CN117056245B - 一种基于zns固态硬盘的面向日志记录应用的数据组织方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于ZNS固态硬盘的面向日志记录应用的文件数据组织方法，该方法包括以下步骤：将ZNS固态硬盘划分为多个空间分区，每个空间内部顺序写入，再次写该空间的时候需要整体重置空间。根据日志记录应用的顺序写入特性，将同一时间段内各个通道的数据顺序地写入到一个空间内，文件的大小和当前开放空间可用长度匹配，文件写完后建立文件元数据，针对每个文件，为每个通道建立物理地址索引，文件按照写入的时间顺序组织，循环覆盖的时候，从最老的记录文件开始删除。本发明利用日志记录顺序写入，循环覆盖的特点，消除固态硬盘内部垃圾回收造成的写放大，提高性能稳定性，同时提升固态硬盘寿命。
Description
技术领域
本发明涉及数据组织方法，尤其涉及一种面向日志记录应用的文件数据组织方法。
背景技术
分区命名空间固态硬盘(Zoned Namespace Solid State Disk，ZNS SSD)作为一种新型的NVMe(NVM Express)SSD，凭借高效的协议交互及良好的性能表现已在各大互联网厂商展开适配及应用。分区命名空间固态硬盘最大的优势是其规范了与上层应用的交互协议，将固态硬盘以分区进行划分，将分区信息开放给上层应用，由应用结合自身业务进行分区存储，相同生命周期的业务数据写入相同的分区，同时配合端到端融合的垃圾回收策略，以达成存储系统的高性能及低成本。
分区命名空间固态硬盘与存储系统配合优势较为明显，但其与传统固态硬盘最大的区别是其数据写入要求分区内部顺序写入，在特定的用户场景下，将所有的数据写入行为都转化为顺序写入存在较大的难度，对分区命名空间固态硬盘的推广带来较大的阻力。
相对于传统的NVMe Namespace,Zoned Namespace将一个Namespace的逻辑地址空间切分成多个空间(以下简称Zone)。Zone是Namespace内的一种固定大小的子区间，每个Zone都有一段LBA(Logical Block Address,逻辑地址空间)区间，这段区间只能顺序写，而且如果要覆盖写，则必须显示的进行一次擦除操作。这样，命名空间(Namespace)就可以把NAND内部结构的边界透露给主机，也就能够将地址映射表等内部管理工作交由主机去处理，从而减少写放大、选择合适的GC(Garbage Collection,垃圾回收)时机。
工业互联网时代，越来越多的设备通过各种数据采集装置收集自身及周边检测数据，这种记录数据通常以顺序追加为主，更新修改很少，随着时间的推移，旧的数据被循环覆盖，同时数据的写入带宽需要稳定在较高水平，否则将面临记录数据丢失的问题，这就对存储系统的性能稳定性提出了很高的要求。传统的解决方法采用文件记录的方式，将数据按文件分片保存在固态硬盘上，但是由于多路数据经过文件系统后交叉写入固态硬盘，实际上盘内数据失去了顺序写入特征，循环覆盖多轮后固态硬盘进入垃圾回收状态，造成前端写入带宽急剧下降，无法满足应用需要，另外，垃圾回收也会严重影响固态硬盘的寿命。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于ZNS固态硬盘的面向日志记录应用的文件数据组织方法，利用日志记录顺序写入，循环覆盖的特点，消除固态硬盘内部垃圾回收造成的写放大，提高性能稳定性，同时提升固态硬盘寿命。
本发明是一种面向日志记录应用的文件数据组织方法，利用ZNS固态硬盘，将闪存异位更新的特性开放给文件系统，ZNS固态硬盘划分为多个Zone分区，每个Zone内部顺序写入，再次写该Zone的时候需要整体reset Zone。根据日志记录应用的顺序写入特性，将同一时间段内各个通道的数据顺序地写入到一个Zone内，文件的大小和当前Open Zone可用长度匹配，文件写完后建立文件元数据，针对每个文件，为每个通道建立物理地址索引，文件按照写入的时间顺序组织，循环覆盖的时候，从最老的记录文件开始删除。
因为日志记录应用顺序写入，循环覆盖的特点，删除最老的记录文件的时候，会将所有通道的记录数据整个删除，因此其占用的Zone会被完整失效，只需要经过reset后就可以继续重新写入数据，完全消除了垃圾回收，性能平稳在顺序写入的最大带宽，同时，由于没有写放大，减少了固态硬盘的擦写次数，这对记录类型的应用场景特别适用，因为记录类型的应用场景数据是流式记录的，通常需要在产品生命周期内持续维持高带宽的数据写入，本发明能显著提升产品的寿命。
读记录文件的时候，支持按写入时间，从最新文件读，也可以从最老文件读，同时，还可以从任意文件读，这通过索引一张文件元数据列表实现，同时，文件通道索引表支持定位特定通道的数据。
本发明具体实现数据组织方法如下：
本发明使用ZNS固态硬盘作为存储介质，ZNS固态硬盘将存储空间划分为多个Zone分区，每个Zone分区内按顺序写入；地址管理模块操作ZNS固态硬盘，其中Zone管理模块维护当前写入Open Zone和空闲Zone，以及为空闲Zone使用之前向ZNS固态硬盘发起Reset操作，顺序写入分配模块为文件管理模块的数据写入分配连续的地址，当新文件分配的时候，从Zone管理模块得到可用的空闲Zone；文件管理模块包括文件元数据模块和数据管理模块，其中文件元数据模块按照文件编号和通道编号组织元数据，设备运行时将文件元数据缓存在内存中，并在文件追加、删除时持久化到存储设备，文件元数据的持久化存储可使用专用Zone，也可采用分离的其他存储设备。
设备接入n个通道的记录数据流，为每个通道建立数据缓存，当缓存数据达到当前文件预定大小时，将数据组织成一个大文件，持久化到当前Open Zone中，同时修改文件元数据并持久化到存储设备，数据在该文件中的组织方式按通道编号排布，一个文件占用的Zone数量根据系统配置的Open Zone数量确定。随着各通道数据的持续记录，数据将以文件的形式顺序写满整个Zone存储空间，同时，系统根据设定的记录保留容量，会将超出容量范围的最老文件删除，释放出完整的Zone供后续数据的持续写入。
进一步的，文件元数据按照文件编号和通道编号组织成一张二维索引表，首先根据文件编号定位到相对应的文件元数据，然后根据通道编号定位到该文件内的指定通道的数据记录地址，数据记录地址是由地址管理模块中的顺序写入分配模块，在文件写入的时候分配的Zone编号+偏移地址，文件写入完成的时候会更新文件元数据和各通道地址索引表。文件元数据主要用于读特定文件、特定通道记录数据时的地址索引，以及循环覆盖删除最老数据时整体回收文件所占用Zone。
进一步的，读记录文件时，首先通过文件编号找到对应的文件索引，然后从文件索引内找到对应通道编号的数据所在Zone编号+偏移地址，接着就可以向ZNS固态硬盘发起闪存读操作，最后，在ZNS固态硬盘操作闪存介质读完成后，将读数传回给应用程序。
进一步的，删除最老记录文件时，首先通过文件编号找到对应的文件索引，然后从文件索引得到文件的第一笔数据所在Zone编号+偏移地址，以及文件尾部所在Zone编号+偏移地址，就可以得知该文件占用的Zone，最后将占用的Zone数据区标记为删除，结束文件删除操作。标记为删除的Zone分区会被地址管理模块中的Zone管理模块加入到空闲Zone中，并在发起reset操作后供后续数据写入。
进一步的，本发明还包括一种存储器，用于存储计算机程序；包括处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上述数据组织方法的步骤。
进一步的，本发明还包括一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储计算机程序，所述计算机程序执行时实现如上述数据组织方法的步骤。
本发明与现有技术相比，具有的有益的效果是：通过将多个通道的数据流合并写入同一文件的方式，能灵活支持不同通道数配置的日志记录应用场景；将顺序化的写入文件绑定到ZNS固态硬盘单个Zone分区的方式，消除了传统解决方案固态硬盘内部的垃圾回收，使系统在多轮循环覆盖后不掉速，同时提升了产品使用寿命。
附图说明
附图以示例而非限制的方式大体示出了本文中所讨论的实施方式。
图1为日志记录文件系统结构图
图2为日志记录文件写入示意图
图3为文件元数据结构图
图4为读文件流程图
图5为删除文件流程图
具体实施方式
为了能够更加详尽地了解本发明实施例的特点与技术内容，下面结合附图对本发明实施例的实现进行详细阐述，所附附图仅供参考说明之用，并非用来限定本发明实施例。
本发明的数据组织方法，使用ZNS固态硬盘作为存储介质，ZNS固态硬盘将存储空间划分为多个Zone分区，每个Zone分区内按顺序写入；
如图1所示，系统包括文件管理模块和地址管理模块，其中地址管理模块操作ZNS固态硬盘，地址管理模块包括Zone管理模块以及顺序写入分配模块，其中Zone管理模块维护当前写入Open Zone和空闲Zone，以及为空闲Zone使用之前向ZNS固态硬盘发起Reset操作，顺序写入分配模块为文件管理模块的数据写入分配连续的地址，当新文件分配的时候，从Zone管理模块得到可用的空闲Zone；而文件管理模块包括文件元数据模块和数据管理模块，其中文件元数据模块按照文件编号和通道编号组织元数据，设备运行时将文件元数据缓存在内存中，并在文件追加、删除时持久化到存储设备，文件元数据的持久化存储可使用专用Zone，也可采用分离的其他存储设备。
如图2所示，设备接入n个通道的记录数据流，为每个通道建立数据缓存，当缓存数据达到当前文件预定大小时，将数据组织成一个大文件，持久化到当前Open Zone中，同时修改文件元数据并持久化到存储设备，数据在该文件中的组织方式按通道编号排布，一个文件占用的Zone数量根据系统配置的Open Zone数量确定。随着各通道数据的持续记录，数据将以文件的形式顺序写满整个Zone存储空间，同时，系统根据设定的记录保留容量，会将超出容量范围的最老文件删除，释放出完整的Zone供后续数据的持续写入。
如图3所示，文件元数据按照文件编号和通道编号组织成一张二维索引表，首先根据文件编号定位到相对应的文件元数据，然后根据通道编号定位到该文件内的指定通道的数据记录地址，数据记录地址是由地址管理模块中的顺序写入分配模块，在文件写入的时候分配的Zone编号+偏移地址，文件写入完成的时候会更新文件元数据和各通道地址索引表。文件元数据主要用于读特定文件、特定通道记录数据时的地址索引，以及循环覆盖删除最老数据时整体回收文件所占用Zone。
如图4所示，读记录文件时，首先通过文件编号找到对应的文件索引，然后从文件索引内找到对应通道编号的数据所在Zone编号+偏移地址，接着就可以向ZNS固态硬盘发起闪存读操作，最后，在ZNS固态硬盘操作闪存介质读完成后，将读数传回给应用程序。
如图5所示，删除最老记录文件时，首先通过文件编号找到对应的文件索引，然后从文件索引得到文件的第一笔数据所在Zone编号+偏移地址，以及文件尾部所在Zone编号+偏移地址，就可以得知该文件占用的Zone，最后将占用的Zone数据区标记为删除，结束文件删除操作。标记为删除的Zone分区会被地址管理模块中的Zone管理模块加入到空闲Zone中，并在发起reset操作后供后续数据写入。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于ZNS固态硬盘的面向日志记录应用的数据组织方法，其特征在于，包括：
使用ZNS固态硬盘作为存储介质，ZNS固态硬盘将存储空间划分为多个Zone分区，每个Zone分区内按顺序写入；地址管理模块操作ZNS固态硬盘，其中Zone管理模块维护当前写入Open Zone和空闲Zone，以及为空闲Zone使用之前向ZNS固态硬盘发起Reset操作，顺序写入分配模块为文件管理模块的数据写入分配连续的地址，当新文件分配的时候，从Zone管理模块得到可用的空闲Zone；文件管理模块包括文件元数据模块和数据管理模块，其中文件元数据模块按照文件编号和通道编号组织元数据，设备运行时将文件元数据缓存在内存中，并在文件追加、删除时持久化到存储设备，文件元数据的持久化存储可使用专用Zone，也可采用分离的其他存储设备；
设备接入多个通道的记录数据流，为每个所述通道建立数据缓存，当缓存数据达到当前文件预定大小时，将所述缓存数据组织成一个大文件，持久化到当前Open Zone中，同时修改文件元数据并持久化到存储设备，数据在该文件中的组织方式按通道编号排布，一个文件占用的Zone数量由系统配置的Open Zone数量确定；随着各通道数据的持续记录，数据以文件的形式顺序写满整个Zone存储空间，同时，系统根据设定的记录保留容量，将超出容量范围的最老文件删除，释放出完整的Zone供后续数据的持续写入；
其中所述文件元数据按照文件编号和通道编号组织成一张二维索引表，首先根据文件编号定位到相对应的文件元数据，然后根据通道编号定位到该文件内的指定通道的数据记录地址，数据记录地址是由地址管理模块中的顺序写入分配模块，在文件写入的时候分配的Zone编号+偏移地址，文件写入完成的时候会更新文件元数据和各通道地址索引表；文件元数据主要用于读特定文件、特定通道记录数据时的地址索引，以及循环覆盖删除最老数据时整体回收文件所占用Zone；
其中所述读特定文件时，首先通过文件编号找到对应的文件索引，然后从文件索引内找到对应通道编号的数据所在Zone编号+偏移地址，接着就可以向ZNS固态硬盘发起闪存读操作，最后，在ZNS固态硬盘操作闪存介质读完成后，将读数传回给应用程序。
2.根据权利要求1所述的数据组织方法，其中所述删除最老数据步骤为，首先通过文件编号找到对应的文件索引，然后从文件索引得到文件的第一笔数据所在Zone编号+偏移地址，以及文件尾部所在Zone编号+偏移地址，得到该文件占用的Zone，然后将占用的Zone数据区标记为删除，结束文件删除操作；标记为删除的Zone分区会被地址管理模块中的Zone管理模块加入到空闲Zone中，并在发起reset操作后供后续数据写入。
3.一种面向日志记录应用的数据写入设备，其特征在于，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1-2任一项所述数据组织方法的步骤。
4.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储计算机程序，所述计算机程序执行时实现如权利要求1-2任一项所述数据组织方法的步骤。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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