基于PCI-E SSD的分布式文件系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)研究

◆俞 俊 錢 琳 龐恒茂 卜 敏

基于PCI-E SSD的分布式文件系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)研究

◆俞 俊 錢 琳 龐恒茂 卜 敏

（南京南瑞集團(tuán)公司信息系統(tǒng)集成分公司 江蘇 211100）

隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，企業(yè)和用戶對存儲領(lǐng)域的需求呈現(xiàn)爆炸式增長，據(jù)總量指數(shù)級增長，業(yè)務(wù)呈現(xiàn)日益復(fù)雜的趨勢，當(dāng)前數(shù)據(jù)已經(jīng)成為企業(yè)的核心資源，因此對數(shù)據(jù)存儲的安全性和可靠性，性能也提出了更高要求。本文提出了基于PCI-E SSD在分布式文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分層和熱點(diǎn)管理與替換技術(shù)，不僅可以提升存取速度、降低耗電量、同時具有較高的數(shù)據(jù)安全性，并有效地降低了訪問延遲，使其能夠適用于結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)（如數(shù)據(jù)庫）、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)頻繁并發(fā)讀寫的環(huán)境中。

PCI-E SSD；分布式安全；分布式文件系統(tǒng)

0 前言

基于電力系統(tǒng)業(yè)務(wù)建立高傳輸帶寬、低延遲的系統(tǒng)環(huán)境的需求，固態(tài)存儲盤（SSD）在分布式文件系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)際上屬于自動分層存儲技術(shù)一部分，由于PCI-E SSD的物理特性，其更安全的存儲方式、更高效的存取性能使其成為了許多學(xué)者研究的熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[1]提出了一個基于PCI-E與RAID5的存儲方式，改進(jìn)了中規(guī)模存儲的性能。文獻(xiàn)[2，3]對于PCIE-SSD的協(xié)議棧與多隊(duì)列多中斷技術(shù)進(jìn)行了研究，提出了一個原型系統(tǒng)，提升了總體性能。文獻(xiàn)[4]提出了一個基于SSD+HDD的異構(gòu)元數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)Hybrid MDSL，針對SSD特性設(shè)計(jì)了提高空間利用率的方案。文獻(xiàn)[5]提出了基于SSD與HDD的分級存儲方案FMCFS，實(shí)現(xiàn)了對固態(tài)與磁盤空間的高效管理。文獻(xiàn)[6]對于存儲中的重復(fù)索引安全提出了一種解決方案LiveStor，降低了系統(tǒng)整體能耗，并提升了安全性，基于文獻(xiàn)[6]，文獻(xiàn)[7，8]對于分布式存儲的安全提出了密鑰分發(fā)與管理、用戶與存儲節(jié)點(diǎn)身份認(rèn)證機(jī)制等方案，提升了分布式存儲的安全性。本文通過結(jié)合PCIE-SSD與分布式文件系統(tǒng)技術(shù)，提出了緩存技術(shù)的熱點(diǎn)算法、數(shù)據(jù)塊優(yōu)化以及基于SSD的數(shù)據(jù)分層存儲技術(shù)，提升了分布式系統(tǒng)的總體性能。

1 基于緩存技術(shù)的熱點(diǎn)算法

在 Memcached 內(nèi)存對象緩存系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，通過修改 Memcached 系統(tǒng)中原有的 LRU 算法，將其改為提出的基于存取代價的緩存替換算法。Memcached是一個高性能的分布式內(nèi)存對象緩存系統(tǒng)，用于在動態(tài) Web 系統(tǒng)中減輕數(shù)據(jù)庫負(fù)載。它通過在內(nèi)存中緩存數(shù)據(jù)來減少讀取數(shù)據(jù)庫的次數(shù)，從而提升Web 系統(tǒng)的速度。

Memcached 基于一個存儲鍵值對的 Hashmap，其守護(hù)進(jìn)程（daemon）是用 C 寫的，但是客戶端可以用任何語言來編寫，并通過 Memcached 協(xié)議與守護(hù)進(jìn)程通信?，F(xiàn)在很多的大型 Web應(yīng)用系統(tǒng)包括 Facebook、Youtube、Twitter、Wikipedia、Yahoo、WordPress、Digg 等都在使用 Memcached 來支持他們每天數(shù)億級的頁面訪問。通過把 cache 層與他們的 Web 架構(gòu)集成，他們的應(yīng)用程序在提高了性能的同時，還大大降低了數(shù)據(jù)庫的負(fù)載。

2 存儲系統(tǒng)中數(shù)據(jù)塊優(yōu)化技術(shù)

分布式文件系統(tǒng)等文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)是分塊進(jìn)行存儲的。分塊存儲有以下優(yōu)點(diǎn)。首先，如果一個文件超過了本地文件系統(tǒng)支持的單個文件的大小上限，也能夠在本系統(tǒng)中存儲；如果一個文件的大小接近或了一個Master節(jié)點(diǎn)的磁盤空間，我們可以把他們分布至不同的Master節(jié)點(diǎn)上。這樣會使整個系統(tǒng)的負(fù)載更加均衡，而不會出現(xiàn)某個Master的磁盤用盡，而其他Master節(jié)點(diǎn)還沒使用的情況。其次，分塊存儲可以簡化系統(tǒng)的復(fù)雜性，由于塊的大小是固定的，因此系統(tǒng)可以很容易的計(jì)算出每個Master可以存儲的數(shù)據(jù)塊數(shù)a。最后，分塊存儲有利于冗余機(jī)制的實(shí)現(xiàn)。

3 基于SSD的數(shù)據(jù)分層存儲技術(shù)

3.1 數(shù)據(jù)自動分層

自動分層的基本原理是，數(shù)據(jù)在創(chuàng)建后隨著時間推移價值會逐步降低。數(shù)據(jù)主要在其創(chuàng)建后的72小時內(nèi)被訪問。在此之后訪問量會驟然減少，訪問頻率越來越低，30天以后數(shù)據(jù)只會被偶爾訪問。在這時，數(shù)據(jù)就成了“被動數(shù)據(jù)”或“冷數(shù)據(jù)”。

隨著數(shù)據(jù)價值的降低，數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)遷移到低速、低成本的存儲層上。如果要手動這樣做的話，這種重復(fù)操作顯然非常乏味，難以滿足所需工作量。換句話說，沒有人會這么做。自動分層技術(shù)會基于諸如數(shù)據(jù)創(chuàng)建時間、訪問頻率、最后訪問時間或響應(yīng)時間之類的策略進(jìn)行數(shù)據(jù)遷移。

圖1 數(shù)據(jù)分層存儲

3.2 熱區(qū)管理與替換

根據(jù)熱區(qū)的定義，一段時間內(nèi)，熱區(qū)的訪問次數(shù)要高于冷區(qū)的訪問次數(shù)。我們可以簡單地把熱度值定義為某個區(qū)塊內(nèi)的數(shù)據(jù)塊被外部訪問的頻度。但這種算法會出現(xiàn)兩個問題:一是時間維度的熱區(qū)無法識別；二是對熱區(qū)的查詢速度慢。于是，我們對熱點(diǎn)管理替換算法進(jìn)行了優(yōu)化。

當(dāng)某個item首次插入或者再次命中時，首先獲得該item所在slab 的 LRU 鏈頭尾指針，通過這兩個指針可以快速對 LRU鏈進(jìn)行操作。

如果原來LRU鏈已經(jīng)存在至少一個元素，則將原來頭節(jié)點(diǎn)的prev 指針指向現(xiàn)在的新頭節(jié)點(diǎn)。然后將 LRU 的頭指針指向現(xiàn)在新的item。如果尾指針為空的話將尾指針指向該item，最后將該slab的item個數(shù)加1。

根據(jù)基于存取代價的緩存替換算法內(nèi)容的研究，將其實(shí)現(xiàn)在Memcached緩存系統(tǒng)中，替換Memcached 原有的 LRU 緩存替換算法。如果該節(jié)點(diǎn)已經(jīng)在緩存中，當(dāng)前被命中的話，就根據(jù) P值計(jì)算公式計(jì)算出其P值。然后就從鏈表頭開始對逐個節(jié)點(diǎn)計(jì)算P 值，直到找到該 item 的P 值比該節(jié)點(diǎn)P 值大的節(jié)點(diǎn)，然后將item插入到該節(jié)點(diǎn)前面即可。如果搜索完整個鏈表仍然找不到這樣的節(jié)點(diǎn)的話，就把該item 作為鏈表尾節(jié)點(diǎn)。

如果沒有得到該文件的熱度信息，或者它不是hot文件，我們只存儲三個備份，此時不用分塊。而當(dāng)上傳的文件大小大于最大的分塊因子sn時，我們必須做分塊處理，至于具體的分塊大小，我們需要調(diào)用配置中的分塊函數(shù)。

而當(dāng)上傳的文件大小在分塊因子s0和sn之間時，情況就較為復(fù)雜，我們首先需要判斷分塊是不是必要，對系統(tǒng)性能有增強(qiáng)還是減弱，如果有必要分塊，則調(diào)用模塊2進(jìn)行分塊，否則直接分配其一個block-id，然后進(jìn)行副本的存儲。

隨著訪問量增加，熱度值可能溢出（尤其是上層節(jié)點(diǎn)），節(jié)點(diǎn)內(nèi)所有熱度值右移1 位不會改變本節(jié)點(diǎn)內(nèi)的熱度排序，所以不需要修改同層不同節(jié)點(diǎn)和不同層節(jié)點(diǎn)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)訪問計(jì)數(shù)大于一定閾值時節(jié)點(diǎn)內(nèi)所有區(qū)的熱值右移1 位可以隔離歷史訪問信息熱值右移1 位相當(dāng)于使這一個時刻之前的熱度值的權(quán)重降為1 /2，使近期的訪問量在熱度值中占有更高的權(quán)重。當(dāng)一個區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)塊長時間沒有訪問時,其熱度值將不斷變小直至變?yōu)?,成為冷區(qū)。

3.3 MTE替換方法

當(dāng)需要調(diào)入數(shù)據(jù)塊且SSD 的讀寫緩存已滿時，就使用最小熱度選取（Minimum Thermal Eclectic，MTE）方案從已有數(shù)據(jù)塊中選擇替換塊。被替換數(shù)據(jù)塊的選取原則是從SSD 中熱度值最低的冷區(qū)中選取，當(dāng)被選中的冷區(qū)包含多個數(shù)據(jù)塊時，則依據(jù)LRU 算法選取。冷區(qū)的查找是從根節(jié)點(diǎn)開始的，首先找到本層熱度值最低且在SSD 中有數(shù)據(jù)塊的區(qū)節(jié)點(diǎn)，然后依次向下一層查找，最后檢索到的葉子節(jié)點(diǎn)所指向的區(qū)就是要查找的冷區(qū)。SSD 緩存的數(shù)據(jù)塊的調(diào)入由后臺模塊定期或空閑時完成。

圖2 MTE替換方法

此外，根據(jù)多任務(wù)的I /O 工作流具有順序訪問和區(qū)域集中的特性，可以采取預(yù)取策略增加命中率?？梢圆捎脙煞N預(yù)取策略:一是定期掃描熱區(qū)的信息，選擇熱度值高的區(qū)，調(diào)入這些區(qū)的未調(diào)入的數(shù)據(jù)塊；二是在數(shù)據(jù)塊調(diào)入時，查看該區(qū)的熱度值是否達(dá)到一定門限，如果是，則試圖調(diào)入該數(shù)據(jù)塊之后的幾個數(shù)據(jù)塊；如果不是，則采用MTE預(yù)取策略。

4 實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)使用6臺服務(wù)器組成分布式集群，每個服務(wù)器操作系統(tǒng)為Red Hat Linux Enterprise 6.5，內(nèi)存12GB，硬盤為3TBHDD與1.6TB PCI-E SSD，實(shí)驗(yàn)室采用普通千兆網(wǎng)絡(luò)與交換機(jī)。

4.2 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)在5臺服務(wù)器上部署分布式集群，同時客戶機(jī)上部署測試工具，使用iozone與fio進(jìn)行性能測試與壓力測試，根據(jù)社交網(wǎng)絡(luò)與公司業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，模擬熱數(shù)據(jù)訪問情景。測試方案包括批量小文件順序與隨機(jī)讀寫性能，單個大文件順序與隨機(jī)讀寫性能，測試文件總量為5*3TB=15TB，實(shí)驗(yàn)使用配置文件控制系統(tǒng)是否使用數(shù)據(jù)分層與熱點(diǎn)管理技術(shù)，并作出對比測試。

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)于5臺服務(wù)器與一臺客戶機(jī)組成的分布式集群上進(jìn)行，測試結(jié)果如表1所示。

表1 PCI-E SSD分布式系統(tǒng)測試

可以看出，使用PCI-E SSD的改進(jìn)算法對于分布式系統(tǒng)性能具有飛躍性的提升。盡管原系統(tǒng)也配置了同樣大小的PCI-E SSD，但使用了改進(jìn)算法后，系統(tǒng)總體性能無論是在單客戶端，還是在整個文件系統(tǒng)的吞吐量上，都有了近30%的性能提升。故實(shí)驗(yàn)表明MTE替換算法與數(shù)據(jù)自動分層對于單機(jī)吞吐量與總體性能都有巨大提升。

5 結(jié)束語

本研究基于PCI-E SSD在分布式文件的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了合理的利用熱點(diǎn)算法找出系統(tǒng)中的熱點(diǎn)數(shù)據(jù)可以大幅的提高緩存數(shù)據(jù)的命中率，使得分布式文件系統(tǒng)的讀寫性能產(chǎn)生巨大的提升。同時，降低存儲系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的磁盤負(fù)載，提高緩存空間的利用率，對于優(yōu)化整個分布式文件系統(tǒng)的性能也具有重要意義。研究通過使用數(shù)據(jù)分層存儲技術(shù)，用讀寫速度極快的PCI-E SSD的緩存系統(tǒng)存儲常用的熱點(diǎn)數(shù)據(jù)，使用普通SSD存儲較為常用的數(shù)據(jù)，使用傳統(tǒng)的硬盤存儲很少使用的歷史數(shù)據(jù)，建立讀寫性能高效的層次化分布式文件系統(tǒng)。系統(tǒng)將為電網(wǎng)業(yè)務(wù)提供更可靠的存儲和維護(hù)能力，并且具備良好的可伸縮性和靈活性，為應(yīng)對企業(yè)的數(shù)據(jù)快速增長帶來的業(yè)務(wù)壓力給出了更好的解決方案。

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本研究由2015年國家電網(wǎng)科技項(xiàng)目資助，WBS號：524606150008。