[發明專利]一種存儲系統的緩存系統

無效

• 申請號: 201010598527.0
• 申請日: 2010-12-17
• 公開（公告）號: CN102043731A
• 公開（公告）日: 2011-05-04
• 發明（設計）人: 許建衛;駱志軍;邵宗有
• 申請（專利權）人: 天津曙光計算機產業有限公司
• 主分類號: G06F12/08
• 分類號: G06F12/08
• 代理公司: 北京安博達知識產權代理有限公司 11271
• 代理人: 徐國文

技術領域

本發明涉及存儲系統性能優化領域，具體涉及一種存儲系統的緩存系統。

背景技術

計算機發展過程中，CPU速度一直隨著摩爾定律發展，即每年增長60％左右。但作為主要存儲設備的磁盤系統，訪問速度卻增長緩慢，每年只有7％左右。因此，CPU和磁盤之間的性能差距就越來越大，“IO墻”已經成為“CPU墻”和“內存墻”之后計算機系統新的瓶頸。

這種處理速度的差距對外表現在服務器端不能穩定可靠地對外提供服務、客戶端得不到及時的高質量的IO響應。目前常見的解決方案是通過增加服務器數量，從而增加存儲部件的數量來解決IO問題，但這種方法會造成計算資源的浪費；即使通過簡單地增加磁盤設備的數量來提高存儲系統性能，也會有更多的磁盤存儲空間被浪費；此外，其他電力成本、機房和環境成本也隨著服務器或磁盤設備數量的增加而不斷上升。

為了彌補基于磁盤的存儲設備性能的不足，目前許多新的存儲介質不斷出現，比如Flash，PCM等。但磁盤容量大、價格低等優勢使得其在存儲系統中的主流地位短期內不會改變。因此，如何提高現有磁盤系統的性能就顯得極為重要。

分級存儲的概念在計算機系統中得到了普遍采用，緩存層主要擔負兩方面的工作，一方面是將之前訪問過的數據緩存下來，根據數據訪問的時間局部性原理，這些數據在短期內可能會被再次訪問，因此可以直接從緩存層讀出，而不用再次訪問主存介質。另一方面，緩存層還需要對應用即將訪問的數據做預測，并將預測的內容提早讀入緩存介質中。在預測正確的情況下，后續的訪問可以直接在緩存介質中命中，也同樣避免了訪問速度較慢的主存介質。

因此，存儲介質就需要具有耐磨損、讀寫速度快、讀寫均衡、系統干擾低的特點。現有的基于FLASH的存儲設備由于其寫入次數有限，并且寫帶寬明顯低于讀帶寬等缺點使其不能用作緩存介質。而如果借用宿主機內存，由于內存之間的數據遷移需要CPU參與，因此用宿主機內存做緩存介質會對系統帶來性能方面的干擾。

發明內容

為解決上述缺點，本發明從存儲系統的緩存和預取技術出發，在磁盤設備和內存系統之間增加緩存層，從而形成層次化的存儲結構，提高底層設備和存儲系統整體的性能。

一種存儲系統的緩存系統，包括對外接口層，緩存管理模塊和塊設備硬件層；

所述對外接口層包括用戶接口和標準塊設備接口；

所述緩存管理模塊包括虛擬設備映射層和核心管理層；

所述塊設備硬件層包括基于RAM的高速塊設備和常規的標準塊設備。

本發明的第一種優選技術方案在于：應用通過所述標準塊設備接口對設備進行read、write、ioctl操作；用戶通過所述用戶接口構建、管理和配置緩存系統。

本發明的第二種優選技術方案在于：所述虛擬設備映射層用來在緩存設備和標準存儲設備之間建立映射和地址轉化。

本發明的第三種優選技術方案在于：所述核心管理層對底層存儲設備進行管理和組織，處理具體的IO請求和進行各種策略的實現和轉換。

本發明的第四種優選技術方案在于：所述基于RAM的高速塊設備用來做標準塊設備的緩存，所述標準塊設備可以是磁盤、盤陣、RAID或是虛擬塊設備。

本發明中帶來的有益效果如下：

低價格：由于后端存儲仍使用基于磁盤的存儲系統，所以整體系統的價格比全部采用FLASH的系統低；

高性能：命中率較高的情況下，多數的訪問都在高速緩存介質中命中，因此系統可以提供近似高速緩存介質的性能；

大容量：由于數據最終存儲在外部存儲上，因此最終的系統存儲容量是基于磁盤的存儲容量。

附圖說明

圖1是本發明緩存系統架構圖

圖2是本發明系統中數據訪問流程

圖3是本發明讀請求處理流程

圖4是本發明寫請求處理流程

具體實施方式

如圖1所示，在緩存系統的最上層是對外接口層，提供用戶接口和塊設備操作接口。在對外接口層之下是緩存系統的緩存管理模塊，該模塊是本發明設計實現的主要部分，它包括虛擬設備映射層和核心管理層；最底層是塊設備硬件層，由基于RAM的高速塊設備和一個常規的標準塊設備組成，其中基于RAM的高速塊設備用來做標準塊設備的緩存。

在緩存管理模塊中，虛擬設備映射層主要實現緩存系統虛擬的緩存設備與原始數據源設備的地址映射和封裝。緩存系統核心管理層在底層的緩存設備和標準數據源設備之間進行緩存單元的映射，建立緩存映射關系，并通過相應的數據結構來進行緩存的管理，通過對緩存單元狀態的管理，達到對IO請求進行分發和控制的目的。

其中，各個模塊的功能劃分如下：