[發明專利]用于平衡分段清除與I/O工作負載的速率匹配技術

在審

• 申請號: 201580049232.9
• 申請日: 2015-09-08
• 公開（公告）號: CN107077300A
• 公開（公告）日: 2017-08-18
• 發明（設計）人: D·帕特爾;M·斯瓦米納坦;E·D·麥克拉納漢;J·穆斯
• 申請（專利權）人: NETAPP股份有限公司
• 主分類號: G06F3/06
• 分類號: G06F3/06;G06F12/02
• 代理公司: 北京市金杜律師事務所11256
• 代理人: 張維

技術領域

本公開涉及存儲系統，并且更具體地涉及存儲系統中的高效分段清除。

背景技術

存儲系統通常包括可以根據需要向其錄入信息以及從其獲得信息的一個或多個存儲設備，諸如體現為存儲陣列的快閃存儲設備的固態驅動器(SSD)。存儲系統可以實現高層級模塊(諸如文件系統)以在邏輯上將存儲在陣列的存儲設備上的信息組織為存儲容器，諸如文件或邏輯單元(LUN)。存儲系統群集可以被配置為根據信息遞送的客戶端/服務器模型進行操作，由此允許一個或多個客戶端(主機)例如經由I/O請求來訪問存儲容器。每個存儲容器可以被實現為一組數據結構，諸如為存儲容器存儲數據的數據塊以及描述存儲容器中的數據的元數據塊。例如，元數據可以描述(例如，標識)數據在設備上的存儲位置。

某些類型的SSD(尤其是具有NAND快閃部件的那些SSD)可以包括或者可以不包括內部控制器(即，對于SSD的用戶不可訪問)，該內部控制器在以頁面粒度(例如，8Kbyte)的那些部件之間將有效數據從舊的位置移動到新的位置，繼而僅移動到先前擦除的頁面。此后，頁面被存儲的舊的位置被釋放并且可用于存儲附加數據(例如，經由I/O請求接收)。將有效數據從舊的位置移動到新的位置(即，垃圾收集)有助于系統中的寫入放大。雖然需要提供存儲陣列(即，存儲空間)的SSD上的可用位置以寫入附加數據，但是這種垃圾收集應當被執行以便保持主機角度的平滑延遲(即，保持I/O請求的有界延遲)。因此，期望在有界延遲內在存儲系統繼續服務數據(即，處理I/O請求)，同時確保有足夠的存儲空間和帶寬用于垃圾收集并且向存儲陣列的空閑位置寫入數據。

發明內容

本文所述各實施例涉及速率匹配技術，該速率匹配技術被配置為調節存儲陣列的一個或多個選定部分或分段的清除速率，以適應由在群集的一個或多個節點上執行的存儲輸入/輸出(I/O)棧處理的傳入工作負載的可變速率。傳入工作負載可以表現為針對用戶數據(例如，來自耦合至群集的主機)和相關聯元數據(例如，來自存儲I/O棧的卷層和盤區存儲層)的I/O操作(例如，讀取操作和寫入操作)。盤區存儲層在存儲陣列的固態驅動(SSD)上提供用戶數據和元數據的順序存儲。用戶數據(和元數據)可以被組織為由節點服務的一個或多個主機可見邏輯單元(LUN)的任意數目的長度可變盤區。元數據可以包括從LUN的主機可見邏輯塊地址范圍(即，偏移范圍)到盤區鍵值的映射，以及盤區鍵值到盤區在SSD上存儲的位置的映射。盤區存儲層可以按照分段清除(即，垃圾收集)清除分段，該分段清除示例性地可以被體現為分段清除過程。該分段清除過程可以從待清除的一個或多個分段讀取所有有效盤區，并且將那些有效盤區(例如，未被刪除或復寫的盤區)寫到可被寫入的一個或多個其他分段，由此釋放(即，“清除”)正被清除的分段的存儲空間。

在一個實施例中，速率匹配技術可以被實現為反饋控制機制(例如，反饋控制回路)，該反饋控制機制被配置為基于傳入讀取和寫入工作負載來調節分段清除過程。反饋控制機制的部件可以包括一個或多個加權調度器和各種計數數據結構(例如，計數器)，該計數器被配置為跟蹤(確定)分段清除和空閑空間使用的進度(例如，速率)。該計數器還可以被用于平衡分段清除和傳入I/O工作負載的速率，該傳入I/O工作負載可以取決于傳入I/O速率和傳入I/O工作負載中復寫的模式(減少清除)而改變。當傳入I/O速率改變時，分段清除的速率可以被對應地調節以確保速率(即，傳入I/O速率和分段清除速率)實質上相同(即，平衡)。通過此方式，分段清除僅在需要(即，為傳入I/O釋放空間)時被執行并且減少寫入放大。

存儲I/O棧中的I/O操作(例如，讀取操作和寫入操作)可以按照用戶、元數據和重定位(分段清除器)I/O操作進行分類。讀取操作按照SSD提供服務并且從盤區存儲層的讀取進程被直接分發到存儲I/O棧的RAID層。寫入操作在盤區存儲層的寫入進程被累加，其中在被分發到RAID層之前，相關聯的盤區可以被包裝以形成全條帶。加權調度器可以在盤區存儲層被采用以在RAID層調整讀取操作和全條帶寫入操作。示例性地，寫入加權調度器在寫入進程為分段的所有SSD提供，而讀取加權調度器在讀取進程為分段的每個SSD提供，以便控制I/O操作的各種分類之間的帶寬分布。