CN111694515A - 一种基于ZNS固态硬盘的zone写分发方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于ZNS固态硬盘的zone写分发方法及系统，所述方法步骤：S1.WDM核监控后端每个LKM核实时的活跃zone资源数量和空闲超级block资源数量；S2.WDM核获取各LKM核中活跃zone资源数量最大的LKM核和活跃zone资源数量最小的LKM核，并计算两者的活跃zone资源差值；S3.WDM核获取各LKM核中实时空闲超级block资源数量最大的LKM核和实时空闲超级block资源数量最小的LKM核，并计算空闲超级block资源差值；S4.当WDM核接收到前端DM核的写分发任务时，根据活跃zone资源差值及空闲超级block资源差值进行均衡，选择待分发的LKM核。

Description

一种基于ZNS固态硬盘的zone写分发方法及系统
技术领域
本发明属于存储产品稳定性技术领域，具体涉及一种基于ZNS固态硬盘的zone写分发方法及系统。
背景技术
SSD，是Solid State Drive的简称，固态驱动器，俗称固态硬盘。
ZNS，是Zoned Namespace的简称，基于zone大小的管理空间的一种NVMe协议的新特性。
super block，是SSD固件内部一种组织nand空间的块大小。
DM，dispatch Manager的简称，分发模块。
WDM，write dispatch Manager的简称，写分发管理模块。
LKM，是Linux内核为了扩展其功能所使用的可加载内核模块。
ZNS在现有技术架构下为多核并发执行，4个DM核同时取写请求，还要保证资源利用的均衡性，必须要由一个核进行分发给后端的4个LKM核才能达到最大的并发效果,那么这个写分发的核我们叫WDM核。
每个LKM核zone资源数量是一定的，并且有可能会在某种情况下将其中的某些zone资源释放掉，这样会使这个核的zone资源数量增加，现在对LKM上的资源情况进行说明：
(1)每个LKM核有16个活跃zone资源，并且有n个超级block资源，假设n＝1478；
(2)1个活跃zone资源对应一个超级block资源，当这个活跃zone资源被写满后，对应的这个超级block也被写满，剩余的超级block资源会被减一，但是活跃zone资源在被写满后会被释放，重新可用；
(3)同一时间，16个活跃zone资源可以被同时写入，也就是达到了这个LKM核的最大并发；
(4)WDM核可以感知到LKM核中那些活跃zone资源正被使用，以及当前lkm中剩余的空闲超级block的数量；
(5)WDM核可以自由决定，从DM核接收过来的zone的写，发到哪个LKM核的哪个活跃zone资源，当然，此时的活跃zone资源必须是没有被占用的；直到写满这个zone为止。
目前WDM核缺少写分发策略，在保证性能的情况下，无法进行分发的均衡，无法保证资源使用的一致性。
此为现有技术的不足，因此，针对现有技术中的上述缺陷，提供一种基于ZNS固态硬盘的zone写分发方法及系统，是非常有必要的。
发明内容
针对现有技术的上述WDM核缺少写分发策略，在保证性能的情况下，无法进行分发的均衡，无法保证资源使用的一致性的缺陷，本发明提供一种基于ZNS固态硬盘的zone写分发方法及系统，以解决上述技术问题。
第一方面，本发明提供一种基于ZNS固态硬盘的zone写分发方法，包括如下步骤：
S1.WDM核监控后端每个LKM核实时的活跃zone资源数量和空闲超级block资源数量；
S2.WDM核获取各LKM核中活跃zone资源数量最大的LKM核和活跃zone资源数量最小的LKM核，并计算两者的活跃zone资源差值；
S3.WDM核获取各LKM核中空闲超级block资源数量最大的LKM核和空闲超级block资源数量最小的LKM核，并计算空闲超级block资源差值；
S4.当WDM核接收到前端DM核的写分发任务时，根据活跃zone资源差值及空闲超级block资源差值进行均衡，选择待分发的LKM核。
进一步地，步骤S1具体步骤如下：
S11.WDM核监控后端每个LKM核实时的活跃zone资源数量和空闲超级block资源数量；
S12.当某个LKM核上的活跃zone资源数量增加或减少时，WDM核进行相应记录；
S13.当某个LKM核上的空闲超级block资源数量增加或减少时，WDM核进行相应记录；
S14.WDM核统计出各LKM核中活跃zone资源数量最大的LKM核和活跃zone资源数量最小的LKM核；
WDM核统计出各LKM核中空闲超级block资源数量最大的LKM核和空闲超级block资源数量最小的LKM核。通常，每个LKM核有16个活跃zone资源，并且有n个空闲超级block资源，n远大于16；1个活跃zone资源对应一个空闲超级block资源，当这个活跃zone资源被写满后，对应的这个空闲超级block资源也被写满，剩余的空闲超级block资源会被减一，但是活跃zone资源在被写满后会被释放，重新可用。WDM核监控LKM核中哪些活跃zone资源正被使用，以及当前LKM核中剩余的空闲超级block资源的数量。同一时间，16个活跃zone资源可以被同时写入，也就是达到了这个LKM核的最大并发。
进一步地，步骤S11之前还包括如下步骤：
S11`.系统上电，初始化活跃zone资源所在核参数；
S12`.WDM核按照设定顺序从各LKM核依次选择活跃zone资源进行写资源分配，直至分配成功，并记录活跃zone资源所在核参数。上电后，WDM核首先按照LKM核的顺序进行分发，直至WDM核可以监控到后端LKM核的均衡关系之后。
进一步地，步骤S4具体步骤如下：
S41.WDM核判断是否接收到前端DM核的写分发任务；
若是，进入步骤S42；
若否，返回步骤S1；
S42.WDM核判断是否活跃zone资源差值大于第一设定差值，空闲超级block资源差值大于第二设定差值；
当活跃zone资源差值大于第一设定差值，而空闲超级block资源差值小于第二设定差值时，WDM核选择活跃zone资源数量最小的LKM核作为待分发LKM核；
当空闲超级block资源差值大于第二设定差值，而活跃zone资源差值小于第一设定差值时，WDM核选择空闲超级block资源数量最大的LKM核作为待分发LKM核。活跃zone资源差值的条件与空闲超级block资源差值条件满足其一，则按照各自对应的设定进行LKM核分发。
进一步地，步骤S42中，当活跃zone资源差值大于第一设定差值，且空闲超级block资源差值大于第二设定差值时，WDM核选择空闲超级block资源数量最大的LKM核作为待分发LKM核。活跃zone资源差值的条件与空闲超级block资源差值条件均满足时，则优先按照空闲超级block资源进行LKM核分发。
进一步地，步骤S42中，当活跃zone资源差值大于第一设定差值，且空闲超级block资源差值小于第二设定差值时，
或者，当空闲超级block资源差值大于第二设定差值，且活跃zone资源差值小于第一设定差值时，
WDM核选择待分发LKM核失败时，进入步骤S43；
S43.WDM核按照设定顺序从各LKM核依次选择活跃zone资源进行写资源分配，直至分配成功。活跃zone资源差值的条件与空闲超级block资源差值条件均满足，确仍然选择LKM核失败时，进行顺序分发。
进一步地，步骤S43中，当WDM核按照设定顺序从各LKM核依次选择活跃zone资源分配仍然失败时，判定没有活跃zone资源可用。进行LKM核顺序分发仍然失败，判定没有活跃zone资源可分配。
进一步地，第一设定差值取3，第二设定差值取10。
第二方面，本发明提供一种基于ZNS固态硬盘的zone写分发系统，包括
LKM核监控模块，用于通过WDM核监控后端每个LKM核实时的活跃zone资源数量和空闲超级block资源数量；
活跃zone资源差值计算模块，用于通过WDM核获取各LKM核中活跃zone资源数量最大的LKM核和活跃zone资源数量最小的LKM核，并计算两者的活跃zone资源差值；
空闲超级block资源差值计算模块，用于通过WDM核获取各LKM核中空闲超级block资源数量最大的LKM核和空闲超级block资源数量最小的LKM核，并计算空闲超级block资源差值；
待分发的LKM核选择模块，用于当WDM核接收到前端DM核的写分发任务时，根据活跃zone资源差值及空闲超级block资源差值进行均衡，选择待分发的LKM核。
进一步地，待分发的LKM核选择模块包括：
前端写分发任务判断单元，用于通过WDM核判断是否接收到前端DM核的写分发任务；
差值判断单元，用于通过WDM核判断是否活跃zone资源差值大于第一设定差值，空闲超级block资源差值大于第二设定差值；
第一待分发LKM核选择单元，用于当活跃zone资源差值大于第一设定差值，而空闲超级block资源差值小于第二设定差值时，通过WDM核选择活跃zone资源数量最小的LKM核作为待分发LKM核；
第二待分发LKM核选择单元，用于当空闲超级block资源差值大于第二设定差值，而活跃zone资源差值小于第一设定差值时，通过WDM核选择空闲超级block资源数量最大的LKM核作为待分发LKM核；
第三待分发LKM核选择单元，用于当活跃zone资源差值大于第一设定差值，且空闲超级block资源差值大于第二设定差值时，WDM核选择空闲超级block资源数量最大的LKM核作为待分发LKM核；
第四待分发LKM核选择单元，用于当活跃zone资源差值大于第一设定差值，且空闲超级block资源差值小于第二设定差值时，
或者，当空闲超级block资源差值大于第二设定差值，且活跃zone资源差值小于第一设定差值时，WDM核选择待分发LKM核失败时，通过WDM核按照设定顺序从各LKM核依次选择活跃zone资源进行写资源分配，直至分配成功。
本发明的有益效果在于，
本发明提供的基于ZNS固态硬盘的zone写分发方法及系统，通过均衡的使用后端的LKM核并发资源，实现性能和资源使用均衡的平衡，处理简单，效率高，降低了算法复杂度。
此外，本发明设计原理可靠，结构简单，具有非常广泛的应用前景。
由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步，其实施的有益效果也是显而易见的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的方法流程示意图一；
图2是本发明的方法流程示意图二；
图3为本发明的系统示意图；
图中，1-LKM核监控模块；2-活跃zone资源差值计算模块；3-空闲超级block资源差值计算模块；4-待分发的LKM核选择模块；4.1-前端写分发任务判断单元；4.2-差值判断单元；4.3-第一待分发LKM核选择单元；4.4-第二待分发LKM核选择单元；4.5-第三待分发LKM核选择单元；4.6-第四待分发LKM核选择单元。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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，所描述的实施例仅仅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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
实施例1：
如图1所示，本发明提供一种基于ZNS固态硬盘的zone写分发方法，包括如下步骤：
S1.WDM核监控后端每个LKM核实时的活跃zone资源数量和空闲超级block资源数量；
S2.WDM核获取各LKM核中活跃zone资源数量最大的LKM核和活跃zone资源数量最小的LKM核，并计算两者的活跃zone资源差值；
S3.WDM核获取各LKM核中空闲超级block资源数量最大的LKM核和空闲超级block资源数量最小的LKM核，并计算空闲超级block资源差值；
S4.当WDM核接收到前端DM核的写分发任务时，根据活跃zone资源差值及空闲超级block资源差值进行均衡，选择待分发的LKM核。
实施例2：
如图2所示，本发明提供一种基于ZNS固态硬盘的zone写分发方法，包括如下步骤：
S1.WDM核监控后端每个LKM核实时的活跃zone资源数量和空闲超级block资源数量；具体步骤如下：
S11.WDM核监控后端每个LKM核实时的活跃zone资源数量和空闲超级block资源数量；
S12.当某个LKM核上的活跃zone资源数量增加或减少时，WDM核进行相应记录；
S13.当某个LKM核上的空闲超级block资源数量增加或减少时，WDM核进行相应记录；
S14.WDM核统计出各LKM核中活跃zone资源数量最大的LKM核和活跃zone资源数量最小的LKM核；
WDM核统计出各LKM核中空闲超级block资源数量最大的LKM核和空闲超级block资源数量最小的LKM核；
S2.WDM核获取各LKM核中活跃zone资源数量最大的LKM核和活跃zone资源数量最小的LKM核，并计算两者的活跃zone资源差值；
S3.WDM核获取各LKM核中空闲超级block资源数量最大的LKM核和空闲超级block资源数量最小的LKM核，并计算空闲超级block资源差值；
S4.当WDM核接收到前端DM核的写分发任务时，根据活跃zone资源差值及空闲超级block资源差值进行均衡，选择待分发的LKM核；具体步骤如下：
S41.WDM核判断是否接收到前端DM核的写分发任务；
若是，进入步骤S42；
若否，返回步骤S1；
S42.WDM核判断是否活跃zone资源差值大于第一设定差值，空闲超级block资源差值大于第二设定差值；
当活跃zone资源差值大于第一设定差值，而空闲超级block资源差值小于第二设定差值时，WDM核选择活跃zone资源数量最小的LKM核作为待分发LKM核；
当空闲超级block资源差值大于第二设定差值，而活跃zone资源差值小于第一设定差值时，WDM核选择空闲超级block资源数量最大的LKM核作为待分发LKM核；
当活跃zone资源差值大于第一设定差值，且空闲超级block资源差值大于第二设定差值时，WDM核选择空闲超级block资源数量最大的LKM核作为待分发LKM核；
当活跃zone资源差值大于第一设定差值，且空闲超级block资源差值小于第二设定差值时，
或者，当空闲超级block资源差值大于第二设定差值，且活跃zone资源差值小于第一设定差值时，
WDM核选择待分发LKM核失败时，进入步骤S43；
S43.WDM核按照设定顺序从各LKM核依次选择活跃zone资源进行写资源分配，直至分配成功；
当WDM核按照设定顺序从各LKM核依次选择活跃zone资源分配仍然失败时，判定没有活跃zone资源可用。
上述实施例2中，步骤S11之前还包括如下步骤：
S11`.系统上电，初始化活跃zone资源所在核参数；
S12`.WDM核按照设定顺序从各LKM核依次选择活跃zone资源进行写资源分配，直至分配成功，并记录活跃zone资源所在核参数。
上述实施例2中，第一设定差值取3，第二设定差值取10。
实施例3：
如图3所示，本发明提供一种基于ZNS固态硬盘的zone写分发系统，包括：
LKM核监控模块1，用于通过WDM核监控后端每个LKM核实时的活跃zone资源数量和空闲超级block资源数量；
活跃zone资源差值计算模块2，用于通过WDM核获取各LKM核中活跃zone资源数量最大的LKM核和活跃zone资源数量最小的LKM核，并计算两者的活跃zone资源差值；
空闲超级block资源差值计算模块3，用于通过WDM核获取各LKM核中空闲超级block资源数量最大的LKM核和空闲超级block资源数量最小的LKM核，并计算空闲超级block资源差值；
待分发的LKM核选择模块4，用于当WDM核接收到前端DM核的写分发任务时，根据活跃zone资源差值及空闲超级block资源差值进行均衡，选择待分发的LKM核；待分发的LKM核选择模块4包括：
前端写分发任务判断单元4.1，用于通过WDM核判断是否接收到前端DM核的写分发任务；
差值判断单元4.2，用于通过WDM核判断是否活跃zone资源差值大于第一设定差值，空闲超级block资源差值大于第二设定差值；
第一待分发LKM核选择单元4.3，用于当活跃zone资源差值大于第一设定差值，而空闲超级block资源差值小于第二设定差值时，通过WDM核选择活跃zone资源数量最小的LKM核作为待分发LKM核；
第二待分发LKM核选择单元4.4，用于当空闲超级block资源差值大于第二设定差值，而活跃zone资源差值小于第一设定差值时，通过WDM核选择空闲超级block资源数量最大的LKM核作为待分发LKM核；
第三待分发LKM核选择单元4.5，用于当活跃zone资源差值大于第一设定差值，且空闲超级block资源差值大于第二设定差值时，WDM核选择空闲超级block资源数量最大的LKM核作为待分发LKM核；
第四待分发LKM核选择单元4.6，用于当活跃zone资源差值大于第一设定差值，且空闲超级block资源差值小于第二设定差值时，
或者，当空闲超级block资源差值大于第二设定差值，且活跃zone资源差值小于第一设定差值时，WDM核选择待分发LKM核失败时，通过WDM核按照设定顺序从各LKM核依次选择活跃zone资源进行写资源分配，直至分配成功。
尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于ZNS固态硬盘的zone写分发方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.WDM核监控后端每个LKM核实时的活跃zone资源数量和空闲超级block资源数量；
S2.WDM核获取各LKM核中活跃zone资源数量最大的LKM核和活跃zone资源数量最小的LKM核，并计算两者的活跃zone资源差值；
S3.WDM核获取各LKM核中空闲超级block资源数量最大的LKM核和空闲超级block资源数量最小的LKM核，并计算空闲超级block资源差值；
S4.当WDM核接收到前端DM核的写分发任务时，根据活跃zone资源差值及空闲超级block资源差值进行均衡，选择待分发的LKM核。
2.如权利要求1所述的基于ZNS固态硬盘的zone写分发方法，其特征在于，步骤S1具体步骤如下：
S11.WDM核监控后端每个LKM核实时的活跃zone资源数量和空闲超级block资源数量；
S12.当某个LKM核上的活跃zone资源数量增加或减少时，WDM核进行相应记录；
S13.当某个LKM核上的空闲超级block资源数量增加或减少时，WDM核进行相应记录；
S14.WDM核统计出各LKM核中活跃zone资源数量最大的LKM核和活跃zone资源数量最小的LKM核；
WDM核统计出各LKM核中空闲超级block资源数量最大的LKM核和空闲超级block资源数量最小的LKM核。
3.如权利要求2所述的基于ZNS固态硬盘的zone写分发方法，其特征在于，步骤S11之前还包括如下步骤：
S11`.系统上电，初始化活跃zone资源所在核参数；
S12`.WDM核按照设定顺序从各LKM核依次选择活跃zone资源进行写资源分配，直至分配成功，并记录活跃zone资源所在核参数。
4.如权利要求1所述的基于ZNS固态硬盘的zone写分发方法，其特征在于，步骤S4具体步骤如下：
S41.WDM核判断是否接收到前端DM核的写分发任务；
若是，进入步骤S42；
若否，返回步骤S1；
S42.WDM核判断是否活跃zone资源差值大于第一设定差值，空闲超级block资源差值大于第二设定差值；
当活跃zone资源差值大于第一设定差值，而空闲超级block资源差值小于第二设定差值时，WDM核选择活跃zone资源数量最小的LKM核作为待分发LKM核；
当空闲超级block资源差值大于第二设定差值，而活跃zone资源差值小于第一设定差值时，WDM核选择空闲超级block资源数量最大的LKM核作为待分发LKM核。
5.如权利要求4所述的基于ZNS固态硬盘的zone写分发方法，其特征在于，步骤S42中，当活跃zone资源差值大于第一设定差值，且空闲超级block资源差值大于第二设定差值时，WDM核选择空闲超级block资源数量最大的LKM核作为待分发LKM核。
6.如权利要求4所述的基于ZNS固态硬盘的zone写分发方法，其特征在于，步骤S42中，当活跃zone资源差值大于第一设定差值，且空闲超级block资源差值小于第二设定差值时，
或者，当空闲超级block资源差值大于第二设定差值，且活跃zone资源差值小于第一设定差值时，
WDM核选择待分发LKM核失败时，进入步骤S43；
S43.WDM核按照设定顺序从各LKM核依次选择活跃zone资源进行写资源分配，直至分配成功。
7.如权利要求6所述的基于ZNS固态硬盘的zone写分发方法，其特征在于，步骤S43中，当WDM核按照设定顺序从各LKM核依次选择活跃zone资源分配仍然失败时，判定没有活跃zone资源可用。
8.如权利要求4或5或6所述的基于ZNS固态硬盘的zone写分发方法，其特征在于，第一设定差值取3，第二设定差值取10。
9.一种基于ZNS固态硬盘的zone写分发系统，其特征在于，包括
LKM核监控模块(1)，用于通过WDM核监控后端每个LKM核实时的活跃zone资源数量和空闲超级block资源数量；
活跃zone资源差值计算模块(2)，用于通过WDM核获取各LKM核中活跃zone资源数量最大的LKM核和活跃zone资源数量最小的LKM核，并计算两者的活跃zone资源差值；
空闲超级block资源差值计算模块(3)，用于通过WDM核获取各LKM核中空闲超级block资源数量最大的LKM核和空闲超级block资源数量最小的LKM核，并计算空闲超级block资源差值；
待分发的LKM核选择模块(4)，用于当WDM核接收到前端DM核的写分发任务时，根据活跃zone资源差值及空闲超级block资源差值进行均衡，选择待分发的LKM核。
10.如权利要求9所述的基于ZNS固态硬盘的zone写分发系统，其特征在于，待分发的LKM核选择模块(4)包括：
前端写分发任务判断单元(4.1)，用于通过WDM核判断是否接收到前端DM核的写分发任务；
差值判断单元(4.2)，用于通过WDM核判断是否活跃zone资源差值大于第一设定差值，空闲超级block资源差值大于第二设定差值；
第一待分发LKM核选择单元(4.3)，用于当活跃zone资源差值大于第一设定差值，而空闲超级block资源差值小于第二设定差值时，通过WDM核选择活跃zone资源数量最小的LKM核作为待分发LKM核；
第二待分发LKM核选择单元(4.4)，用于当空闲超级block资源差值大于第二设定差值，而活跃zone资源差值小于第一设定差值时，通过WDM核选择空闲超级block资源数量最大的LKM核作为待分发LKM核；
第三待分发LKM核选择单元(4.5)，用于当活跃zone资源差值大于第一设定差值，且空闲超级block资源差值大于第二设定差值时，WDM核选择空闲超级block资源数量最大的LKM核作为待分发LKM核；
第四待分发LKM核选择单元(4.6)，用于当活跃zone资源差值大于第一设定差值，且空闲超级block资源差值小于第二设定差值时，
或者，当空闲超级block资源差值大于第二设定差值，且活跃zone资源差值小于第一设定差值时，WDM核选择待分发LKM核失败时，通过WDM核按照设定顺序从各LKM核依次选择活跃zone资源进行写资源分配，直至分配成功。
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