理论教育 磁盘阵列的性能优化与节能研究现状分析

磁盘阵列的性能优化与节能研究现状分析

时间:2023-10-28 理论教育 版权反馈
【摘要】:目前,已有的针对存储系统的节能研究取得了众多成果。然而多转速磁盘仍处在研究阶段,大规模应用前景并不明朗。eRAID利用RAID的冗余特性重定向I/O请求,通过待机部分或整个冗余组磁盘来降低能耗,并将系统的性能降低控制在可接受范围内。杨良怀等针对SSD、磁盘的混合存储进行节能研究,提出了一种考虑硬盘寿命的自适应磁盘电源管理机制。连续数据存储系统存在着足够的节能优化空间,需要开展细粒度、针对性的节能研究。

磁盘阵列的性能优化与节能研究现状分析

存储系统节能是存储领域内的热点问题,高效低功耗的绿色数据存储,是云计算、大数据等新兴技术面临和需要解决的重要问题和难题。目前,已有的针对存储系统的节能研究取得了众多成果。

基于动态多转速磁盘模型,DRPM算法根据平均响应时间、请求队列长度动态调整磁盘转速实现节能。LD算法则根据工作负载调整磁盘转速:当工作负载小于磁盘低速吞吐量的80%时,转入低速模式;当工作负载大于磁盘低速吞吐量的80%时,转入高速模式。

Zhu等提出的Hibernator由多个不同转速的RAID构成,磁盘可在不同RAID之间动态迁移。在最小能耗和满足性能需求的约束下,利用线性规划方法,优化配置每个RAID中的磁盘数量及转速。然而多转速磁盘仍处在研究阶段,大规模应用前景并不明朗。

PARAID在磁盘阵列中划分出若干个跨越不同磁盘数的逻辑阵列,并把存储空间分别映射到各逻辑阵列上,然后根据负载的性能需求,调度性能合适的逻辑阵列工作。PDC方法根据数据的访问频率,周期地进行数据迁移,并把“冷”数据集中到待机磁盘上。MAID采用两级存储架构前端少量硬盘始终运行,作为Cache盘保存“热”数据,以减少对后端阵列的访问,后端阵列可长时间处于待机状态以达到节能目的。eRAID利用RAID的冗余特性重定向I/O请求,通过待机部分或整个冗余组磁盘来降低能耗,并将系统的性能降低控制在可接受范围内。

Write Off-Loading方法将写向待机磁盘的数据重定向到活动RAID上,以延长磁盘的待机时间。Pergamum针对归档系统,在每个节点添加少量NVRAM来存储数据签名、元数据等较小规模的数据项,从而使延迟写、元数据请求以及磁盘间的数据验证等操作,均可在磁盘待机状态下进行。毛波提出的GRAID为RAID 10增加了一个日志盘,周期更新镜像盘上的数据,将两次更新之间的写数据存放在日志盘和主磁盘上,从而可在镜像盘不更新期间关闭所有镜像盘以实现节能。谢晓玲等提出一种访问模式自匹配和性能保证的磁盘电源管理策略,用基于生命周期管理的LRU队列来识别和消除缓存磁盘的瓶颈效应。

固态盘SSD已广泛应用,它没有机械装置,访问延迟小,擅长处理随机负载。由于集成度和单位价格的限制,SSD更多作为一种辅助存储设备与磁盘共存,如Guerra等在基于SSD、SAS、SATA的多层存储结构中,执行动态数据迁移来降低存储能耗,可提供与SAS系统接近或更高的性能。杨良怀等针对SSD、磁盘的混合存储进行节能研究,提出了一种考虑硬盘寿命的自适应磁盘电源管理机制。目前,虽然SSD具备众多优点,但对于视频监控等海量数据存储应用,仍以磁盘存储为主。

综上,已有节能研究主要面向以随机访问为主的数据中心,如联机事务处理数据库搜索引擎等,没有充分利用连续数据存储中特有的负载特性和访问模式,因此在该类存储应用中节能效果有限。连续数据存储系统存在着足够的节能优化空间,需要开展细粒度、针对性的节能研究。(www.daowen.com)

视频监控等连续数据存储应用,具有如下存储特性:

①以顺序数据访问为主,对随机性能要求不高;

②对数据的可靠性、存储空间要求较高;

③以写操作为主,读操作通常回放写操作;

④数据访问频率基本服从均匀分布,数据没有明显的“冷”“热”区分。

针对上述存储特性,本著作第3章提出了节能磁盘阵列S-RAID 5,采用局部并行数据布局,通过提供合适的并行性实现存储节能。文献[83]在文件系统下对S-RAID进行了性能与节能优化。文献[79]针对归档应用,对S-RAID中存在的“小写”问题进行了性能优化。S-RAID的节能效果显著,非常适于连续数据存储应用,在32路D1标准的视频监控模拟实验中,在满足性能需求、单盘容错的条件下,S-RAID的冗余磁盘最少,功耗最低,其功耗约为节能磁盘阵列Hibernator的59%,eRAID功耗的23%,PARAID、GRAID功耗的21%。

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