O请求(读命令)时，下发到高速缓存设备上，查找目标数据，如果在高速缓存设备上找到目标数据，则直接将目标数据返回给上层文件系统；如果未在高速缓存设备上找到目标数据(即在高速缓存层未命中)，则再次下发到底层存储设备上查找，如果找到目标数据(命中)，则在将目标数据返回给上层文件系统时，增加预读机制，即根据局部性原理，将目标数据及与目标数据相邻的多个数据块一起缓存到高速缓存设备上，来提升后续操作在高速缓存中的命中率，从而提高整个存储系统的性能。
有益效果：
1、本发明的存储加速系统，在国产计算机的主板上通过PCI-E插槽扩展PBlaze3闪存加速卡，作为文件系统(VFS)和设备驱动之间的高速缓存层，降低用户的I/O请求直接与机械式磁盘的交互，从而在时间上推迟了机械式磁盘故障的发生时间，并通过与基于高速换设备交互提高I/O效率，进而从总体上提高国产计算机存储系统的效率；
2、本发明的优化存储方法，通过改良高速缓存模块的缓存方法，为读缓存未命中时增加预读机制，所述预读机制在文件系统向设备驱动直接下发读命令后，将与目标数据相邻的多个数据块一起缓存到高速缓存层，进一步提升国产计算机存储系统读写性能。
附图说明
图1为本发明加入高速缓存后的分级缓存存储方式；
图2为现有存储方式；
图3为MappedDevice内核中各对象之间的层次关系；
图4为flashcahce数据读取流程；
图5为Linux存储层次架构。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步具体说明。
1、计算机存储加速系统
本发明的计算机存储加速系统一种计算机存储加速系统,包括国产计算机主板，国产计算机主板通过SATA、SAS或PCI-E接口连接有如SSD、PBlaze3闪存加速卡等高速存储设备，作为文件系统(VFS)和底层存储设备之间的缓存设备。如图1所示，与以往的存储方式(见图2)相比，利用高速存储介质提高了I/O效率，并降低用户I/O请求与机械磁盘直接交互的频次，从而在降低了机械磁盘的故障发生率。
作为本发明的一种实施方式，通过PCI-E插槽将PBlaze3闪存加速卡加载在国产计算机的主板上，作为文件系统(VFS)和设备驱动之间的高速缓存层，利用高速存储介质提高了I/O效率，并降低用户I/O请求与机械磁盘直接交互的频次，从而在降低了机械磁盘的故障发生率。PBlaze3闪存加速卡有创新架构以及先进方法，读数据性能带宽提升到3.5GB/s，远高于机械盘的读带宽。PBlaze3闪存加速卡还具有启动、就绪、工作三种状态并设有三色LED指示灯，便于检测管理。
2、计算机存储加速系统的优化方法
在操作系统上加载PBlaze3闪存加速卡驱动，使系统可以识别并使用PBlaze3闪存加速卡。
因Flashcache模块需要内核模块编译，所以需要查看内核版本，下载相应内核源码，安装内核源码树。
在内核中加载Flashcache加载模块，配置环境。格式化PBlaze3闪存加速卡，并通过flashcace缓存机制将PBlaze3闪存加速卡作为文件系统与底层机械盘之间的高速缓存层。通过DeviceMapper映射机制将PBlaze3闪存加速卡和普通的机械硬盘映射成一个整体的逻辑块设备，作为用户操作的接口。用户直接对这个逻辑设备执行读写操作，而不直接对快速的PBlaze3闪存加速卡或者普通硬盘操作。由于DeviceMappe是作为虚拟的块设备驱动在内核中被注册的，它不是一个真实的设备驱动，不能完成I/O的处理，因此，它主要是基于映射表对I/O进行分解、克隆和重映射，然后，I/O到达底层真实的设备驱动，启动数据传输。MappedDevice在内核中各对象的层次关系参考图3，而在Linux中的存储架构层次如图5中的虚线框。当用户发起读文件命令后，文件系统下发I/O请求，不再直接访问底层真实存储设备，而是下发到高速缓存设备上，查找数据，如果存在则直接返回给上层，进而提高读写性能，如果不存在则需要将I/O请求再次下发到真实存储设备上查找，如果找到则将数据返回给上一层并把数据写入到高速缓存中，具体I/O过程见图4。
Linux存储层次架构(针对块设备)如图5所示，对于在用户态下看到的文件，用户应用程序通过调用POSIX接口【表示可移植操作系统接口(PortableOperatingSystemInterface，POSIX标准定义了操作系统应该为应用程序提供的接口标准】来对文件进行处理。在内核态下，大致可以分为以下五个层次
1)虚拟文件系统(VFS)层。VFS层的主要作用是屏蔽其所管理的具体文件系统与上层POSIX接口之间的关系。POSIX命令经VFS层翻译之后，交给其所挂载的具体文件系统去执行。在VFS之下可以挂在NTFS、EXT4、FAT32等不同格式的文件系统。经VFS层之后，数据被封装在bio中。
2)块层(BlockLayer)，又称块设备层。该层的主要任务是将bio请求封装成块设备请求，交给下面的SCSI【SmallComputerSystemsInterface小型计算机系统接口】层进行处理。生成的块设备请求是通过队列的形式进行组织管理的。
3)SCSI层。将上层的快设备请求封装成SCSI命令，SCSI命令就已经和块设备的存储格式相关了。
4)设备驱动层。该层接收SCSI层传来的SCSI命令，将命令转换为设备请求，放入设备请求队列。
5)具体设备层。接收设备驱动层的设备请求，并对设备执行相应请求。
Flashcache是通过在文件系统和设备驱动层中间增加一层缓存层次实现的(参考图1、5)，并通过DeviceMapper映射机制将快速的缓存层和普通的机械硬盘映射成一个整体的逻辑块设备，作为用户操作的接口。Flashcache分为四个模块，调度模块(也称“读写模块”)、逻辑处理模块(也称“读写后处理模块”)、底层存储模块、以及后台清理模块。当文件系统层发出I/O请求时，首先进入调度模块，在代码中对应Flashcache_map映射函数，它是Flashcache缓存层次数据入口，所以到达逻辑设备的读写请求，最终都会经过DeviceMapper层的处理，通过Flashcache_map进入调度模块。“调度”主要是指，接收到数据后，它会根据bio请求的读写类型、是否命中缓存等因素，选择不同的处理分支，如Flashcache_read/write或者Flashcache_uncached_io，在read和write中会选择是Flashcache_read_hit/miss还是Flashcache_write_hit/miss。经过不同分支的读写，会调用底层存储模块来完成磁盘或缓存的数据读写。然后进入逻辑处理模块，再调度模块通过底层存储模块执行数据读写操作完成后回调执行，所以说它是“读写后处理模块”，它是采用状态机实现的，根据调度模块中的读写类型进行后续的处理，如读未命中情况下，磁盘读完成后，回调到逻辑处理模块，由它负责将从磁盘读取的数据写回到高速缓存设备，在这里只将需要读取的数据返回给文件系统并写回到高速缓存设备。根据数据访问的局部性原理，在这里增加写回数据内容，即在返回数据时将与目标数据相邻的多个数据块一起缓存到高速缓存层，进而增加后续读写操作的命中率，从而提高整个存储系统的性能。后台清理模块，是针对每个集合进行数据清理，它会基于两种策略对脏块做回收：(1)集合内脏块超过了阈值；(2)脏块超过了设定的空闲时间，则会被优先回收。
完成上述操作后，即可实现热门数据的缓存，从而提高大数据中热门数据读写性能，进一步提高国产计算机的存储性能。

Claims (5)

1.一种计算机存储加速系统,包括国产计算机主板，其特征在于，国产计算机主板通过SATA、SAS或PCI-E接口连接有高速存储设备作为文件系统和底层存储设备之间的缓存设备；
所述高速存储设备是指数据读写速度高于传统机械硬盘的存储设备。
2.根据权利要求1所述的计算机存储加速系统，其特征在于，国产计算机主板通过PCI-E插槽连接有PBlaze3闪存加速卡，作为文件系统和底层存储设备之间的缓存设备。
3.一种计算机存储加速系统的优化方法，其特征在于，所述计算机存储加速系统为权利要求1或2所述的计算机存储加速系统，其优化方法为：采用基于Linux内核开发的国产操作系统，通过内核加载缓存模块Flashcache，实现将底层存储设备上的数据缓存到高速存储设备上。
4.根据权利要求3所述的计算机存储加速系统的优化方法，其特征在于，所述缓存模块Flashcache通过通用设备映射机制Devicemapper将缓存设备和底层存储设备映射为同一逻辑存储设备。
5.根据权利要求4所述的计算机存储加速系统的优化方法，其特征在于，当文件系统下发I/O请求时，下发到缓存设备上，查找目标数据，如果在缓存设备上找到目标数据，则直接将目标数据返回给上层的文件系统；如果未在缓存上找到目标数据，则再下发到底层存储设备上查找，如果找到目标数据，则在将目标数据返回给上层的文件系统时，增加预读机制，即根据局部性原理，将目标数据及与目标数据相邻的多个数据块一起缓存到缓存设备上。
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