NVMe多流固态盘的流管理研究

• 作 者: 李艺林
• 出 处: 华中科技大学
• 发表日期: 2020年03期
• 关键词: NVMe 固态盘 多流 流管理策略 写放大

非易失性内存主机控制器接口规范NVMe(Non-Volatile Memory express)提高了固态盘的性能。主机通过NVMe新引入的多流接口,将流管理策略产生的数据预期寿命等语义信息传递到固态盘,指引其合理地布局数据,从而减少垃圾回收时迁移的有效页数量,进而降低写放大。手动流管理策略需要熟悉应用的资深开发者根据其内部工作机制定制,依赖于特定应用。自动流管理策略根据请求的特性(逻辑地址的顺序性、访问频度、最近访问时间等)来预测数据的寿命,不依赖于具体应用而具有较好的扩展性。然而现有的自动流管理策略未考虑元数据与数据、不同类型的元数据、不同的数据之间的寿命差异,未考虑顺序性、随机性应用的写放大差异,未考虑固态盘支持的流的数量受限的问题。针对以上问题,提出一种基于内核态I/O(Input/Output)栈的混合自动流管理策略MixedStream,结合元数据类型与请求的逻辑地址特性,区分元数据与数据、不同类型的元数据、不同的数据之间的寿命差异。提出一种基于用户态I/O栈的自动流管理策略UStream,动态适应不同的应用程序,区分顺序性、随机性应用的写放大差异。引入虚拟流的概念,采用二次分流的方法解决固态盘支持的流的数量受限问题。第一次分流,MixedStream完成不同类型的元数据与数据到虚拟流的映射,而UStream完成顺序性与随机性应用的数据到虚拟流的映射。第二次分流,两种策略均根据虚拟流内数据/元数据的平均寿命,动态调整其与物理流的映射关系。完成实验验证。在自主研制的多流固态盘上的测试结果表明,相比于仅根据元数据类型制定的FStream以及仅根据请求的逻辑地址特性制定的AutoStream两种流管理策略,MixedStream写放大因子分别降低2.11%-6.64%和1.96%-7.56%,性能分别提高1.49%-4.61%与0.79%-5.11%;相比于AutoStream,UStream写放大因子降低8.03%-21.57%,性能提高5.88%-16.43%。