基于固态硬盘的存储系统性能分析模型研究

Solid-state drives (SSDs) are a new type of storage devices which have been revolutionizing the architecture of storage systems. Due to their specific features, the I/O performance, durability and reliability of SSDs based storage systems are usually influenced by the internal architectures and algorithms of SSDs, architecture of the whole storage system and workloads of different applications in very different ways. However, such influence has not been well studied so far, and it still lacks theoretic models for SSDs to analyze the influence. Motivated by this, we first develop a theoretical framework to analyze the influence of garbage collection algorithms and wear-leveling techniques on the I/O performance and durability of SSDs, especially the design tradeoffs between them, so as to correctly characterize the relationship between the performance and internal architectures of SSDs, and to help system design so as to enhance the performance of SSDs. Besides, we also develop a theoretical model which is able to analyze the reliability of SSDs. We aim at providing theoretical guidance and analytical tools for designing highly reliable storage systems by using SSDs. At last, we analyze the applicability and performability of SSDs in large-scale storage systems so as to provide analytical tools for SSDs based storage systems, as well as to guide system design so as to fully utilize the performance of SSDs.

固态硬盘是一种正在改变存储系统体系结构的新型存储设备，由于固态硬盘独特的物理特点，从而导致固态硬盘的内部结构与实现算法，以及存储系统的体系结构与工作负载对固态硬盘的读写性能、使用寿命与可靠性均形成独特的影响。但是，目前仍然缺乏适用于固态硬盘的理论模型来揭示不同的系统结构对固态硬盘性能的影响。本项目拟建模分析固态硬盘内部的垃圾回收算法与损耗均衡机制对固态硬盘读写性能与使用寿命的影响，并揭示两者之间的权衡关系，旨在准确掌握固态硬盘的性能与内部结构的关系，从而指导系统设计提升固态硬盘的性能。其次，本项目拟构建适用于固态硬盘的可靠性分析模型，从而为设计高可靠的存储系统提供理论分析工具与设计指导。最后，本项目拟建模分析固态硬盘在大规模存储系统中的可适用性，揭示不同的系统结构与工作负载对系统性能的影响，从而为基于固态硬盘的存储系统提供理论分析工具，并指导设计能有效利用固态硬盘性能的大规模存储系统。

由于固态硬盘拥有比传统磁盘更好的读写性能，已被广泛采用于个人电脑与企业级的数据中心，并且正在改变传统的存储系统体系结构。但是，由于固态硬盘独特的物理特点，从而导致存储系统的体系架构与工作负载均对固态硬盘的读写性能、使用寿命与可靠性形成独特的影响。而且目前仍然缺乏适用于固态硬盘的分析模型来揭示该影响，从而指导系统设计。此外，为了提升系统可靠性，我们需要将固态硬盘与编码结合，但是冗余数据的引入势必增加固态硬盘的写请求，降低系统性能与寿命，因此需要对固态硬盘阵列系统的读写机制进行优化。..鉴于此，本项目首先对固态硬盘内部的垃圾回收机制与固态硬盘阵列的可靠性开展了相应的理论研究。其次，为了将固态硬盘与存储编码进行有效结合以实现高效高可靠的存储系统，我们还针对基于编码的存储系统开展了一定的研究，主要是固态硬盘阵列的校验更新优化以及编码存储系统的扩容、修复与异步编码等技术。..通过对以上问题的研究，我们首先提出了简洁的理论模型，首次定量揭示了固态硬盘的性能与寿命之间的权衡关系，通过最优化理论，给出了最优的权衡关系，并且提出了能实现该最优关系的算法。其次，提出了针对固态硬盘阵列的可靠性评估模型，首次考虑了固态硬盘位错误率的时变性，实现了对固态硬盘阵列可靠性的实时准确评估。该评估模型首次结合了固态硬盘的独特性质，相关工作获得了多家IT杂志的报道。此外，提出了新颖的固态硬盘阵列技术，有效提升了阵列系统的读写性能，实现了相应的开源原型系统。最后，针对编码存储系统，提出了一系列离线和在线扩容算法，具备快速修复性能的编码技术，以及从复制到纠删码的高效编码转换机制。..经过为期三年的研究，共发表国际学术论文17篇，其中包括CCF推荐的A类期刊论文5篇（TC、TCAD2篇、TPDS、TIFS），CCF推荐的A类会议论文1篇（INFOCOM），以及CCF 推荐的B类会议论文4篇（DSN3篇、ICCD），以上论文均已标注该项目的资助。