磁盘阵列节能技术的研究与实现

论文摘要

随着数据信息爆炸式的增长,存储系统的规模在不断的扩大,存储系统的能耗问题引起了众多研究者和使用者的广泛关注。存储系统的能耗耗费增加了系统运行维护的成本,同时随着能耗的增加降低了系统运行的稳定性和可扩展性,因此研究存储系统能耗问题具有重大的实用意义和经济价值。通过深入研究现有存储系统节能技术,设计了一种采用固态盘作为阵列缓存盘,基于时间窗口对阵列磁盘状态控制的系统结构。采用事件驱动的反馈控制算法预测磁盘负载,该算法根据磁盘在当前时间窗口的负载来预测磁盘在下个时间窗口的负载。在每个时间窗口的起始时刻,根据负载预测情况决定磁盘是否进入待机状态;在时间窗口的结束时刻,所有待机状态磁盘回到活跃状态,将缓存数据写回磁盘。在时间窗口中,如果出现缓存写满或缓存中读请求不命中的情况,可以唤醒待机状态磁盘,完成数据写回或数据读取。在自主研发的JSM350加固磁盘阵列的基础上通过增加一个节能模块以降低系统能耗。该模块可完成对物理磁盘执行读写操作、磁盘管理、负载预测、通讯过滤等功能。其中磁盘管理功能是节能系统的核心,在时间窗口结束时刻唤醒所有待机状态磁盘,调用缓存写回操作并根据负载预测决定下一个时间窗口各磁盘状态;负载预测子模块完成对磁盘负载的预测;通讯子模块完成更新磁盘状态信息和过滤部分磁盘状态变化信息。系统采用性能测试工具IOMeter和典型应用环境的负载对节能功能的预测算法准确性、固态缓存盘对系统性能的影响、节能的效果分别进行测试。测试结果表明预测算法在负载变化缓和的情况下较准确。采用固态盘做系统缓存在随机读负载下性能提高不低于11%,在随机写负载下性能提高不低于18%,在顺序读写负载下能提高小数据块读写性能4%左右。节能模块在对系统性能产生轻微损失的情况下实现了理想的节能效果,在在线事务处理负载下最高能实现不低于40%的节能效果,在网页搜索负载下能实现不低于25%左右的节能效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 磁盘能耗模型
• 1.3 磁盘阵列
• 1.4 国内外研究现状
• 1.5 课题来源
• 1.6 本文组织结构
• 2 存储系统节能技术的一般方法
• 2.1 单盘级节能技术
• 2.2 阵列级节能技术
• 2.3 文件系统级节能技术
• 2.4 本章小结
• 3 磁盘阵列中节能模块的设计
• 3.1 目标平台
• 3.2 节能模块设计目标
• 3.3 节能模块的设计
• 3.4 缓存数据组织
• 3.5 磁盘组织管理策略
• 3.6 负载预测模型
• 3.7 本章小结
• 4 磁盘阵列中节能模块的实现
• 4.1 系统状态和全局数据结构
• 4.2 磁盘管理模块的实现
• 4.3 负载预测模块的实现
• 4.4 通讯模块的实现
• 4.5 读写流程分析
• 4.6 本章小结
• 5 系统测试与分析
• 5.1 测试环境
• 5.2 测试与分析
• 5.3 本章小结
• 6 全文总结
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献