云計算背景下塊級別網(wǎng)絡(luò)磁盤緩存技術(shù)分析

賴建中

摘 要：現(xiàn)如今，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)突飛猛進，云計算背景下塊級別網(wǎng)絡(luò)磁盤緩存功能不斷上升，其負載功能也日益增強，這直接影響到I/O具體功能的使用。因此需要優(yōu)化M N —cache多節(jié)點的塊級別網(wǎng)絡(luò)磁 盤緩存系統(tǒng)，本文詳細探討了MN-cache 緩存系統(tǒng)的設(shè)計和功能機構(gòu)。

關(guān)鍵詞：云計算;網(wǎng)絡(luò)磁盤;緩存技術(shù)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.20.162

0 引言

隨著云計算系統(tǒng)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了各種類別的云存儲子系統(tǒng)，便能發(fā)現(xiàn)虛擬機持久化的級別存儲服務(wù)。為了方便采集和管理各項存儲數(shù)據(jù)，增強數(shù)據(jù)的存儲能力，降低其管理存儲負擔，可以合理使用Cinder、EBS等軟件。就云計算系統(tǒng)而言，虛擬機不斷增長，云存儲服務(wù)功能也不斷強化。受網(wǎng)絡(luò)寬帶和子系統(tǒng)自身性能的影響，存儲系統(tǒng)I/O性能不斷下降，直接影響到虛擬機的實際運行。

為了解決網(wǎng)絡(luò)存儲系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在計算云計算節(jié)點過程中，其緩存設(shè)備便是本地磁盤，從而不斷提高云存儲系統(tǒng)的整體功能，從而實現(xiàn)虛擬機的高效穩(wěn)定運行。本地客戶端磁盤緩存系統(tǒng) 包括這些xC achefs、CAPFS、IBMAFS、SUNNF內(nèi)容。

1 MN-cache 緩存系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

本文重點解讀了云計算系統(tǒng)中 MN —cache 緩存系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)，并具體描述了該系統(tǒng)的運行細節(jié)，合理運用這些數(shù)據(jù)實現(xiàn)各種通信，詳細介紹MN —cache 緩存系統(tǒng)的兩種寫入方法，以便達成寫回策略和直達策略。

1.1 規(guī)劃系統(tǒng)架構(gòu)

當前云計算系統(tǒng)喜歡共享網(wǎng)絡(luò)存儲卷，經(jīng)常運用虛擬機實例。它們屬于不同的數(shù)據(jù)中心，其網(wǎng)絡(luò)存儲卷I/O性能有待提高，因此需要優(yōu)化多節(jié)點塊級別網(wǎng)絡(luò)緩存系統(tǒng)。從而共享局域網(wǎng)內(nèi)的緩存數(shù)據(jù)，提高網(wǎng)絡(luò)存儲性能。在Linux D e—vice M apper的基礎(chǔ)上，不按優(yōu)化M N —cache緩存系統(tǒng)，它包含緩存客戶端和元數(shù)據(jù)服務(wù)器這兩部分。緩存客戶端主要是具體實際的緩存功能，主要是運用各種磁盤，利用原數(shù)據(jù)服務(wù)器實現(xiàn)緩存功能。元數(shù)據(jù)服務(wù)器可以為各種緩存客戶端提供各種緩存情況，方便檢測各種功能，從而保持與緩存客戶端的一致性，優(yōu)化各種元數(shù)據(jù)。

單個元數(shù)據(jù)服務(wù)器端節(jié)點和多個緩存客戶端節(jié)點共同組成了M N —cache緩存系統(tǒng)，同個局域網(wǎng)內(nèi)部包含了所有節(jié)點。要想將 iSCSI協(xié)議連接到局域網(wǎng)內(nèi)，需要利用源存儲磁盤外油網(wǎng)絡(luò)，共享使用各種節(jié)點。其他緩存客戶端節(jié)也是通過這種模式，依次讀寫各項遠端緩存數(shù)據(jù)。下圖便是系統(tǒng)的緩存系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖（如圖1所示）。

1.2 設(shè)計緩存系統(tǒng)

一般來說，緩存客戶端和元數(shù)據(jù)服務(wù)器共同組成了MN-cache 緩存系統(tǒng)，緩存客戶端主要在內(nèi)核態(tài)下運行，元數(shù)據(jù)服務(wù)器主要在用戶狀態(tài)下運行。配置的初始化、同步元數(shù)據(jù)、查詢緩存命中共同組成了元數(shù)據(jù)服務(wù)器，其主要負責整理各種客戶端的原始數(shù)據(jù)，定期查詢緩存命中服務(wù)。

在配置元數(shù)據(jù)初始化服務(wù)器的過程中，及時記錄了惡緩存塊的多少、具體數(shù)量、緩存寫入策略、IP地址、緩存客戶端節(jié)點編號這些內(nèi)容。

同步更新元數(shù)據(jù)時，儲存各緩存客戶端節(jié)點時，及時查詢相關(guān)部分元數(shù)據(jù)，元數(shù)據(jù)服務(wù)器可以及時接收各緩存客戶端的元數(shù)據(jù)，及時更新服務(wù)器的元數(shù)據(jù)，如圖2。

及時查詢命中緩存，各個緩存客戶端可以使用元數(shù)據(jù)服務(wù)器及時查詢命中緩存。接受到緩存客戶的需求后，返回到查詢結(jié)果，保持客戶端原始數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)服務(wù)器的步調(diào)一致。合理運用 udp 通信協(xié)議便能及時查詢緩存命中。

實際緩存操作時，緩存客戶端具體負責緩存功能。緩存客戶端具體操作時應(yīng)該遵循以下三個方面。首先配置初始化，緩存客戶端的初始化進程中需要根據(jù)緩存寫入方法、緩存塊的大小，及時緩存各種參數(shù)，再次，同步元數(shù)據(jù)，內(nèi)核內(nèi)存中一般存有各種本地緩存元數(shù)據(jù)信息。及時查詢緩存命中的部分元數(shù)據(jù)，及時推進元數(shù)據(jù)的同步進行。當緩存客戶端緩存的原始數(shù)據(jù)發(fā)生變化后，及時向元數(shù)據(jù)服務(wù)器發(fā)送各種數(shù)據(jù)，同步更新各種信息。緩存客戶端根據(jù)元數(shù)據(jù)服務(wù)器的需求，及時修改各種緩存數(shù)據(jù)。

實現(xiàn)緩存，為了正常運行緩存功能，可以使用L inux D evice M apper 機制及時緩存客戶端。虛擬磁盤設(shè)備帶有基本緩存功能，包含了源存儲磁盤、多個遠端緩存磁盤、本地緩存磁盤這幾個方面。

1.3 數(shù)據(jù)通訊設(shè)計

各緩存客戶端和元數(shù)據(jù)服務(wù)器共同構(gòu)成了MN—cache 緩存系統(tǒng)，同步元數(shù)據(jù)，查詢緩存命中。同步元數(shù)據(jù)包括了緩存客戶端和服務(wù)器端更新各種數(shù)據(jù)。查詢本地緩存和遠端緩存共同構(gòu)成了查詢緩存命中等步驟。具體緩存客戶端時可以及時查詢本地緩存系統(tǒng)，及時查詢緩存客戶端內(nèi)部的元數(shù)據(jù)信息。

1.4 緩存寫入策略

具體進行寫入操作時，寫回和寫直達兩種寫入操作共同組成了M N —cache 緩存系統(tǒng)，用戶可以根據(jù)自身需求隨時更改寫入策略。具體使用寫直達策略時，遠端源存儲磁盤可以記錄所有塊I/O這種數(shù)據(jù)，這種數(shù)據(jù)如果直接被記錄到源存儲磁盤中，緩存磁盤的功能并不能得到正確發(fā)揮。寫入策略需要保證源存儲磁盤和緩存磁盤的一致。一旦緩存客戶端節(jié)點出現(xiàn)意外時，需要保證數(shù)據(jù)的準確。

2 分析MN-cache 緩存系統(tǒng)的具體性能

2.1 讀取操作耗時

這篇文章主要分析了對讀操作的三種不同操作結(jié)果。具體來說包? 括以下三個方面：讀命本地緩存磁盤、讀命遠端緩存磁盤、未命中緩存。

針對本地緩存磁盤讀命中的具體實際情況，具體讀取操作時的總時間消耗包含以下兩個方面。其一便是緩存客戶端處理I/O需要查詢本地緩存元數(shù)據(jù)，查詢具體時間消耗時可以參考本地命中搶礦。消耗具體數(shù)據(jù)的讀取時間時，可以參考本地緩存磁盤。下面便是讀取操作總時間的消耗公式如下：

TRLhit=tLsearch+tLread

2.2 寫入操作耗時

三種不同的結(jié)果共同組成了寫直達策略，本文重點分析了這三種情況。根據(jù)本地緩存磁盤的寫命中情況，詳細闡述操作的總時長消耗。具體來說包括以下三方面。本地緩存客戶端消耗的具體時間，寫入源存儲磁盤所花費的時間，更新元數(shù)據(jù)到元數(shù)據(jù)服務(wù)器具體消耗的時間?？偟膩碚f，寫操作的總時間消耗公式如下：

TwLhit=tLsearch+tSwrite-tMupdate

3 評估MN-cache 緩存系統(tǒng)的實驗數(shù)據(jù)

本文詳細分析了讀操作測試、寫直達操作測試、寫回操作測試，并進行了各種實驗。就寫回操作測試而言，可以具體測試無緩存和緩存這兩種情，具體測試遠端重讀、本地重讀、寫等各種測試。分析各種數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，運用MN-cache緩存系統(tǒng)能提高源存儲磁盤的整體性能，其性能也會下降68%，本地重寫情況下其性能可以優(yōu)化9倍，遠端重寫情況下性能可以降低33%。

4 結(jié)語

M N —cache主要適用于多節(jié)點的塊級別網(wǎng)絡(luò)緩存系統(tǒng)，可以大量運用在云計算緩存系統(tǒng)中。本文詳細討論了該系統(tǒng)讀取操作、寫入操作的耗時時間，不斷優(yōu)化云存儲系統(tǒng)性能。針對緩存過程的具體耗時情況，改進緩存客戶端和元數(shù)據(jù)的工作效率，促進該系統(tǒng)的良性運行。

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