论文摘要
随着数字设备的普及和网络的飞速发展,当今世界已经成为数据的世界,数据存储系统面临着极大的挑战。当前应用不仅需要更大的存储容量,在延迟、带宽、可靠性、能耗等方面也对存储系统提出了更高的要求。传统磁盘设备因其内部机械装置的限制,已经成为大规模存储系统的主要性能瓶颈。基于闪存的SSD（Solid State Drive）以其优异的性能、非易失和低功耗等特点,已经在高端系统中得到广泛的应用。但是,闪存存在寿命有限的缺陷,当闪存应用到大规模存储系统中时存在可靠性方面的问题。RAID（Redundant Arrays of Independent Disks）是一种传统的提高存储可靠性的方案。利用RAID技术构建大规模闪存阵列,既可以增大闪存存储系统的容量,提高性能,又能保证可靠性。本文重点研究基于RAID5的SSD阵列,根据RAID的特性优化了SSD的内部结构,并根据闪存的特性改进了RAID5的控制逻辑,通过两者的结合延长RAID5阵列中SSD的寿命。文章的主要工作和创新点如下:首先,针对闪存寿命有限的问题,提出了一种能够感知RAID5校验信息的PA-SSD（Parity Aware-SSD）结构,该结构在SSD内部合理布局RAID5产生的校验信息,减少SSD内部产生的额外写请求,从而延长SSD的寿命。另外,该结构在SSD控制器内部提出了基于权重值的写缓存替换策略,并优化了FTL（Flash Translation Layer）的地址映射策略和损耗均衡策略。其次,改进了RAID5控制器的内部结构。针对程序中数据的局部性,在RAID5控制器内部增加写缓存,减少写入SSD的数据量;针对校验信息更新频繁的问题,设置数据缓存和部分校验缓存,分别接收从写缓存替换出的用户数据和校验信息,减少校验信息更新时产生的I/O请求,延长SSD的寿命。最后,实现了基于RAID5的SSD阵列模拟器,并基于该模拟器评估了本文提出的PA-SSD结构和改进的RAID5控制器。实验结果表明,PA-SSD平均能够使校验信息的写入量减少26%,闪存芯片的擦除次数降低17%,闪存内部的数据迁移量降低32%。另外,改进的RAID5控制器能够使整个阵列的写请求数降低66%,写延迟降低44%。