二维磁盘矩阵系统结构及I/O加速策略研究

论文摘要

现代科技的进步,互联网的飞速发展,导致网络上的信息资源呈爆炸性增长。1998年图灵奖获得者Jim Gray提出了著名的存储界“摩尔定律”:每18个月全球新增信息量等于有史以来全部信息量的总和。随社会发展,大量的信息需要进行数字编码并进行存取,对信息存储系统的容量和速度提出了越来越高的要求。在一个拥有多个阵列控制卡,每个阵列控制卡上多个磁盘的海量存储系统中,为了满足用户对容量和响应时间的要求,阵列虚拟引擎必须能够将所有的物理存储整合而向上对主机系统提供一个海量逻辑磁盘并能够快速响应主机I/O请求。在不同应用环境下的存储服务器,其I/O请求表现出两种不同的特征:I/O请求数据量大且地址连续和I/O请求数据量小且地址不一定连续。基于此,本文提出了两种不同的二维磁盘矩阵结构以实现容量聚合:①针对数据量大且地址连续的I/O请求类型,设计了单个I/O队列磁盘矩阵;②针对数据量小且地址不连续的I/O请求类型,设计了多个I/O服务队列磁盘矩阵。并分析了两种磁盘矩阵的数据分块和组织策略、逻辑空间管理、地址映射算法。在此基础上,提出了二维磁盘矩阵的全并发访问策略和并行cache管理方法,实现了多主机的快速I/O访问。最后,用排队理论建立了评价二维磁盘矩阵性能的I/O服务模型。理论分析与测试结果表明,二维磁盘矩阵结构不仅可以部署海量的逻辑卷呈现给主机,而且显著提高了多主机I/O并发访问速度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 存储技术概况
• 1.3 SATA 接口技术
• 1.3.1 SATA 和SCSI
• 1.3.2 SATA II：通向企业级存储领域的桥梁
• 1.4 存储技术最新研究进展
• 1.4.1 I/O 加速技术研究现状
• 1.5 研究内容
• 第2章 二维磁盘矩阵的容量聚合
• 2.1 存储虚拟化技术
• 2.1.1 存储虚拟化的应用价值
• 2.1.2 虚拟存储的实现层次
• 2.2 冗余磁盘阵列（RAID）技术
• 2.3 跨阵列卡的容量聚合
• 2.3.1 虚拟磁盘的数据组织
• 2.3.2 逻辑空间管理
• 2.3.3 地址映射
• 2.4 多I/O 服务队列的存储矩阵
• 2.4.1 逻辑空间管理
• 2.4.2 地址映射
• 2.5 阵列管理软件设计
• 2.6 小结
• 第3章 二维磁盘矩阵的全并发访问
• 3.1 阵列的I/O 并发访问与容量聚合
• 3.2 二级并发I/O 模型
• 3.2.1 全并发I/O 模型
• 3.2.2 多I/O 队列并发模型
• 3.3 存储系统的Cache 管理
• 3.3.1 缓存页查找算法
• 3.3.2 缓存页替换算法
• 3.3.3 并行数据传输
• 3.4 小结
• 第4章 二维磁盘矩阵性能评价建模
• 4.1 二维磁盘矩阵I/O 性能分析
• 4.2 单I/O 队列和多I/O 队列的性能比较
• 4.2.1 用户平均等待时间
• 4.2.2 系统吞吐率
• 4.3 二维磁盘矩阵的可靠性及其数学模型
• 4.4 小结
• 第5章 硬件结构与应用测试
• 5.1 存储系统硬件结构
• 5.2 单I/O 服务队列阵列的读/写测试
• 5.3 RAID00 存储矩阵的读/写测试
• 5.4 多I/O 服务队列阵列的读/写测试
• 5.5 小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读硕士学位期间发表论文目录
• 附录B 攻读硕士学位期间参与科研项目