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基于SMP机群的虚拟共享存储系统

作　者: 刘海明
导　师: 胡伟武
学　校: 中国科学院研究生院（计算技术研究所）
专　业: 计算机组织与系统结构
关键词: 虚拟共享存储系统(SVM) DSM SMP 硬件共享机群 Cache一致性协议存储一致性模型 JIAJIA
分类号: TP333
类　型: 硕士论文
年　份: 2001年
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内容摘要

传统的虚拟共享存储系统(又称为软件分布式共享存储系统，软件DSM)是建立在单处理器机群上的，它通过软件维护一致性提供给程序员一个虚拟的共享存储空间。SMP机群的兴起使得建立面向SMP机群的虚拟共享存储系统成为虚拟共享存储系统领域的一个新的热点。同基于单处理器机群的虚拟共享存储系统相比，基于SMP机群的虚拟共享存储系统可以在SMP节点内部利用SMP的硬件共享维护一致性，减少软件开销和远程通信，提高系统性能。本文在原有的基于单处理器机群的虚拟共享存储系统JIAJIA的基础上实现了一个面向SMP机群的虚拟共享存储系统，JIAJIA-SMP。并比较和分析了JIAJIA-SMP的不同实现方法与没有利用SMP硬件共享机制的JIAJIA性能上的差异，分析了具有不同访存模式的应用程序对虚拟共享存储系统性能上的影响。本文首先讨论了各种可能的基于SMP机群的虚拟共享存储系统的实现方案及其优缺点，在此基础上选择了其中的一种方案进行实现。详细分析了实现SMP机群上的虚拟共享存储系统需要解决的问题：如何充分利用SMP节点内部的硬件共享机制和同步机制，减少软件开销；介绍了JIAJIA-SMP中新的cache一致性协议，这种协议具有更好的可扩展性。在给出了系统的基本实现之后，指出了在此基础上可以进行的进一步的优化。然后在同一硬件和软件平台上对JIAJIA-SMP的两种实现方法与没有利用任何SMP硬件共享机制的JIAJIA三种方案进行了性能测试和比较。分析了利用SMP的硬件共享和同步机制对虚拟共享存储系统性能上的影响以及具有不同访存模式的应用程序对虚拟共享存储系统性能上的影响。在此基础上得到的结论是：JIAJIA-SMP由于充分利用了SMP的硬件共享和同步机制，在性能上优于没有利用节点内部硬件共享的JIAJIA，利用SMP的硬件共享机制共享home和cache对于面向SMP机器的虚拟共享存储系统是十分必要的。

全文目录

第一章引言  10-22
  1.1 虚拟共享存储系统简介  10-11
    1.1.1 虚拟共享存储系统的发展  10-11
    1.1.2 虚拟共享存储系统的特点  11
  1.2 虚拟共享存储系统中的关键技术  11-20
    1.2.1 虚拟共享存储系统中的数据一致性  11-17
    1.2.2 虚拟共享存储系统的实现方式  17-19
    1.2.3 虚拟共享存储系统的编程接口  19-20
  1.3 基于SMP 机群的虚拟共享存储系统  20-21
  1.4 本文贡献  21
  1.5 论文组织  21-22
第二章 JIAJIA虚拟共享存储系统  22-30
  2.1 存储器组织  22-23
  2.2 基于锁的CACHE一致性协议  23-25
  2.3 优化措施  25-28
    2.3.1 Home的迁移  25
    2.3.2 动态数据预取  25
    2.3.3 写向量  25-26
    2.3.4 减少不必要的使页无效操作  26
    2.3.5 懒惰的home写检测机制  26-27
    2.3.6 面向SMP的优化  27-28
  2.4 编程界面  28-30
第三章基于SMP机群的虚拟共享存储系统—JIAJIA-SMP  30-44
  3.1 系统设计目标  30-31
  3.2 设计方案选择  31-36
    3.2.1 独立的Home与Cache  31-32
    3.2.2 共享Home,不共享Cache  32-33
    3.2.3 共享Home与Cache,共享页表  33-34
    3.2.4 共享Home与Cache,不共享页表  34-36
  3.3 实现方案选择  36-37
    3.3.1 进程vs.线程  36-37
    3.3.2 shmget vs.mmap  37
  3.4 主要技术问题  37-39
    3.4.1 双向diff—共享Cache的解决方案  37-38
    3.4.2 节点内的互斥与同步  38
    3.4.3 Cache页的重用  38-39
  3.5 JIAJIA-SMP中的CACHE一致性协议  39-41
    3.5.1 主要数据结构  39-40
    3.5.2 主要的维护一致性操作  40-41
  3.6 优化措施  41-42
    3.6.1 Home的迁移  41
    3.6.2 Lock操作  41-42
    3.6.3 Barrier操作  42
    3.6.4 支持大内存  42
  3.7 本章小结  42-44
第四章 JIAJIA-SMP的性能测试与分析  44-60
  4.1 测试目标  44
  4.2 测试平台  44
  4.3 测试程序  44-47
  4.4 测试结果与分析  47-57
    4.4.1 性能比较  48-50
    4.4.2 性能提高的原因  50-55
    4.4.3 访存行为对性能的影响  55-57
  4.5 相关工作  57-58
  4.6 本章小结  58-60
第五章结论与进一步的工作  60-62
  5.1 结论  60
  5.2 进一步的工作  60-62
参考文献  62-66
作者简历  66

基于SMP机群的虚拟共享存储系统

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