CN117370277A - 一种利用存储设备的文件访问系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种利用存储设备的文件访问系统及方法，属于文件访问领域。该系统包括：Host端和存储设备端，Host端包括用户库U‑lib和内核驱动器K‑lib；存储设备端中的一个控制器核心包括一个设备固件运行时Firm‑RT。设备固件运行时Firm‑RT创建文件系统分区，在文件系统分区中为每个文件系统设置了一个属性标志位，在需要使用文件系统处理调用时，依据属性标志位将对应的文件系统加载到设备固件运行时Firm‑RT上，使得文件系统与存储设备分离，并在使用时动态地将文件系统加载到Firm‑RT上，同时还可以根据用户需求选择不同的文件系统，实现了可替换的功能，使得文件系统的使用场景更加灵活。
Description
技术领域
本发明涉及文件访问领域，特别是涉及一种利用存储设备的文件访问系统及方法。
背景技术
随着SSD和SCM等高速存储设备的出现，在过去十年中计算机存储系统发生了巨大变化，存储访问的延迟已经从毫秒级时代进步到微秒级时代。虽然新型存储设备给计算机系统的存储层次带来了变化，但是随着数据密集型工作负载的增加以及摩尔定律和Dennard定律的放缓，内存墙仍然是整个系统的性能瓶颈。为了减少数据移动的开销，近存计算(NearDataProcessing，NDP)被提出，并且随着2.5D和3D堆叠的发展，正在成为一种可行的、有前景的解决方法。
由于存储器带宽的大幅上升和延迟的快速下降，软件开销逐渐成为存储通路上的性能瓶颈。为了充分发掘存储系统的潜力，存储堆栈已经做出了改变。文件系统作为存储栈软件最重要的部分，应该被重新设计以减少软件的开销，特别是操作系统内核在数据路径上的参与。目前已经有很多研究讨论文件系统位置的可能性，按照位置可以将其将划分为三类：(1)内核文件系统(Kernel-FS)，(2)用户文件系统(Userspace-FS)，以及(3)固件文件系统(Firm-FS)。许多典型的文件系统都是Kernel-FS，包括Ext4，XFS等；Userspace-FS主要是为了绕过内核，典型代表是Aerie、Strata；Firm-FS将部分或全部文件系统工作卸载到存储设备固件中，代表是DevFS、CrossFS。
传统的文件系统放在内核是因为它们需要实现完整性保证和访问控制以保证数据的安全，然而在访问存储时必须陷入内核而产生开销。用户文件系统以用户空间库的形式提供文件系统，在用户空间管理数据以及更新，不需要进入内核从而提升性能，但也带来了安全性的问题。固件文件系统虽然结合了以上两种的优点，但是牺牲了灵活性，仅适用于特殊场景，无法做到有求必应。同时随着计算机系统异构性的增加，对文件的访问控制越来越复杂，为了方便用户的需求，需要对文件的访问模式做出改变。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用存储设备的文件访问系统及方法，可使得文件系统的使用场景更加灵活。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种利用存储设备的文件访问系统，包括：Host端和存储设备端；
Host端包括用户库U-lib和内核驱动器K-lib；存储设备端中的一个控制器核心包括一个设备固件运行时Firm-RT；
一个设备固件运行时Firm-RT用于创建文件系统分区，在文件系统分区中为每个文件系统设置了一个属性标志位；
所述用户库U-lib用于通过POSIX接口接收APP产生的文件系统调用，并检查缓存cache是否命中，若缓存cache未命中，则将文件系统调用打包成一个扩展的NVMe协议命令，同时基于NVMe的多队列机制传递给对应的设备固件运行时Firm-RT；
所述内核驱动器K-lib用于生成密钥，并与设备固件运行时Firm-RT共享密钥；
接收到扩展的NVMe协议命令的设备固件运行时Firm-RT用于根据所述密钥检查扩展的NVMe协议命令的有效性，在验证扩展的NVMe协议命令有效后，依据扩展的NVMe协议命令中的文件操作内容确定属性标志位，并将确定的属性标志位对应的文件系统加载到设备固件运行时Firm-RT上，进而通过文件系统将扩展的NVMe协议命令中的数据块排列在存储设备上。
一种利用存储设备的文件访问方法，所述文件访问方法应用于前述的一种利用存储设备的文件访问系统，所述文件访问方法包括：
当APP产生一个文件系统调用操作时，将文件系统调用请求通过POSIX接口传入用户库U-lib，用户库U-lib检查缓存cache是否命中；
若缓存cache未命中，则将文件系统调用请求打包成一个扩展的NVMe协议命令，同时基于NVMe的多队列机制传递给对应的设备固件运行时Firm-RT；
设备固件运行时Firm-RT创建文件系统分区，并为每个文件系统设置了一个属性标志位；
接收到扩展的NVMe协议命令的设备固件运行时Firm-RT检查扩展的NVMe协议命令的有效性；
在验证扩展的NVMe协议命令有效后，依据扩展的NVMe协议命令中的文件操作内容确定属性标志位，并将确定的属性标志位对应的文件系统加载到设备固件运行时Firm-RT上；
加载的文件系统处理文件系统调用将扩展的NVMe协议命令中的数据块排列在存储设备上。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开一种利用存储设备的文件访问系统及方法，设备固件运行时Firm-RT创建文件系统分区，在文件系统分区中为每个文件系统设置了一个属性标志位，在需要使用文件系统处理调用时，依据属性标志位将对应的文件系统加载到设备固件运行时Firm-RT上，使得文件系统与存储设备分离，并在使用时动态地将文件系统加载到Firm-RT上，同时还可以根据用户需求选择不同的文件系统，实现了可替换的功能，使得文件系统的使用场景更加灵活。
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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种利用存储设备的文件访问系统的框架图；
图2为本发明实施例提供的基于NVMe的多队列机制示意图；
图3为本发明实施例提供的文件系统分区示意图；
图4为本发明实施例提供的一种利用存储设备的文件访问方法的流程图；
图5为本发明实施例提供的一种利用存储设备的文件访问方法的原理图。
具体实施方式
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，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明实施例提供了一种利用存储设备的文件访问系统，包括：Host端和存储设备端。
Host端包括用户库U-lib和内核驱动器K-lib；存储设备端中的一个控制器核心包括一个设备固件运行时Firm-RT。一个设备固件运行时Firm-RT用于创建文件系统分区，在文件系统分区中为每个文件系统设置了一个属性标志位。
所述用户库U-lib用于通过POSIX接口接收APP产生的文件系统调用，并检查缓存cache是否命中，若缓存cache未命中，则将文件系统调用打包成一个扩展的NVMe协议命令，同时基于NVMe的多队列机制传递给对应的设备固件运行时Firm-RT。
所述内核驱动器K-lib用于生成密钥，并与设备固件运行时Firm-RT共享密钥。
接收到扩展的NVMe协议命令的设备固件运行时Firm-RT用于根据所述密钥检查扩展的NVMe协议命令的有效性，在验证扩展的NVMe协议命令有效后，依据扩展的NVMe协议命令中的文件操作内容确定属性标志位，并将确定的属性标志位对应的文件系统加载到设备固件运行时Firm-RT上，进而通过文件系统将扩展的NVMe协议命令中的数据块排列在存储设备上。
用户库U-lib、内核驱动器K-lib和设备固件运行时Firm-RT的具体功能如下：
用户库U-lib，用于访问存内的文件系统，以动态链接库的形式提供，主要工作是向用户应用程序公开POSIX接口，管理与设备的连接。
内核驱动器K-lib，是一个内核模块，提供控制平面操作的可靠性，它的工作包括资源分配和权限检查。
设备固件运行时Firm-RT，提供基本的硬件和软件支持，使得文件系统可以在存储设备上运行。除此之外，为了服务于文件系统，Firm-RT与U-lib进行数据平面的通信，与K-lib进行控制平面的通信。
图1中，pread是一个函数,用于带偏移量地原子的从文件中读取数据。User Space表示用户空间，Kernel Space表示内核空间，NVMe-based Queue Protocol表示基于NVMe的多队列机制，FS表示文件系统。
具体的，为了实现传输文件操作，在Host端和存储设备端之间的队列协议中扩展了NVMe命令列表，使得扩展后的队列协议包含POSIX I/O接口。同时保留了NVMe的常规数据访问模式，以便在系统发生故障时能够进行正常的磁盘访问。
①当有包含文件系统调用的进程从U-lib传递到Firm-RT时，多队列协议开始工作。每个来自U-lib的进程都会创建一串队列对，其数量等于存储设备控制器的核数。
②队列对中的每一个队列对都与存储设备(Storage Device端)的一个控制器核心绑定，因此一个进程可以将任何文件操作分配给特定的控制器核心，如图2所示。图2中Thread表示线程。Core表示控制器核心。
同时，每个用户线程都有其专属的队列对串，以避免队列在Host端的竞争。
③在进程中的文件操作被U-lib传到设备端的Firm-RT时，由U-lib控制文件操作应该被派往到设备端控制器的哪个核心。例如，读密集型应用可以通过循环策略向所有内核发出读操作。对于写密集型应用，不同的线程可以将同一文件的写操作发送到同一控制器核，以减少控制器核之间的锁竞争。
由于文件操作是在存储设备端处理，而存储设备可能拥有多核控制器，因此本发明充分利用存储设备控制器内核的并行性，同时尽量减少了并发文件访问的潜在冲突。
各个控制器核心针对于各个文件操作内容，创建文件系统分区，文件系统分区的数量为一个或多个。所使用的所有二进制文件都被存储在一个特定的分区，并且这个分区中的每个文件系统都可以通过一个标号进行索引，同时多个分区串行连接，来对数据进行储存。
如图3所示，一个GUID分区表(GPT)来组织分区，其中包含一些管理数据，分区起始位置(First LBA)、终止位置(Last LBA)，属性标志位(Attribute Flags bit)等。
GPT组织分区PartitionN，GPT存访管理分区的数据，包括分区起始位置(FirstLBA)、终止位置(Last LBA)，属性标志位(Attribute Flags bit)等。Partition N指的是N个Partition，Partition i中存放的是第i个文件系统被创建时使用的二进制文件，它的位置可以由GPT中的First LBA和Last LBA指出，多个文件系统被以数组的形式集中存储在PartitionFS中，由GPT中的属性标志位i指向第i个文件系统。
格式化时，每个用户创建的分区都与一个文件系统相关联，如果文件系统还不在这里，它将被添加到这个文件系统分区中。为了指示用户创建的分区与其文件系统之间的关系，在GPT中设置了属性标志位指向文件系统，即拥有了可以找到文件系统的指针，因此可以为不同的分区提供不同的文件系统，也就是可替换的文件系统。同时，GPT和分区仍然可用于典型的内核文件系统。
设置一个分区保存多个文件系统，由分区表GPT(GUID partition table)管理，通过指针和索引与分区和文件系统建立联系，实现可替换的文件系统的功能；多队列机制支持并发文件访问，充分发挥多核的并行性。
本发明设计的流程分为数据平面和控制平面两大模块，控制平面负责维护系统的安全和可靠性，为数据平面的正常工作提供必要的支持。
Host端的控制平面操作确保安全性和可靠性，其中的U-lib是一个用于NVMe存储设备通信的用户空间驱动程序，它需要设置VFIO和管理DMA内存映射，以实现从用户空间的直接访问文件系统，而且还需要为缓存分配区域。这些操作涉及内核，但只需要在设备初始化时运行一次，因此在正常的文件访问中不会有任何性能损失；设备端的控制平面帮助管理文件系统并处理其他管理操作。
本发明采用近存计算(NDP)的思想，利用多队列机制解决并发访问冲突，在保证安全性的同时提供了灵活的可替代的文件系统方案，还支持异构计算的直接I/O，而CPU端操作系统内核不参与数据平面访问。
本发明在用户进行读写时，由于内核绕过和近数据文件系统设计，性能是传统内核级文件系统的数倍。
在并发的读写场景中，多队列模块设计让用户应用控制文件操作的处理核心，以最大限度地提高控制器核心的利用率并减少锁的争夺，使得对同一文件的访问更有秩序，因此性能也快过传统的Ext4系统。即采用多队列机制提高了并发性。
本发明的文件系统与存储设备分离，可以在使用时动态地将文件系统加载到Firm-RT上，并且可以根据用户需求选择不同的文件系统，实现了可替换的功能，更加灵活高效，这是一般Firm-FS为了保证安全性而丧失的。支持可替换的文件系统并保证了可靠性和兼容性。除此之外，本发明还能发挥新型存储设备的潜力，符合当今发展趋势。
如图4所示，本发明实施例还提供了一种利用存储设备的文件访问方法，所述文件访问方法应用于前述的一种利用存储设备的文件访问系统，所述文件访问方法包括：
步骤1：当APP产生一个文件系统调用操作时，将文件系统调用请求通过POSIX接口传入用户库U-lib，用户库U-lib检查缓存cache是否命中。
步骤2：若缓存cache未命中，则将文件系统调用请求打包成一个扩展的NVMe协议命令，同时基于NVMe的多队列机制传递给对应的设备固件运行时Firm-RT。
其中，基于NVMe的多队列机制传递给对应的设备固件运行时Firm-RT，具体包括：
对每个来自用户库U-lib的扩展的NVMe协议命令创建一串队列对；其中，队列对的数量等于存储设备控制器的核数；
令队列对中的每一个队列对均与存储设备端的一个核心控制器绑定；
由用户库U-lib控制扩展的NVMe协议命令分配给对应的设备固件运行时Firm-RT。
如图5所示，若缓存cache命中，则从cache中取数据。
步骤3：设备固件运行时Firm-RT创建文件系统分区，并为每个文件系统设置了一个属性标志位。
步骤4：接收到扩展的NVMe协议命令的设备固件运行时Firm-RT检查扩展的NVMe协议命令的有效性。
步骤5：在验证扩展的NVMe协议命令有效后，依据扩展的NVMe协议命令中的文件操作内容确定属性标志位，并将确定的属性标志位对应的文件系统加载到设备固件运行时Firm-RT上。
参见图5，若验证扩展的NVMe协议命令无效，则拒绝请求。
步骤6：加载的文件系统处理文件系统调用将扩展的NVMe协议命令中的数据块排列在存储设备上。
具体实现过程为：
加载的文件系统处理文件系统调用，并与闪存转换层FTL或硬件仪器一起将扩展的NVMe协议命令中的数据块排列在存储设备上。
现有的文件系统运行在内核态上，内核态调用文件系统时，需要有一次上下文切换，切换到内核态上，而本发明将文件系统设置在存储设备上运行后，就消除上下文切换，有效地提升了性能。
本发明提供了一个利用新型存储设备的既能保证安全又高效灵活的文件访问方法，对内核文件系统、用户文件系统和固件文件系统的缺点作出补充，主要通过消除上下文切换有效地提升了性能；支持可替换的文件系统并保证了可靠性和兼容性，使得该文件系统的使用场景更加灵活；采用多队列机制提高了并发性。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方法而言，由于其与实施例公开的系统相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (7)
1.一种利用存储设备的文件访问系统，其特征在于，包括：Host端和存储设备端；
Host端包括用户库U-lib和内核驱动器K-lib；存储设备端中的一个控制器核心包括一个设备固件运行时Firm-RT；
一个设备固件运行时Firm-RT用于创建文件系统分区，在文件系统分区中为每个文件系统设置了一个属性标志位；
所述用户库U-lib用于通过POSIX接口接收APP产生的文件系统调用，并检查缓存cache是否命中，若缓存cache未命中，则将文件系统调用打包成一个扩展的NVMe协议命令，同时基于NVMe的多队列机制传递给对应的设备固件运行时Firm-RT；
所述内核驱动器K-lib用于生成密钥，并与设备固件运行时Firm-RT共享密钥；
接收到扩展的NVMe协议命令的设备固件运行时Firm-RT用于根据所述密钥检查扩展的NVMe协议命令的有效性，在验证扩展的NVMe协议命令有效后，依据扩展的NVMe协议命令中的文件操作内容确定属性标志位，并将确定的属性标志位对应的文件系统加载到设备固件运行时Firm-RT上，进而通过文件系统将扩展的NVMe协议命令中的数据块排列在存储设备上。
2.根据权利要求1所述的利用存储设备的文件访问系统，其特征在于，在Host端和存储设备端之间的队列协议中扩展了NVMe命令列表，使得扩展后的队列协议包含POSIXI/O接口。
3.根据权利要求1所述的利用存储设备的文件访问系统，其特征在于，
文件系统分区包括起始位置、终止位置和属性标志位；
文件系统分区的数量为一个或多个；当文件系统分区的数量为多个时，多个文件系统分区串行连接。
4.根据权利要求1所述的利用存储设备的文件访问系统，其特征在于，一个设备固件运行时Firm-RT还用于创建一个文件分区，所述文件分区用于存储文件系统对应的二进制文件。
5.一种利用存储设备的文件访问方法，其特征在于，所述文件访问方法应用于权利要求1-4任一项所述的一种利用存储设备的文件访问系统，所述文件访问方法包括：
当APP产生一个文件系统调用操作时，将文件系统调用请求通过POSIX接口传入用户库U-lib，用户库U-lib检查缓存cache是否命中；
若缓存cache未命中，则将文件系统调用请求打包成一个扩展的NVMe协议命令，同时基于NVMe的多队列机制传递给对应的设备固件运行时Firm-RT；
设备固件运行时Firm-RT创建文件系统分区，并为每个文件系统设置了一个属性标志位；
接收到扩展的NVMe协议命令的设备固件运行时Firm-RT检查扩展的NVMe协议命令的有效性；
在验证扩展的NVMe协议命令有效后，依据扩展的NVMe协议命令中的文件操作内容确定属性标志位，并将确定的属性标志位对应的文件系统加载到设备固件运行时Firm-RT上；
加载的文件系统处理文件系统调用将扩展的NVMe协议命令中的数据块排列在存储设备上。
6.根据权利要求5所述的利用存储设备的文件访问方法，其特征在于，基于NVMe的多队列机制传递给对应的设备固件运行时Firm-RT，具体包括：
对每个来自用户库U-lib的扩展的NVMe协议命令创建一串队列对；其中，队列对的数量等于存储设备控制器的核数；
令队列对中的每一个队列对均与存储设备端的一个核心控制器绑定；
由用户库U-lib控制扩展的NVMe协议命令分配给对应的设备固件运行时Firm-RT。
7.根据权利要求5所述的利用存储设备的文件访问方法，其特征在于，加载的文件系统处理文件系统调用将扩展的NVMe协议命令中的数据块排列在存储设备上，具体包括：
加载的文件系统处理文件系统调用，并与闪存转换层FTL或硬件仪器一起将扩展的NVMe协议命令中的数据块排列在存储设备上。
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Legal Events
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