CN107589908A - 一种基于固态盘缓存系统中非对齐更新数据的合并方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种基于固态盘缓存系统中非对齐更新数据的合并方法，基于FTL页级映射模块，重新设计了页级映射模块结构和添加了合并页映射模块结构，实现了将缓存系统中来自于多个逻辑块的非对齐更新数据通过合并后存储至固态盘中，保证了物理上可用存储空间的最大利用率；同时针对非对齐更新操作所带来的写更新读损耗，优化了写更新操作带来的额外读操作请求的性能损耗；另一方面，由于通过合并写入充分减少了固态盘的实际写入次数，因此内部的可用存储空间得到了最大化的利用，使得内部的垃圾回收操作触发率降低，因此间接延长了固态盘的使用寿命。

Description

一种基于固态盘缓存系统中非对齐更新数据的合并方法

技术领域

本发明涉及存储系统技术领域，具体涉及一种基于固态盘缓存系统中非对齐更新数据的合并方法。

背景技术

相比于传统机械磁盘，基于闪存的固态盘由于在性能、能耗、可靠性和尺寸的绝对优势而被广泛应用于便携式计算机系统、桌面计算机系统、大型服务器系统以及高性能计算系统中。而由于闪存本身特殊的存储特性，在上层IO请求分布到固态盘中时，闪存转换层会将每个IO请求按照页级规格划分为一个或者多个子请求在固态盘内部分别进行处理，因此其缓存系统内部会广泛存在非对齐的更新数据，这些非对齐的更新数据在存储时会带来额外的系统开销以及性能损耗。另外，对于固态盘的缓存系统而言，并未对这些非对齐的更新数据做针对性的优化。固态盘存储系统中非对齐更新数据的存储会带来以下的问题：

(1)由于闪存的读写单位以闪存页为基本规格，因此非对齐的数据存储会导致额外物理存储空间的浪费。

(2)非对齐的数据更新可能会带来固态盘中写更新的现象，因为固态盘无法支持原地覆盖写，因此写更新操作会导致在写操作完成之前，必须要额外附加一个读操作，将固态盘中原物理数据页的有效数据读取至缓存中，合并后再写回至固态盘中，整个写更新处理过程分为一次读操作和一次写操作。

(3)由于固态盘底层对于IO请求的处理时是以页级规格的一个或多个子请求分别进行处理，因此非对齐数据的存储会增加底层处理队列的负载压力。

(4)非对齐的数据存储不仅会浪费额外的物理可用存储空间，甚至会间接加剧固态盘内部的垃圾回收频率，影响固态盘的整体性能。

虽然传统的FTL可以有效地封装和隐藏固态盘底层的具体实现，直接提供统一的存储功能接口给上层系统，然而随着大数据时代的到来，数据量呈现爆炸式增长，与此同时对于IO效率的要求也随着越来越高，因此对于采取页级映射处理机制的FTL来说，传统的方法并不能避免由于非对齐更新数据所带来的负面影响，而由于非对齐更新数据在处理和存储时由于固态盘本身固有的特殊物理介质特性，必然会导致上述问题的产生。

因此，亟须设计一种基于页级映射机制的新型固态盘闪存转换层架构，针对这类非对齐更新数据进行合并优化，从存储效率和内部系统架构优化上提高固态盘存储系统的整体性能。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，公开了一种基于固态盘缓存系统中非对齐更新数据的合并方法。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种基于固态盘缓存系统中非对齐更新数据的合并方法，所述的合并方法包括下列步骤：

A1、初始化缓存区域，对于所有到达缓存区域的写数据，除了维持所有缓存数据节点的LRU队列，根据对齐和不对齐的数据类型将所有的写数据分别设置在对齐缓存数据区域和非对齐缓存数据区域，两个区域内的数据节点分别用LRU队列维持；

A2、判断到达的请求是写操作还是读操作；

A3、根据到达的IO请求类型，分类处理缓存命中与非命中的情况，对于到达的写请求操作，则要判断将该数据写入缓存后缓存区域的空闲空间情况，是否需要执行数据写回的操作；

A4、处理写请求时若缓存区域空闲空间不为0，则直接将数据写入缓存，结束处理流程；

A5、缓存写回的合并处理，判断缓存数据节点写回时的对齐情况，对齐的数据节点则直接分布至固态盘的闪存阵列中处理，非对齐的数据节点则要根据非对齐缓存数据区域的大小情况以及是否发生写更新判断是否执行合并写回，同时更新页级映射模块和合并页映射模块的映射关系；

A6、读请求时若缓存读命中，则直接返回数据，结束处理流程；

A7、未命中的读请求处理时，根据页级映射模块判断是否为multi_read操作类型，不为multi_read操作类型的读请求则直接分布至固态盘的闪存阵列中处理，对于multi_read操作类型的读请求，则继续判断是否为需要读页级映射模块，需要读时要从页级映射模块和合并页映射模块分别获取映射信息，而不需要时则只根据合并页映射模块获取映射信息，最后将多个处理后的multi_read_request分布至固态盘闪存阵列中处理。

进一步地，所述的步骤A5、缓存写回的合并处理具体如下：

根据LRU队列尾部数据节点判断对齐情况；

对齐的数据节点则直接创建write_request挂载到处理队列，等待分布至固态盘闪存阵列中处理；

非对齐类型的数据节点，则先判断当前非对齐缓存区域的空间大小，当大小大于等于闪存页的存储空间时，则执行多个非对齐数据节点的合并写回，当大小小于闪存页的存储空间时，则默认先写回对齐缓存区域的数据节点。

进一步地，所述的步骤A5、缓存写回的合并处理时所述的页级映射模块和合并页映射模块的处理过程具体如下：

多个非对齐类型数据节点合并写回时，判断其中是否存在有数据节点写回时发生写更新操作，若发生写更新操作的数据节点，则默认保留页级映射模块中的映射信息；而若写回时没有发生写更新操作，则先设置页级映射模块中映射信息为无效状态，然后再添加和更新合并页映射模块中的映射信息。

进一步地，所述的步骤A7、未命中的读请求处理具体如下：

对于要读取的逻辑块标志不为multi_read操作类型的读请求，则直接创建read_request挂载到处理队列，等待分布至固态盘闪存阵列中处理；

对于要读取的逻辑块标志为multi_read时，要根据页级映射模块判断读取的逻辑块的write_update标志是否设置为有效状态，对于write_update标志的逻辑块，读操作需要根据页级映射模块和合并页映射模块获取逻辑块的映射信息，而不为write_update标志的读请求则直接根据合并页映射模块获取逻辑块的映射信息；

完成映射信息的获取后再创建多个multi_read_request请求挂载到处理队列，等待分布至固态盘闪存阵列中处理。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)本发明主要用于优化固态盘存储系统中的非对齐更新数据，与传统的固态盘闪存转换层架构相比，本发明提出的合并算法可以充分减少非对齐更新数据所导致的性能和存储空间的损耗。

(2)本发明避免了由于非对齐更新数据所导致的额外读操作损耗，可以有效的提高固态盘存储系统整体的写请求处理效率。

(3)本发明基于合并非对齐更新数据而充分减少了固态盘的写入次数，因此也间接充分减少了内部垃圾回收的次数，提高了固态盘内部垃圾回收的效率。

附图说明

图1是本发明公开的一种基于固态盘缓存系统中非对齐更新数据的合并方法的步骤流程图；

图2是本发明公开的一种基于固态盘缓存系统中非对齐更新数据的合并方法的页级映射模块中映射表项的结构示意图；

图3时本发明公开的一种基于固态盘缓存系统中非对齐更新数据的合并方法的合并页映射模块中映射表项的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本发明实施例实现了一个针对固态盘缓存系统中非对齐数据进行合并存储的闪存转换层架构，并对其中的写更新现象进行优化。固态盘存储系统中由于非对齐存储会导致一些额外的性能损耗，本发明实施例通过重新设计固态盘存储系统的映射模块与缓存架构，通过合并缓存模块中的非对齐数据充分利用了固态盘的可用存储空间，避免由于非对齐存储导致的额外存储开销，并且由于减少了固态盘的写入次数，也间接优化了垃圾回收的效率。

同时，本发明实施例公开的基于固态盘缓存系统非对齐数据的合并方法可避免由于非对齐更新操作导致的额外读操作，从而优化了固态盘存储系统读写性能不平衡的缺点，提高了固态盘存储系统的写处理性能。

根据附图1所示，本实施例公开额一种基于固态盘缓存系统中非对齐更新数据的合并方法具体包括以下步骤：

A1、初始化缓存区域，对于所有到达缓存区域的写数据，除了维持所有缓存数据节点的LRU队列，根据对齐和不对齐将所有的写数据分别设置在对齐缓存数据区域和非对齐缓存数据区域，两个区域内的数据节点分别用LRU队列维持；

具体初始化缓存区域的过程中，划分对齐类型数据节点和非对齐类型数据节点是根据到达缓存模块中的数据节点经闪存转换层分布后的数据量大小，划分对齐类型与非对齐类型的目的在于可以根据非对齐缓存区域的空间大小情况决定是否可以执行合并写回操作。

A2、根据到达的请求判断是写操作还是读操作。

A3、根据到达的IO请求类型，分类处理缓存命中与非命中的情况；对于到达的写请求操作，则要判断将该数据写入缓存后缓存区域的空闲空间情况，是否需要执行数据写回的操作；

具体分类处理的过程中，缓存命中的情况分为读命中和写命中，对于直接命中的请求则直接可以结束处理流程；而未命中的情况分为读未命中和写未命中，读未命中的请求需要根据页级映射模块和合并页映射模块处理，写未命中的请求则直接将数据写至缓存区域中。

A4、处理写请求时若缓存区域空闲空间不为0，则直接将数据写入缓存，结束处理流程。

A5、缓存写回的合并处理，判断缓存数据节点写回时的对齐情况；对齐类型的数据节点则直接分布至固态盘的闪存阵列中处理；非对齐类型的数据节点则要根据非对齐缓存数据区域的大小情况以及是否发生写更新判断是否执行合并写回，同时更新页级映射模块和合并页映射模块的映射关系；

具体缓存写回的合并处理过程中，先根据缓存系统中LRU队列尾部数据节点判断数据节点的对齐情况；对齐类型的数据节点则直接创建write_request挂载到处理队列，等待分布至固态盘闪存阵列中处理；非对齐的数据节点，则先判断当前非对齐缓存区域的空间大小，当大小大于等于闪存页的存储空间时，则执行多个非对齐数据节点的合并写回，当大小小于闪存页的存储空间时，则默认先写回对齐缓存区域的数据节点。

当非对齐缓存区域中多个非对齐类型数据节点合并写回时，需要判断其中是否存在有数据节点写回时发生写更新操作，对于发生写更新操作的数据节点，则默认保留页级映射模块中的映射信息，再添加和更新合并页映射模块中的映射信息；而若写回时没有导致写更新操作的话，则先设置逻辑块对应的页级映射模块中映射信息为无效状态，并且添加和更新合并页映射模块中的映射信息。

A6、读请求时若缓存读命中，则直接返回数据，结束处理流程。

A7、未命中的读请求处理时，根据页级映射模块判断是否为multi_read操作类型，不为multi_read操作类型的读请求则直接分布至固态盘的闪存阵列中处理；对于multi_read操作类型的读请求，则继续判断是否为需要读页级映射模块，需要读取时要从页级映射模块和合并页映射模块分别获取映射信息，而不需要时则只根据合并页映射模块获取映射信息，最后将多个处理后的multi_read_request分布至固态盘闪存阵列中处理。

具体的未命中的读请求处理过程中，当读取的逻辑块标志不为multi_read时，则直接创建read_request挂载到处理队列，等待分布至固态盘闪存阵列中处理；而读取的逻辑块标志为multi_read时，要根据页级映射模块判断读取的逻辑块的write_update标志是否设置为有效状态，对于write_update标志的逻辑块，读操作需要根据页级映射模块和合并页映射模块获取逻辑块的映射信息，而不为write_update标志的读请求则直接根据合并页映射模块获取逻辑块的映射信息；完成映射信息的获取后再创建多个multi_read_request请求挂载到处理队列，等待分布至固态盘闪存阵列中处理。

实施例二

基于闪存的固态盘由于其卓越的存储性能，已被广泛应用于数据中心等重要的存储设施中。而在固态盘缓存系统中存在的非对齐更新数据会由于闪存系统本身特殊的存储性质而导致存储系统性能和存储空间的损耗。本发明实施例通过重构闪存转换层FTL的映射架构，实现了将缓存系统中来自于多个逻辑块的非对齐更新数据合并后存储至固态盘中，保证了物理上可用存储空间的最大利用率；同时针对非对齐更新操作所带来的写更新读损耗，优化了写更新操作带来的额外读操作请求的损耗；另一方面，由于通过合并写入充分减少了固态盘的实际写入次数，因此内部的可用存储空间得到了最大化的利用，使得内部的垃圾回收操作触发率降低，因此间接延长了固态盘的使用寿命。

如图1所示，本发明公开的基于固态盘缓存系统中非对齐更新数据的合并方法的流程如下步骤：

在缓存数据处理过程中，为对齐类型缓存数据和非对齐类型缓存数据分别设置缓存区域。对齐缓存区域用于缓存对齐类型数据节点，非对齐缓存区域用于缓存非对齐类型数据节点。

映射模块的设计时本发明的核心内容所在，对于页级映射模块中的每一个表项，都如图2所示，每一个表项对应着唯一的一个逻辑块的映射信息；其中，LPN表示逻辑块号，PPN表示对应的物理页号，Write_update是一个标志，代表该逻辑块是否导致写更新操作；Multi_write标志代表该逻辑块是否发生过合并写；Multi_read标志表示读取该逻辑块数据时是否需要mutli_read；Merge_store是一个位图索引，表示该逻辑块在合并页映射模块中对应的索引表项。

如图3所示，当发生非对齐缓存区域中多个非对齐缓存节点的合并写回时，需要在合并页映射模块中添加和更新相应的合并页映射表项。对于添加的每一个表项，都如图3所示，其中，LPN表示非对齐缓存节点对应的逻辑块号，BIT_MAP表示非对齐缓存节点在闪存物理存储页上存储位置，单位以扇区(512byte)，PPN表示对应的合并页物理页号。

综上所述，本发明利用非对齐缓存数据的缓存区域，将来自多个逻辑块的多个非对齐缓存数据合并写回，并利用重构后的映射模块系统，优化了非对齐写数据所导致的写更新性能损耗；通过合并写回，可以充分减少固态盘的写入次数，从而扩大了固态盘的可用存储空间，同时也间接的减少了垃圾回收的触发概率。本发明提供的方案能够较好的适应不同应用场景下的负载，通过减少固态盘的写入次数，从而提高固态盘存储系统的整体性能。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于固态盘缓存系统中非对齐更新数据的合并方法，其特征在于，所述的合并方法包括下列步骤：

A1、初始化缓存区域，对于所有到达缓存区域的写数据，除了维持所有缓存数据节点的LRU队列，根据对齐和不对齐的数据类型将所有的写数据分别设置在对齐缓存数据区域和非对齐缓存数据区域，两个区域内的数据节点分别用LRU队列维持；

A2、判断到达的请求是写操作还是读操作；

A3、根据到达的IO请求类型，分类处理缓存命中与非命中的情况，对于到达的写请求操作，则要判断将该数据写入缓存后缓存区域的空闲空间情况，是否需要执行数据写回的操作；

A4、处理写请求时若缓存区域写入后空闲空间不为0，则直接将数据写入缓存，结束处理流程；

A5、缓存写回的合并处理，判断缓存数据节点写回时的对齐情况，对齐的数据节点则直接分布至固态盘的闪存阵列中处理，非对齐的数据节点则要根据非对齐缓存数据区域的大小情况以及是否发生写更新判断是否执行合并写回，同时更新页级映射模块和合并页映射模块的映射关系；

A6、读请求时若缓存读命中，则直接返回数据，结束处理流程；

A7、未命中的读请求处理时，根据页级映射模块判断是否为multi_read操作类型，不为multi_read操作类型的读请求则直接分布至固态盘的闪存阵列中处理，对于multi_read操作类型的读请求，则继续判断是否为需要读页级映射模块，需要读时要从页级映射模块和合并页映射模块分别获取映射信息，而不需要时则只根据合并页映射模块获取映射信息，最后将多个处理后的multi_read_request分布至固态盘闪存阵列中处理。

2.根据权利要求1所述的一种基于固态盘缓存系统中非对齐更新数据的合并方法，其特征在于，所述的步骤A5、缓存写回的合并处理具体如下：

根据LRU队列尾部数据节点判断对齐情况；

对齐的数据节点则直接创建write_request挂载到处理队列，等待分布至固态盘闪存阵列中处理；

非对齐的数据节点，则先判断当前非对齐缓存区域的空间大小，当大小大于等于闪存页的存储空间时，则执行多个非对齐数据节点的合并写回，当大小小于闪存页的存储空间时，则默认先写回对齐缓存区域的数据节点。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于固态盘缓存系统中非对齐更新数据的合并方法，其特征在于，所述的步骤A5、缓存写回的合并处理时所述的页级映射模块和合并页映射模块的处理过程具体如下：

多个非对齐数据节点合并写回时，判断其中是否存在有数据节点写回时发生写更新操作，若发生写更新操作的数据节点，则默认保留页级映射模块中的映射信息；而若写回时没有发生写更新操作，则先设置页级映射模块中映射信息为无效状态，然后再添加和更新合并页映射模块中的映射信息。

4.根据权利要求1所述的一种基于固态盘缓存系统中非对齐更新数据的合并方法，其特征在于，所述的步骤A7、未命中的读请求处理具体如下：

对于要读取的逻辑块标志不为multi_read操作类型的读请求，则直接创建read_request挂载到处理队列，等待分布至固态盘闪存阵列中处理；

对于要读取的逻辑块标志为multi_read时，要根据页级映射模块判断读取的逻辑块的write_update标志是否设置为有效状态，对于write_update标志的逻辑块，读操作需要根据页级映射模块和合并页映射模块获取逻辑块的映射信息，而不为write_update标志的读请求则直接根据合并页映射模块获取逻辑块的映射信息；

完成映射信息的获取后再创建多个multi_read_request请求挂载到处理队列，等待分布至固态盘闪存阵列中处理。