一种基于块关联的低能耗磁盘调度方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种磁盘调度方法及系统，尤其是一种基于块关联的低能耗磁盘调度 方法及系统，属于计算机磁盘节能领域。
【背景技术】
[0002] 节能已成为未来计算机系统设计的重要研究方面。同时，存储系统在整个计算机 系统架构中，在能量消耗方面占比较大的比重。因此如何有效的降低系统能耗已成为一个 国际炙手可热的问题。近年来，研究界更是热衷于高端存储系统的能量节约方案研讨。该主 要也是因为存储系统能耗已成为影响企业数据中屯、服务器密度和成本的不容忽视的因素。
[0003] 一些计算机系统的组件已经支持了部分的能量管理功能，例如一些高端服务器的 CP化可W支持低能耗状态，也能在空闲态动态改变时钟频率和电压已达到降低能耗的目 的。AMD近年来就推出了一种基于其多核产品的动态超频技术化rboCORE,目的是解决处 理器核屯、间不同负载下的实际功耗差别较大的问题。其解决方案是由功耗监视器实时测量 每个处理器核屯、的功耗，由北桥汇总，然后统一报告给P-State电源状态管理器，再由其根 据需要让处理器的各个核屯、运行在适当的电源状态下，或者降速或者提速，特别是提速的 时候能短时间超过原始频率，并且保证始终不超过整体热设计功耗。
[0004] 在过去的十年，很多研究工作都投注在移动系统的存储子系统的节能方面。Lu andMicheli提出了一个可适应性算法来动态管理能量，通过自适应得调整来预测将来的 请求，算法可W预测一定时间的系统空闲，同时在此段时间挂起磁盘，从而达到减少能量消 耗。Lietal.通过定量分析估算挂起磁盘所带来的潜在代价，得出在较小系统性能损失的 前提下的系统节能方案的可行性结论。
[0005] 在高端存储领域，提出了许多节能方案，如化pularDataConcentratl/On(PDC) 方案通过对频繁访问数据的迁移实现磁盘子集的节能。国际上现在普遍采用的降低磁盘能 量消耗的方案为MID技术。该技术数使用了一些额外的磁盘高速缓存，使其在活跃的状态 下执行保存最近访问的数据块，其他磁盘可W放在低功耗状态，由此该些磁盘子集的空闲 时间延长，从而达到节能目的。MAID技术非常适合write-once/read-occasI/Onally访问 模式的数据存，主要用于诸如远程备份系统。MID技术的节能依赖于数缓存磁盘驱动器并 行工作。另外，ActiveDisk首次被提出采取个别磁盘驱动器的处理能力来运行应用程序 级代码，一个应用程序的执行过程中如果其中某一部分直接在磁盘驱动器运行可W显着减 少数据流量。该样减少数据交换从另一个方面减少了磁盘的能量消耗。但由于散热和热限 审ij，很难进一步提高磁盘驱动器的数据速率。类似ActiveDisk,Gurumudhi建议，提供更 强大的磁盘驱动器的处理能力来扩展的计算能力，从而减少了数据传输速率的要求，克服 制约因素和提高热性能。
[0006] 然而在高端服务器的存储系统中实现节能是一件非常有挑战的事情。如果只是简 单地为服务器配置更少的磁盘来节约成本，显然是不可取的。同样，服务器系统和移动设备 应用的数据访问模式有很大的不同，移动系统的存储子系统的节能方案就不能应用于服务 器的存储系统。从上面的介绍可w看出，目前对服务器端的存储系统的节能方案更多的是 立足于上层应用的优化，当数据请求下变成底层的I/O数据流时，还没有相应的磁盘调度 算法是基于磁盘能耗设计的。而传统的观点认为在服务器的工作负荷中，空闲时间太短W 至于不能抵消掉磁盘因状态切换所带来的额外能量开销。但根据M.G.Baker的研究表明主 存cache能有效地命中读请求，该启发了基于块级数据的磁盘节能具有可行性。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种基于块关联的低能耗 磁盘调度方法，该方法从磁盘的数据历史访问记录中挖掘数据块之间的块关联规则，进而 磁盘驱动器利用产生的关联规则指导磁盘的状态切换，实现磁盘尽可能多的在低能耗状态 下工作，W此实现磁盘节能的目的，同时保证了系统的性能不会因为此类调度而受到太大 影响。
[000引本发明的另一目的在于提供一种基于块关联的低能耗磁盘调度系统。
[0009] 本发明的目的可W通过采取如下技术方案达到：
[0010] 一种基于块关联的低能耗磁盘调度方法，所述方法包括W下步骤：
[0011] S1、采用改进的数据挖掘技术对I/O请求的历史信息产生适用于磁盘调度的块关 联规则；其中改进的数据挖掘技术为改进数据挖掘中的频繁项挖掘算法，具体如下：
[0012] 在关联规则挖掘的过程中，对于产生的每个频繁项S，扫描频繁项S后缀数据库 D,，从中找出每一个频繁1-项集3 ;连接S和3，构成一个长度为ISI+1的新频繁集s'，其 中5'=5+9 ;然后递归地挖掘新的频繁项，直到不能产生新的频繁项为止；
[0013] S2、采用步骤S1产生的块关联规则对磁盘状态进行切换，从而实现存储系统节 能。
[0014] 作为一种优选方案，在进行频繁项挖掘时，采用=个参数对频繁项进行剪枝，进而 产生块关联规则，该S个参数分别是Min-support、Time-gap和I/0-number，具体为；
[0015] 采用Min-suppcxrt参数对过滤掉候选频繁项中的非频繁项；
[0016] 采用Time-gap参数实现关联I/O请求间的时间间隔控制；
[0017] 采用I/0-number参数限制挖掘规则期间到达的零星I/O请求数量；
[0018] 当频繁度大于Min-suppcxrt参数，期间的时间间隔大于Time-gap参数，并且零星 I/O请求数小于I/0-number参数的候选规则，最终作为指导磁盘进行状态调度的块关联规 贝1J，该些块关联规则被形成一个块关联规则库，供步骤S2调用。
[0019] 作为一种优选方案，所述Min-suppcxrt参数的值设定为0. 1% ;所述Time-gap参 数的值对于低端磁盘，设定为14秒，对于高端磁盘，设定为22. 4秒；所述I/0-number参数 的值设定为3~5。
[0020] 作为一种优选方案，在挖掘频繁1-项集3时，采用动态平衡二叉树来组织块关联 规则集，具体实现是I/O请求的起始地址作为key键值，地址出现的频数作为value值。
[0021] 作为一种优选方案，步骤S2中，所述采用步骤S1产生的块关联规则对磁盘状态进 行切换，具体包括：
[0022] S21、当前一个新I/O请求属于规则集中记录的请求时，将磁盘转入到Stanly 态；
[0023]S22、若新I/O请求是读请求，系统行为会出现W下S种情况：
[0024] 1)若该请求在磁盘spindown过程完成前到达，贝Ij系统将磁盘转回到active态， 同时磁盘cache会缓存在磁盘spinup过程完成之前的所有I/O请求；在磁盘重返active 态后，系统优先处理cache中的请求，同时缓存处理期间的I/O请求；
[002引。若该请求在Time-gap期间内到达，则系统重复步骤1)的工作；
[0026] 3)若该请求在磁盘spinup过程完成前到达，则磁盘cache缓存在磁盘spinup 过程完成之前的所有I/O请求；在磁盘重返active态后，系统优先处理cache中的请求，同 时缓存处理期间的I/O请求；
[0027]S23、若新I/O请求是写请求，系统行为会出现W下S种情况：
[002引 1)若该请求在磁盘spindown过程完成前到达，贝ij系统将磁盘转回到active态， 同时磁盘cache会缓存在磁盘spinup过程完成之前的所有I/O请求；在磁盘重返active态后，系统优先处理cache中的请求，同时缓存处理期间的I/O请求；
[0029] 2)若该请求在Time-gap期间内到达，则系统缓存该请求，磁盘状态不作切换；
[0030] 3)若该请求在磁盘spinup过程完成前到达，则磁盘cache缓存在磁盘spinup 过程完成之前的所有I/O请求；在磁盘重返active态后，系统优先处理cache中的请求，同 时缓存处理期间的I/O请求。
[0031] 作为一种优选方案，步骤S23系统对写请求的行为中，系统通过磁盘cache缓存新 I/O请求，同时向上层应用返回写操作完成信号。
[0032] 作为一种优选方案，所述采用步骤S1产生的块关联规则对磁盘状态进行切换通 过一个DFA状态机完成。
[0033] 本发明的另一目的可W通过采取如下技术方案达到：
[0034] 一种基于块关联的低能耗磁盘调度系统，所述系统包括：
[0035] 块关联规则挖掘模块，用于采用改进的数据挖掘技术对I/O请求的历史信息产生 适用于磁盘调度的块关联规则；其中改进的数据挖掘技术为改进数据挖掘中的频繁项挖掘 算法，具体如下：
[0036] 在关联规则挖掘的过程中，对于产生的每个频繁项S，扫描频繁项S后缀数据库 D,，从中找出每一个频繁1-项集3 ;连接S和a，构成一个长度为Is I+1的新频繁集s'，其 中s'=s+a;然后递归地挖掘新的频繁项，直到不能产生新的频繁项为止；
[0037] 磁盘驱动调度模块，用于采用块关联规则挖掘模块产生的块关联规则对磁盘状态 进行切换，从而实现存储系统节能。
[003引本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
[0039] 1、本发明是面向服务器的存储系统中磁盘节能，主