一种计算机存储加速系统及其优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种存储加速系统，特别设及国产计算机针对海量数据且热口数据较 多的应用环境下，提高读性能的存储加速系统及其优化方法。
【背景技术】
[0002] 随着国家科技信息安全意识的不断提高，计算机的自主可控逐渐被提上日程，但 其国产计算机仍处起步阶段，与主流水平存在一定差距。然而，近几年来随着计算机和信息 技术的迅猛发展和普及应用，行业应用系统的规模迅速扩大，行业应用所产生的数据呈爆 炸性增长。面对如此海量的数据，如果将其全部放在大容量的SATA、SAS盘上时，会发现性能 (响应时间）不够;如果全放在固态硬盘(SSD)上时，又会发现成本很高。而现在的大数据具 有一个普遍特点，即大部分数据都会束之高阁封尘千年，只有少部分数据才会频繁访问使 用。如何提高国产计算机的存储读写能力成为研究的重点之一。
[0003] 多年来硬件技术不断向前发展，但各类硬件的发展速度却不尽相同。尤WCPU和磁 盘最为明显，两者之间速度落差的不断增大导致磁盘单位容量的I/O性能越来越低。但随着 闪存技术的进步，SSD的性价比逐渐提高，而且其高性能，低功耗，无噪音的特性对于大型存 储系统有着极大的吸引力。即使如此，SSD的高价格与低容量仍然是制约其大规模应用的主 要原因，例如一个32GBImd嚴X25-ESSD大约花费12美元每GB，运比典型的传统商用硬盘贵 了接近100倍。建立一个只有1TB的服务器，需要32个SSD，仅硬盘就要花费12000美元。所W 目前SSD并不能完全代替传统硬盘，但是我们可W用它来增强传统硬盘的性能，将SSD作为 存储系统中的二级缓存，储存常用数据来加速访问，降低用户的I/O请求直接与机械式磁盘 的交互，并通过与基于SSD的缓存交互提高I/O效率，W此达到性能与价格的兼顾。在计算机 系统中，缓存kache)的魔爪无处不在。CPU中有一级缓存化Icache)、二级缓存化2cache)甚 至Ξ级缓存(；L3cache)，Linux有页高速缓冲存储器(pagecache)，MySQL有高速缓冲存储器 (buffercache/querycache), 10系统中Raid卡/磁盘也有缓存（cache),在大型互联网系 统中，数据库前面一般也都有一层高速缓存系统memcache。缓存kache)是容量与性能之前 取平衡的结果，W更低的成本，获得更高的收益，是系统设计时应该遵循的原则。所W，毫无 疑问基于SSD的缓存技术成为一种更好的加速方案。
[0004] Flashcache是化cebook技术团队的又一力作，最初是为加速MySQL设计的。由于 Flashcache是在Linux层面的，所W任何受磁盘10困绕的软件或应用都可W方便的使用之。 Flashcache-个非常不错的软件（准确的说是一个Linux的模块），可W动态加载。 Flashcache通过在文件系统(VFS)和设备驱动之间新增了一次缓存层，来实现对热口数据 的缓存。由此可见Flashcache满足上述加速方案要求，即用SSD作为介质的缓存，通过将传 统硬盘上的热口数据缓存到SSD上，然后利用SSD优秀的读性能，来加速系统。运个方法较之 内存缓存，没有内存快，但是空间可W比内存大很多。
【发明内容】
[0005] 本发明所解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种计算机存储加速系 统及其优化方法，能有效提高国产计算机存储系统的性能，尤其应对海量数据且热口数据 较多的应用环境。
[0006] 本发明所提供的技术方案为：
[0007] -种计算机存储加速系统，包括国产计算机主板，国产计算机主板通过SATA、SAS 或PCI-E接口连接有如SSD、PBlaze3闪存加速卡等高速存储设备，作为文件系统(VFS)和底 层存储设备之间的高速缓存设备;所述高速存储设备是指数据读写速度高于传统机械硬盘 的存储设备，如SSD、PBlaze3闪存加速卡等。与W往的存储方式相比，本发明利用高速存储 介质提高了I/O效率，并降低用户I/O请求与机械磁盘直接交互的频次，从而在降低了机械 磁盘的故障发生率。
[0008] 所述国产计算机是基于国产自主可控CPU搭建的计算机。
[0009] 通过SATA、SAS或PCI-E等总线增加读写性能明显高于原存储介质(如机械硬盘)的 高速存储介质（如SSD、高速缓冲卡），作为存储系统中的高速缓存层。通过扩展国产计算机 的存储介质，增加高速缓存层，并通过改良高速缓存模块Flashcache的缓存方法，为读缓存 未命中时增加预读机制，W提升后续读写操作的命中率，来进一步增加读写性能。
[0010] 优选地，国产计算机主板通过PCI-E插槽连接有PBlaze3闪存加速卡，作为文件系 统(VFS)和底层存储设备之间的缓存设备。
[0011] -种计算机存储加速系统的优化方法，所述计算机存储加速系统为上述的计算机 存储加速系统，其优化方法为:采用基于Linux内核开发的国产操作系统，通过内核加载高 速缓存模块Flashcache，实现将底层存储设备(低速存储介质)上的数据缓存到高速存储设 备(高速存储介质)上，从而通过高速存储介质优秀的读写能力来提升存储系统的性能。
[0012] 所述高速缓存模块Flashcache通过通用设备映射机制Devicemapper将高速缓存 设备和底层存储设备映射为同一逻辑存储设备(层）（MappedDevice),从而通过高速存储 介质优秀的读写能力来提升存储系统的性能。所述MappedDevice是作为虚拟的块设备驱 动在内核中被注册的，它不是一个真实的设备驱动，不能完成块I/O请求(bio)处理，因此， 它主要是基于映射表对bio进行分解、克隆和重映射，然后通过调用某一目标设备驱动 targeLdriver的映射方法，来映射从上层分发下来的bio,找到正确的目标设备(Target_ Device),并将bio转发到目标设备的请求队列，启动数据传输，完成操作。当文件系统下发 I/O请求时，不再直接访问底层真实存储设备，而是下发到高速缓存设备上，查找数据，如果 存在则直接返回给上层，进而提高读写性能，如果不存在则需要将I/O请求再次下发到真实 存储设备上查找，如果找到则将数据返回给上一层并把数据写入到高速缓存中。
[0013] 进一步地，当文件系统下发I/O请求(读命令)时，下发到高速缓存设备上，查找目 标数据，如果在高速缓存设备上找到目标数据，则直接将目标数据返回给上层文件系统;如 果未在高速缓存设备上找到目标数据（即在高速缓存层未命中），则再次下发到底层存储设 备上查找，如果找到目标数据(命中），则在将目标数据返回给上层文件系统时，增加预读机 审IJ，即根据局部性原理，将目标数据及与目标数据相邻的多个数据块一起缓存到高速缓存 设备上，来提升后续操作在高速缓存中的命中率，从而提高整个存储系统的性能。
[0014] 有益效果：
[0015] 1、本发明的存储加速系统，在国产计算机的主板上通过PCI-E插槽扩展PBlaze3闪 存加速卡，作为文件系统(VFS)和设备驱动之间的高速缓存层，降低用户的I/O请求直接与 机械式磁盘的交互，从而在时间上推迟了机械式磁盘故障的发生时间，并通过与基于高速 换设备交互提高I/O效率，进而从总体上提高国产计算机存储系统的效率；
[0016] 2、本发明的优化存储方法，通过改良高速缓存模块的缓存方法，为读缓存未命中 时增加预读机制，所述预读机制在文件系统向设备驱动直接下发读命令后，将与目标数据 相邻的多个数据块一起缓存到高速缓存层，进一步提升国产计算机存储系统读写性能。
【附图说明】
[0017] 图1为本发明加入高速缓存后的分级缓存存储方式；
[001引图2为现有存储方式；
[0019] 图3为MappedDevice内核中各对象之间的层次关系；
[0020] 图4为flashcahce数据读取流程；
[0021] 图5为Linux存储层次架构。
【具体实施方式】
[0022] W下结合附图和【具体实施方式】对本发明进行进一步具体说明。
[0023] 1、计算机存储加速系统
[0024] 本发明的计算机存储加速系统一种计算机存储加速系统，包括国产计算机主板， 国产计算机主板通过SATA、SAS或PCI-E接口连接有如SSD、PBlaze3闪存加速卡等高速存储 设备，作为文件系统(VFS)和底层存储设备之间的缓存设备。如图1所示，与W往的存储方式 (见图2)相比，利