[论文解读] A Survey on Tiering and Caching in High-Performance Storage Systems

Morteza Hoseinzadeh|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2019

Advanced Data Storage Technologies参考文献 49被引用 10

一句话总结

本综述全面分析了高性能存储系统中的缓存与分层技术，重点探讨了利用非易失性内存（NVM）作为高速层级以弥合SSD与HDD之间性能差距的潜力。它提出了Ziggurat，一种多层级文件系统，通过动态阈值和分组迁移技术智能地在NVM与磁盘之间迁移数据，以优化延迟、带宽和NVM利用率，在企业级工作负载中实现高可扩展性和高性能。

ABSTRACT

Although every individual invented storage technology made a big step towards perfection, none of them is spotless. Different data store essentials such as performance, availability, and recovery requirements have not met together in a single economically affordable medium, yet. One of the most influential factors is price. So, there has always been a trade-off between having a desired set of storage choices and the costs. To address this issue, a network of various types of storing media is used to deliver the high performance of expensive devices such as solid state drives and non-volatile memories, along with the high capacity of inexpensive ones like hard disk drives. In software, caching and tiering are long-established concepts for handling file operations and moving data automatically within such a storage network and manage data backup in low-cost media. Intelligently moving data around different devices based on the needs is the key insight for this matter. In this survey, we discuss some recent pieces of research that have been done to improve high-performance storage systems with caching and tiering techniques.

研究动机与目标

• 通过提升存储系统性能和成本效率，解决大规模数据中心中的I/O瓶颈。
• 克服仅依赖HDD和SSD的传统存储层级的局限性，特别是在处理具有不同访问模式的混合工作负载时。
• 探索新兴非易失性内存（NVM）技术（如3D XPoint）作为高性能层级的潜力，以降低延迟并提高持久性。
• 设计一种可扩展、高效且自适应的缓存与分层解决方案，最大化NVM利用率，同时最小化对较慢存储层级的随机I/O压力。
• 开发一种文件系统，能够根据访问模式、写入行为和系统负载，动态管理NVM与磁盘之间的数据迁移。

提出的方法

• Ziggurat基于应用程序写入模式的动态迁移阈值，确定何时将数据从NVM迁移到磁盘。
• 它采用冷数据预测器分析文件访问序列，识别未来的同步写入操作，从而实现冷数据的提前迁移。
• 数据迁移以大块、连续的传输单元进行，以充分利用磁盘带宽并减少随机I/O的开销。
• 系统在NVM中使用日志结构化的inode结构来跟踪迁移元数据，并在读取密集型工作负载下支持从磁盘到NVM的反向迁移。
• Ziggurat扩展了NOVA的每CPU存储分配器，并使用每CPU的迁移和回写线程，以确保高可扩展性。
• 它将相邻的文件块聚合为大的迁移单元，与未来的I/O大小和CPU缓存行大小对齐，以提高数据预取效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何优化缓存与分层技术，以减少大规模、数据密集型工作负载中的I/O延迟？
• RQ2 新兴的非易失性内存（NVM）技术在提升存储系统性能和成本效率方面可发挥何种作用？
• RQ3 在多样的访问和写入模式下，如何实现NVM与磁盘之间高效且可扩展的数据迁移？
• RQ4 哪些启发式方法或预测器能有效识别冷数据和未来的同步写入操作，以指导智能分层决策？
• RQ5 如何充分使用NVM空间以吸收同步写入操作，从而减轻对较慢存储层级的压力？

主要发现

• Ziggurat通过将同步写入操作卸载到NVM，减少了慢速存储设备的性能影响，从而降低了I/O延迟。
• 以大块、连续方式执行的数据分组迁移提高了磁盘带宽利用率，并减少了随机I/O操作的开销。
• 通过每CPU存储分配器和迁移线程，系统实现了高可扩展性，能够高效处理并发工作负载。
• 基于应用程序写入行为的动态迁移阈值使Ziggurat能够自适应地管理数据布局，优化NVM使用。
• 在读取主导型工作负载下，从磁盘到NVM的反向迁移可提升性能，使频繁访问的数据保留在更快的存储中。
• Ziggurat的设计充分利用了NVM容量，以吸收同步写入操作，减少了对昂贵DRAM的需求，提升了整体系统效率。