面向流式數(shù)據(jù)的嵌入式文件系統(tǒng)

吳京洪，曾學文，李明哲，陳 君

（1.中國科學院聲學研究所國家網(wǎng)絡新媒體工程技術(shù)研究中心，北京100190；2.中國科學院大學，北京100039）

面向流式數(shù)據(jù)的嵌入式文件系統(tǒng)

吳京洪1，2，曾學文1，李明哲1，2，陳 君1

（1.中國科學院聲學研究所國家網(wǎng)絡新媒體工程技術(shù)研究中心，北京100190；2.中國科學院大學，北京100039）

嵌入式服務器相對于傳統(tǒng)服務器具有一定的特殊性和專用性，傳統(tǒng)的文件系統(tǒng)難以滿足特定嵌入式平臺高效存儲的需求。針對某特定嵌入式平臺下大容量流式數(shù)據(jù)存儲效率低下的問題，提出一種面向大容量流式數(shù)據(jù)的嵌入式文件系統(tǒng)SEFS，其中創(chuàng)建文件時借助三層樹狀統(tǒng)計結(jié)構(gòu)為新文件快速預分配存儲空間，采用基于磁盤飽和度的均衡存儲策略。實驗結(jié)果表明，SEFS創(chuàng)建單個文件用時59 ms，與Ext2和MSFS文件系統(tǒng)相比，讀文件速率分別提升了8.63%和6.45%，寫文件速率分別提升了6.48%和2.94%，并且具有較好的存儲均衡性和穩(wěn)定性。

大容量；流式數(shù)據(jù)；嵌入式文件系統(tǒng)；預分配；磁盤飽和度

1 概述

隨著網(wǎng)絡應用的發(fā)展，大量的流式數(shù)據(jù)在世界各地產(chǎn)生并共享，從而對海量可擴展的存儲系統(tǒng)的需求也快速增長，基于流服務的網(wǎng)絡應用快速增長，對大容量、高可靠性、高可用性、高性能、動態(tài)可擴展性、易維護性和開放性等眾多方面提出更高的需求，現(xiàn)有存儲技術(shù)已受到空前的挑戰(zhàn)。同時，流式數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)往往存儲大量的大文件，典型的文件有幾百MB，甚至一些文件達到幾GB，因此要重點考慮大文件的存儲［1-2］。

傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)資源有限，結(jié)構(gòu)和功能比較簡單，通用的文件系統(tǒng)因不能發(fā)揮其優(yōu)勢而不再適用于某些嵌入式系統(tǒng)。鑒于嵌入式系統(tǒng)的局限性、特殊性和專用性，很少采用完備的文件系統(tǒng)，而是需要為這樣的嵌入式系統(tǒng)定制文件系統(tǒng)。本文結(jié)合嵌入式系統(tǒng)的特點，提出一種面向流式數(shù)據(jù)的嵌入式文件系統(tǒng)，以滿足流式應用的存儲需求。

2 研究背景

現(xiàn)有主流的商用嵌入式文件系統(tǒng)包括QNX提供的POSIX文件系統(tǒng)、VxWorks提供的快速文件系統(tǒng)（FFS）、pSOS文件管理系統(tǒng)pHILE+和VRTX提供的文件系統(tǒng)IFX，以上4種嵌入式文件系統(tǒng)是現(xiàn)在商用嵌入式文件系統(tǒng)的主流，占領(lǐng)大部分的市場，也代表了這個領(lǐng)域的先進技術(shù)。但是由于商業(yè)機密的限制，源代碼和核心技術(shù)不可能公開，購買和維護的費用昂貴。而且由于嵌入式系統(tǒng)的專用性，無法形成統(tǒng)一的標準［3-4］。在自由軟件方面，嵌入式Linux和LynxOS均提供了實時的類UNIX層次結(jié)構(gòu)文件系統(tǒng)和虛擬文件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，因此，嵌入式Linux［5］得到了廣泛應用，也產(chǎn)生了很多基于嵌入式Linux的專用文件系統(tǒng)［6］，包括Rom fs［7］，Cram fs，Ram fs，JFFS2和YAFFS，其特點及缺陷如表1所示。

表1 常見嵌入式Linux文件系統(tǒng)優(yōu)勢與缺陷

嵌入式系統(tǒng)的應用范圍非常廣泛，不可能有一種文件系統(tǒng)在所有嵌入式系統(tǒng)中一統(tǒng)天下，適用于大到嵌入式服務器，小到嵌入式機頂盒等的所有情況，應根據(jù)系統(tǒng)應用環(huán)境和目標等來選擇構(gòu)建合適的文件系統(tǒng)［8］。

現(xiàn)有的面向流式數(shù)據(jù)的文件系統(tǒng)往往應用于集群中，主要解決的問題集中在并發(fā)服務能力、磁盤I/O、QoS方面［9］，以滿足流服務中用戶對流式數(shù)據(jù)實時性、連續(xù)性、同步性的需求，其中，磁盤I/O性能往往是服務能力的關(guān)鍵體現(xiàn)，而現(xiàn)有技術(shù)尚未完全解決面向流式數(shù)據(jù)的文件系統(tǒng)的I/O性能低下的問題。

本文對嵌入式文件系統(tǒng)的需求分析一方面考慮了嵌入式存儲系統(tǒng)內(nèi)在與外在的環(huán)境要求，另一方面考慮了目前存在的問題［10］。通過將這兩方面結(jié)合，根據(jù)流式數(shù)據(jù)的特點，設計適用于大容量流式數(shù)據(jù)的嵌入式文件系統(tǒng)。

3 結(jié)構(gòu)設計

本文設計并開發(fā)出了一種面向大容量流式數(shù)據(jù)的嵌入式文件系統(tǒng)（Stream ing based Embedded File System，SEFS），該文件系統(tǒng)實現(xiàn)了特定嵌入式平臺下大容量流式數(shù)據(jù)可靠、穩(wěn)定的存儲。SEFS整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 SEFS整體結(jié)構(gòu)

3.1 數(shù)據(jù)區(qū)

數(shù)據(jù)區(qū)的組成單元是數(shù)據(jù)塊，用來存放流文件內(nèi)容，每一個數(shù)據(jù)塊對應若干個物理上連續(xù)的磁盤扇區(qū)，如圖2所示，從而將對扇區(qū)的物理尋址轉(zhuǎn)換成對數(shù)據(jù)塊的邏輯地址空間的尋址，數(shù)據(jù)塊的大小取決于文件系統(tǒng)管理的流文件的容量，在HDFS中數(shù)據(jù)塊大小為64 MB［11］，本文所述的SEFS中采用同樣大小的數(shù)據(jù)塊。

圖2 數(shù)據(jù)塊和扇區(qū)映射圖

數(shù)據(jù)區(qū)占據(jù)了絕大多數(shù)存儲空間，海量的數(shù)據(jù)塊中既有已存儲流式數(shù)據(jù)的“忙碌”數(shù)據(jù)塊，也有尚未被使用的“空閑”數(shù)據(jù)塊，為保障已存文件的數(shù)據(jù)安全，也為了更好的利用空閑存儲空間，文件系統(tǒng)需要對這些數(shù)據(jù)塊的狀態(tài)進行準確、高效的管理。

3.2 位圖區(qū)

位圖的作用是標記數(shù)據(jù)塊的使用狀態(tài)。其中，忙碌的數(shù)據(jù)塊用“1”標識，而空閑的數(shù)據(jù)塊則用“0”標識，如圖3所示。

圖3 位圖示意圖

數(shù)據(jù)塊的數(shù)量極其龐大，當需要為新文件分配存儲空間時，需找到一系列空閑數(shù)據(jù)塊［12］，若輪詢整個位圖區(qū)將會大大降低創(chuàng)建文件的效率?？紤]將數(shù)據(jù)塊分組管理［13-14］，每個組的數(shù)據(jù)塊狀態(tài)用一個位圖塊來表征，只在單個組內(nèi)為一個新文件分配存儲空間，從而創(chuàng)建文件時只需要輪詢一個位圖塊而不是整個位圖區(qū)，可大大提高創(chuàng)建文件的效率。

3.3 統(tǒng)計塊

一個位圖塊表征了一個數(shù)據(jù)塊組內(nèi)所有數(shù)據(jù)塊的使用狀態(tài)，而統(tǒng)計塊則對每個位圖塊中“0”的數(shù)量和最大“連續(xù)0的數(shù)量”進行統(tǒng)計，分別表示組內(nèi)空閑數(shù)據(jù)塊總數(shù)和最大連續(xù)空閑數(shù)據(jù)塊的數(shù)量。

為新文件分配存儲空間時，首先計算出需要分配的數(shù)據(jù)塊數(shù)量，查詢統(tǒng)計塊中各數(shù)據(jù)塊組的統(tǒng)計信息，找到一個能滿足分配需求的數(shù)據(jù)塊組，最終將新文件創(chuàng)建和分配定向到該數(shù)據(jù)塊組內(nèi)進行。

3.4 索引區(qū)

索引區(qū)由若干索引節(jié)點組成，索引節(jié)點中存儲著流文件的元數(shù)據(jù)，包括文件大小、文件所在磁盤編號、文件索引號、文件類型、文件創(chuàng)建時間和存儲文件的數(shù)據(jù)塊位置信息等。其中，索引節(jié)點中采用若干區(qū)段的形式記錄數(shù)據(jù)塊位置信息，每個區(qū)段包含起始數(shù)據(jù)塊編號和連續(xù)存放文件內(nèi)容的數(shù)據(jù)塊的數(shù)目，區(qū)段信息和數(shù)據(jù)塊位置的映射關(guān)系如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)塊區(qū)段映射

3.5 文件目錄

本文所述文件系統(tǒng)未采用傳統(tǒng)的樹狀文件目錄結(jié)構(gòu)，而是采用了扁平式目錄結(jié)構(gòu)，簡化后的扁平式目錄結(jié)構(gòu)易于管理和維護。文件目錄作為文件系統(tǒng)的入口，將文件名映射成索引節(jié)點號，如圖5所示。

圖5 文件目錄映射

通過索引節(jié)點號可直接訪問文件元數(shù)據(jù)（索引節(jié)點），再通過索引節(jié)點信息可查詢文件和讀寫文件數(shù)據(jù)。

文件名的長度不可預知，一般從幾字節(jié)（Byte）到幾十字節(jié)不等，有的甚至上百字節(jié)，若文件系統(tǒng)中直接存儲文件名，則需要為其預留不小的存儲空間，這不僅會造成空間浪費，且當文件名長度超過預留的空間時文件系統(tǒng)還將無法響應創(chuàng)建新文件的請求。通過選取合適的哈希算法（MD5摘要算法）可將長度不可控的文件名映射成長度固定為16 Byte的MD5碼，既避免了浪費空間，又能解除對文件名長度的限制。

3.6 超級塊

超級塊中記錄了磁盤扇區(qū)大小、扇區(qū)數(shù)、索引節(jié)點總數(shù)及空閑索引節(jié)點數(shù)、數(shù)據(jù)塊大小、物理磁盤信息及磁盤邏輯卷信息等，超級塊中的信息對文件系統(tǒng)至關(guān)重要，當系統(tǒng)異?；虮罎r，需要借助超級塊中信息來完成恢復。因此，超級塊中數(shù)據(jù)需寫入磁盤的特殊位置進行保護，還需有多個備份以確保數(shù)據(jù)安全。

4 功能實現(xiàn)

SEFS主要提供創(chuàng)建文件、刪除文件、讀寫文件、查詢文件的功能。

4.1 文件的創(chuàng)建及刪除

本文所述文件系統(tǒng)采取為新文件預分配存儲空間的策略，即創(chuàng)建文件時便為文件指定大小，且創(chuàng)建后文件大小不再更改。文件創(chuàng)建和刪除時最主要的操作就是為文件分配和釋放存儲文件內(nèi)容的數(shù)據(jù)塊。

新建文件時，根據(jù)指定的文件大小，計算出存儲該文件需要的數(shù)據(jù)塊數(shù)目，查詢?nèi)鐖D6所示樹狀統(tǒng)計結(jié)構(gòu)，便能在最短時間內(nèi)找到能滿足分配需求的數(shù)據(jù)塊組，繼而將新文件創(chuàng)建定向到找到的數(shù)據(jù)塊組內(nèi)。

圖6 三層樹狀統(tǒng)計結(jié)構(gòu)

具體來說，先通過超級塊中信息定位到某統(tǒng)計塊，再通過統(tǒng)計塊中信息定位到某位圖塊，找到一個位圖塊即找到了一個數(shù)據(jù)塊組，在該組內(nèi)為該新文件分配存儲空間，分配時采用盡可能連續(xù)分配的策略，以保證文件的快速讀寫。

刪除文件時，通過將位圖塊中與該文件對應的位“1”置為“0”來回收存儲文件的數(shù)據(jù)塊，重新掃描該位圖塊，將位圖塊中最新統(tǒng)計信息更新到統(tǒng)計塊中，再掃描對應統(tǒng)計塊，并將其統(tǒng)計信息更新到超級塊中，以此維護位圖信息。最后，清空文件索引節(jié)點數(shù)據(jù)，并刪除文件目錄中對應項。

4.2 文件訪問

訪問文件包括對文件的讀、寫和查詢操作，首先需要通過文件目錄將文件名映射到索引號，通過索引號找到文件對應的索引節(jié)點，該索引節(jié)點中存儲了文件相關(guān)元數(shù)據(jù)，即可實現(xiàn)對文件的訪問。

如需查詢文件大小，訪問文件對應索引節(jié)點相關(guān)字段，可直接從該文件元數(shù)據(jù)中獲??；若需讀/寫文件，則需要索引節(jié)點中的區(qū)段信息進行引導，通過區(qū)段信息找到存儲文件的數(shù)據(jù)塊，進一步通過計算可以把文件讀/寫的位置偏移映射到具體某個磁盤扇區(qū)和扇區(qū)內(nèi)偏移，最后調(diào)用底層I/O接口便可讀/寫文件。

4.3 均衡存儲

在流式數(shù)據(jù)應用場景中，流文件最終被存儲到磁盤陣列中，每一個新文件被存儲到哪塊磁盤完全由文件系統(tǒng)（SEFS）決定，考慮存儲的均衡性是很有必要的，否則可能造成某些磁盤存儲大量數(shù)據(jù)而其他磁盤被浪費的情況，且當存儲大量數(shù)據(jù)的磁盤損壞時大量數(shù)據(jù)丟失會帶來災難性損失。

為實現(xiàn)均衡存儲，首先定義磁盤飽和度C，由磁盤已使用容量和存放文件數(shù)量共同決定。存放文件數(shù)量越多，磁盤已使用容量越大，則磁盤飽和度越高。計算飽和度采用對已使用容量和已存儲文件數(shù)歸一化后加權(quán)的方法，詳細定義如下：

其中，Vu表示已使用容量；V表示磁盤總?cè)萘浚槐硎疽汛鎯ξ募臄?shù)量，表示按典型文件大小存儲，磁盤最多能存儲的文件數(shù)，和的值均不能超過1，和為調(diào)節(jié)因子。

新建文件時查詢各磁盤使用情況，得到各磁盤已使用容量和已存文件數(shù)量，計算各磁盤飽和度，將飽和度最低的磁盤作為本次分配的目標磁盤，創(chuàng)建成功后更新該磁盤使用情況，供下一次新建文件時查詢，以此實現(xiàn)均衡存儲的目標。

5 實驗數(shù)據(jù)及分析

本文設計的文件系統(tǒng)所基于的嵌入式平臺是以Cavium OCTEON CN5860為核心的多核嵌入式網(wǎng)絡處理器［15］，每個多核網(wǎng)絡處理器具有16個處理核心，每個處理核心主頻為800 MHz，物理內(nèi)存大小配置為4 GB。本文在上述嵌入式平臺下針對SEFS創(chuàng)建文件的效率、I/O性能、存儲均衡性及穩(wěn)定性方面做了測試。

5.1 創(chuàng)建效率測試

實驗記錄了創(chuàng)建一批大小隨機的文件所用的時間，測試結(jié)果如圖7所示。

圖7 文件創(chuàng)建效率測試結(jié)果

對于文件系統(tǒng)而言，創(chuàng)建文件的速率是衡量其好壞的一項重要指標，從圖中數(shù)據(jù)可以看出，創(chuàng)建一批文件所用時間跟文件數(shù)成正比，創(chuàng)建4 096個文件用時242 s，計算可得創(chuàng)建一個新文件平均用時為59 ms，此創(chuàng)建效率在流式數(shù)據(jù)應用中較高。

鑒于SEFS創(chuàng)建文件時已為文件預分配存儲空間，它創(chuàng)建文件的機制與通用文件系統(tǒng)有很大差異，因此，它與通用文件系統(tǒng)在創(chuàng)建文件的效率上不具有可比性。

5.2 I/O性能測試

Linux的主流文件系統(tǒng)是Ext2/Ext3，其中Ext3是日志文件系統(tǒng)，比Ext2功能更健全，但在文件讀寫速率方面兩者相差無幾；MSFS［10］是一種基于μCinux的大容量媒體文件系統(tǒng)，它較傳統(tǒng)的嵌入式文件系統(tǒng)有更好的存儲性能和穩(wěn)定性。所以本文選取Ext2和MSFS分別作為嵌入式Linux文件系統(tǒng)和嵌入式流媒體文件系統(tǒng)的代表，與SEFS進行I/O性能對比。實驗使用不同的緩存區(qū)（32 KB、64 KB等）對不同大小文件（512 MB、1 GB等）進行了多次讀寫測試，統(tǒng)計3種文件系統(tǒng)的平均讀寫速率，對比結(jié)果如圖8所示。

圖8 I/O性能測試結(jié)果

測試結(jié)果顯示，SEFS的I/O性能優(yōu)于其他2種嵌入式文件系統(tǒng)，讀文件的速率分別比Ext2和MSFS快8.63%和6.45%，寫文件的速率分別比Ext2和MSFS快6.48%和2.94%，實驗證明SEFS具有較好的I/O性能，能支持大容量流式數(shù)據(jù)的快速讀寫。

5.3 均衡存儲測試

實驗創(chuàng)建了2 048個大小隨機的文件，對應于64個磁盤，統(tǒng)計各磁盤中文件數(shù)量和消耗的磁盤容量，測試結(jié)果如圖9所示。

圖9 均衡存儲測試結(jié)果

從圖9中可以看出2 048個文件被相對均勻地創(chuàng)建到各磁盤中，每個磁盤中文件數(shù)在32左右波動；由于新建的文件大小隨機，在文件數(shù)和每個文件大小均具有一定隨機性的前提下，各磁盤中消耗的容量在96 GB左右波動。綜上所述，圖9的測試結(jié)果顯示SEFS具有很好的均衡存儲性。

5.4 穩(wěn)定性測試

實際使用場景中，系統(tǒng)會頻繁地創(chuàng)建新文件和刪除舊文件，使用一段時間后系統(tǒng)中會產(chǎn)生一定數(shù)量的磁盤碎片，位圖信息也會變得復雜凌亂。這時候系統(tǒng)是否還能正常工作或性能是否會有明顯下降，這在很大程度上取決于文件系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

實驗中模擬實際場景中的用戶行為，周期性地隨機創(chuàng)建和刪除一批文件，記錄總共創(chuàng)建過的文件數(shù)和刪除過的文件數(shù)，每次創(chuàng)建或刪除文件后更新磁盤中數(shù)據(jù)塊使用的理論值，直到磁盤使用率達到設定的飽和狀態(tài)時才結(jié)束，統(tǒng)計實際使用的數(shù)據(jù)塊數(shù)目，通過對比被使用數(shù)據(jù)塊的理論值和實際值來判斷系統(tǒng)是否正常工作。測試結(jié)果如表2所示。

表2 穩(wěn)定性測試結(jié)果

上表測試結(jié)果表明，頻繁地在系統(tǒng)中創(chuàng)建和刪除文件，系統(tǒng)運行較長時間后，數(shù)據(jù)塊被使用數(shù)的實際值和理論值吻合，系統(tǒng)工作正常，數(shù)據(jù)塊管理準確無誤，說明SEFS具有較高的系統(tǒng)穩(wěn)定性。

6 結(jié)束語

與通用文件系統(tǒng)不同，本文設計的文件系統(tǒng)（SEFS）結(jié)構(gòu)簡單，易于維護，主要用于特定嵌入式系統(tǒng)中大容量流式數(shù)據(jù)的存儲。在流式數(shù)據(jù)應用場景中，存儲后的文件不需要改變文件大小，因此文件系統(tǒng)創(chuàng)建新文件時采用為其預分配存儲空間的策略，且按盡可能連續(xù)分配的思想，最大限度保障文件存儲的連續(xù)性，以實現(xiàn)文件的高速吞吐和高效存儲。實驗結(jié)果顯示SEFS創(chuàng)建單個文件平均用時59 ms，考慮到該創(chuàng)建過程完成了新文件注冊、存儲空間分配、元數(shù)據(jù)管理等諸多操作，可認為SEFS創(chuàng)建新文件的效率較高，SEFS讀寫文件的速率相比于嵌入式文件系統(tǒng)Ext2也分別有8.63%和6.48%的提升；此外，SEFS具有很好的存儲均衡性和穩(wěn)定性，能滿足嵌入式系統(tǒng)中大容量流式數(shù)據(jù)的存儲需求。下一步目標是完善SEFS對外提供的接口，為用戶提供可靠穩(wěn)定的文件操作服務，進一步優(yōu)化文件系統(tǒng)內(nèi)部的I/O調(diào)度機制，支持流式數(shù)據(jù)的高并發(fā)讀寫，并盡可能地降低系統(tǒng)開銷。

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編輯 金胡考

Em bedded File System Oriented to Stream ing Data

WU Jinghong1，2，ZENG Xuewen1，LIM ingzhe1，2，CHEN Jun1
（1.National Network New Media Engineering Research Center，Institute of Acoustics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100039，China）

Embedded servers have some specificities com pared with traditional servers.Traditional file systems can no longermeet the demands of efficient storage for some specific embedded systems.This paper proposes a Streaming Embedded File System（SEFS），which is oriented to large capacity of streaming data，for a particular embedded system to solve the problem of low efficiency storage.In SEFS，storage space is rapidly pre-allocated in virtue of a three-layers tree structure of statistics while creating new files.In addition，it applies disk saturability-based strategies to guarantee storage balance of SEFS.Testing results show that this system creating a new file by SEFS costs 59 ms，the reading rate of SEFS is faster than Ext2 and MSFS by 8.63%and 6.45%respectively，and the writing rate of SEFS is faster than Ext2 and MSFS by 6.48%and 2.94%.Testing results also demonstrates SEFS has better storage balance and stability.

large capacity；stream ing data；embedded file system；pre-allocation；disk saturability

吳京洪，曾學文，李明哲，等.面向流式數(shù)據(jù)的嵌入式文件系統(tǒng)［J］.計算機工程，2015，41（9）：92-96.

英文引用格式：Wu Jinghong，Zeng Xuewen，Li Mingzhe，et al.Embedded File System Oriented to Stream ing Data［J］. Computer Engineering，2015，41（9）：92-96.

1000-3428（2015）09-0092-05

A

TP311

10.3969/j.issn.1000-3428.2015.09.016

國家科技支撐計劃基金資助項目“新媒體資源編解碼與高密度內(nèi)容實時適配關(guān)鍵技術(shù)研究及原型系統(tǒng)”（2012BAH18B04）；中國科學院重點部署基金資助項目“NGB智能接入網(wǎng)關(guān)關(guān)鍵技術(shù)研究與驗證”（KGZD-EW-103-4）。

吳京洪（1988-），男，博士研究生，主研方向：網(wǎng)絡存儲，新媒體技術(shù)；曾學文，研究員；李明哲，博士研究生；陳 君（通訊作者），副研究員。

2014-09-13

2014-11-11 E-m ail：chenj@dsp.ac.cn