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闪存存储系统中的RAID机制研究

作　者: 杜溢墨
导　师: 肖侬
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 计算机科学与技术
关键词: 闪存存储系统闪存模拟器损耗均衡 RAID
分类号: TP333
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 69次
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内容摘要

数据密集型应用的日益增多对存储系统的性能、可靠性等提出了更高的要求,而以磁盘为主的外部存储设备很难再满足当前对存储系统的需求。闪存(Flash Memory)有体积小、功耗低、抗震性好以及读写性能优越等优势,随着其价格的逐步降低,容量的进一步增大,必将有着更为广泛的应用领域。利用RAID(Redundant Arrays of Inexpensive Disks)机制构建闪存存储系统可以在增大闪存存储系统容量,提高闪存存储系统性能的同时增强闪存存储系统的可靠性,为构建大规模、高性能、高可靠的存储系统提供了一种解决途径。本文针对构建大规模、高性能、高可靠闪存存储系统的目标,研究了闪存存储系统中的RAID机制。本文的工作主要有以下几个方面:1.分析、比较了基于闪存的RAID系统的两种主要构建模式,确定了采用在闪存芯片级构建RAID系统的方式;2.提出了YA-RAID策略,该策略在闪存芯片级构建RAID,采用层次化RAID结构,分布式的控制器设置,多粒度的损耗均衡管理。给出了该策略的详细设计过程和原型系统实现策略;3.提出了适于闪存存储系统的理论分析模型,给出了衡量闪存存储系统的性能、可靠性、成本等三个方面的指标,并对包括YA-RAID在内的多种不同RAID策略的性能、可靠性和成本进行了分析;4.为了对设计的策略进行实验测试,本文设计并实现了一个可定制模块化的闪存模拟器,该模拟器将一个完整的闪存转换层设计实现在由文件系统模拟的闪存芯片阵列上,然后测试了该模拟器的正确性并给出了几个基于该模拟器的应用实例;5.基于模拟器定制了带有包括YA-RAID在内的各种不同RAID策略的模拟器,然后进行了实验测试,结果表明在大规模闪存存储系统中,相比其他RAID策略,YA-RAID策略在保证损耗均衡的基础上有大约30%的性能提升。

全文目录

摘要  9-10
ABSTRACT  10-11
第一章绪论  11-21
  1.1 研究背景  11-12
  1.2 课题介绍  12-18
    1.2.1 闪存存储系统简介  12-13
    1.2.2 RAID 简介  13-14
    1.2.3 课题研究现状  14-18
  1.3 课题研究内容  18-19
  1.4 论文结构  19-21
第二章基于闪存的RAID 系统构建方法研究  21-30
  2.1 构建模式概述  21-22
  2.2 基于SSD 的RAID 系统  22-25
    2.2.1 异构存储的RAID-4  22-23
    2.2.2 带损耗均衡的RAID-5  23
    2.2.3 改进编码方式的RAID-6  23-24
    2.2.4 针对 SSD 的 Diff-RAID  24-25
  2.3 基于闪存芯片的RAID 系统  25-28
    2.3.1 REM  25-26
    2.3.2 FRA  26-27
    2.3.3 SBSS  27-28
  2.4 构建模式比较  28-29
  2.5 本章小结  29-30
第三章一种新的面向闪存芯片的RAID  30-40
  3.1 相关RAID 策略研究  30-31
    3.1.1 传统RAID  30-31
    3.1.2 其他RAID  31
  3.2 YA-RAID 简介  31-33
    3.2.1 层次化RAID  31-32
    3.2.2 YA-RAID 的提出  32-33
  3.3 YA-RAID 的设计  33-36
    3.3.1 体系结构设计  33-34
    3.3.2 并行机制设计  34
    3.3.3 损耗均衡设计  34-36
  3.4 YA-RAID 的原型系统实现  36-37
  3.5 YA-RAID 的特点分析  37-39
  3.6 本章小结  39-40
第四章基于闪存的RAID 系统的理论分析研究  40-51
  4.1 性能分析  40-44
    4.1.1 性能评估方法介绍  40-42
    4.1.2 简化的性能分析模型  42-43
    4.1.3 YA-RAID 的性能分析  43-44
  4.2 可靠性分析  44-48
    4.2.1 可靠性评估方法介绍  44-46
    4.2.2 简化的可靠性分析模型  46-47
    4.2.3 YA-RAID 的可靠性分析  47-48
  4.3 成本开销分析  48-49
    4.3.1 成本开销分析方法介绍  48-49
    4.3.2 成本开销分析模型  49
    4.3.3 YA-RAID 的成本开销分析  49
  4.4 本章小结  49-51
第五章一种可定制模块化的闪存模拟器设计与实现  51-63
  5.1 闪存模拟器的研究现状  51
  5.2 模拟器的体系结构  51-54
  5.3 模拟器的设计与实现  54-58
    5.3.1 存储阵列扫描模块  54
    5.3.2 块访问接口模块  54-55
    5.3.3 RAM 管理模块  55-56
    5.3.4 垃圾回收模块与损耗均衡模块  56-57
    5.3.5 闪存芯片阵列模拟  57-58
  5.4 闪存模拟器的正确性验证  58-60
    5.4.1 实验环境  58
    5.4.2 实验结果  58-60
  5.5 闪存模拟器的应用实例  60-62
    5.5.1 带有数据压缩功能的闪存转换层  60-61
    5.5.2 基于闪存存储系统的I/O 机制研究  61-62
    5.5.3 基于闪存存储系统的RAID 机制研究  62
  5.6 本章小结  62-63
第六章 YA-RAID 的实验评测  63-72
  6.1 模拟器定制  63-64
  6.2 实验分析  64-71
    6.2.1 性能评测  64-68
    6.2.2 损耗均衡评测  68-71
  6.3 本章小结  71-72
第七章结束语  72-74
  7.1 课题取得的成果  72-73
  7.2 下一步工作  73-74
致谢  74-76
参考文献  76-80
作者在学期间取得的学术成果  80

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