海量信息分级存储数据迁移策略研究

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贡献于2012-11-22

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CN43-1258/ T P ISSN 1007-130X 计算机工程与科学 COMPUTER ENGINEERING & SCIENCE 2009 年第 31 卷第 A1 期 Vol 31, No A1, 2009 文章编号: 1007-130X( 2009) A1-0163-05 海量信息分级存储数据迁移策略研究* Research on the Data M igration Strategy of H ierarchical Mass Storage System 吕 帅, 刘光明, 徐 凯 , 刘 欣 L Shuai, LIU Guang-ming, XU Kai, LIU Xin ( 国防科技大学计算机学院, 湖南 长沙 410073) ( School of Computer Science, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China) 摘 要: 以数据为中心的计算模式对存储系统的性能和可靠性提出了新的更高的要求。目前, PB 量级的存储系统需 要数千甚至上万块磁盘, 高并行性、高可靠性和高性价比是海量磁盘存储系统的三项关键要求。本文提出由性能和可靠性 不同的两级磁盘阵列组成二级海量存储系统, 通过数据自动迁移, 可在保证存储系统高性价比的条件下, 获得更高的并行 访问速率和可靠性。本文基于分级存储管理的思想, 提出了 FC SAS 和 SAT AII 两级存储模型, 设计了 FV 数据价值评 定模型和迁移过程控制策略, 实现对数据价值的精确判定, 在尽量减小对系统访问性能影响的基础上, 实现数据在两级设 备间的高效迁移和用户的透明访问。 Abstract: Data has to be more and more reliable and system has to be much faster because of the data cent er computing model, current st orage system stores petabytes of data on t housands of disks, high parallelism, high reliability and high Per- formance-t o-price rat io are t he kernel demands of mass storage system. In this paper, t wo t iered mass storage system based on different disks is proposed supply much higher I/ O performance and reliability by automatic data migration. Based on HSM , w e put forward tw o tiered storage system model named FC SAS and SATAII , design a file-level valuation model to classify f iles in disks exactly, and a data migration process control st rategy to supply efficient data migration bet ween two tiered disks w hich can implement transparent accessing based on affecting the system I/ O performance as less as possible. 关键词: 数据迁移; 分级存储管理; 数据价值; 管理模型; Key words: data migration; hierarchical storage management; data value; management model; doi:10. 3969/ j. issn. 1007-130X. 2009. A1. 046 中图分类号: T P316 文献标识码: A 1 引言 随着大规模数据采集和处理技术的飞速发展, 高性能 计算机系统存储的数据已达到 PB 量级, 即使采用当今最 大容量( 1TB 量级) 的磁盘, 对于 PB 级的存储系统仍然需 要数千块磁盘。按读写速率和可靠性, 可将磁盘分为两类: 一类为高性能和高可靠磁盘, 如 FC 和 SAS 接口的磁盘; 第 二类为容量最大但读写速率和可靠性都不及 FC 和 SAS 接 口的磁盘, 如 SATAII 接口的磁盘。如果全部使用 FC 盘 或 SAS 盘构建存储系统, 性能和可靠性均较高, 但构建成 本也较高( 据表 1 的数据, FC 盘的单位容量价格约是 SA- TAII 盘的 13 倍) 。因此, 需混合使用上述两类磁盘, 使构 建的存储系统具有较高的性价比。在由混合磁盘构建的存 储系统中, 降低因 SATAII 磁盘的可靠性不足对存储系统 可靠性的影响是需重点研究和解决的问题。例如一个由 2000 个 SAT AII 盘组成的存储阵列, 按照当前的磁盘年失 效率为 1. 7% ~ 8. 6% [ 1] 的可靠性水平考虑, 每周都将会有 1~ 2 块磁盘因故障需要替换。本文利用分级存储管理 H SM( H ierarchical Storage Management, 简称 H SM) 的思 想, 提出了海量数据存储的二级存储结构和数据在二级间 迁移的方法, 以提高 PB 级存储系统的使用性能。将第一 163 * 收稿日期: 2009-07-13; 修订日期: 2009-09-10 基金项目: 十一五国防预研资助项目( 51316040301) 作者简介: 吕帅( 1984-) , 男, 山东枣庄人, 硕士生, 研究方向 为大规模 海量存储; 刘光明, 研 究员, 研究方 向为高性 能计算 机系统 结 构、光互连和大规模海量存储; 徐凯, 硕士生, 研究方向为大规模海量存储; 刘欣, 研究方向为计算机体系结构。 通讯地址: 410073 湖南省长沙市国防科技大学计算机学院学员五队; T el 13467577058; E-m ail: lvshua-i 0815@ 163. com Address: School of Computer Science, National University of Defense Technology, Changsha, Hunan 410073, P. R. China 级称为 FC-SAS 级, 由 FC 和 SAS 磁盘组成的阵列; 第二级 称为 SATAII 级, 由 SAT AII 磁盘组成的阵列。我们把数 据的重要性和未来一段时间内被访问的概率定义为存储系 统中数据的价值, 根据数据的价值, 把数据存储在相应性能 的存储设备上。本数据迁移策略和算法的目的是提高使用 第一级盘阵的概率, 减少使用第二级盘阵的概率, 使用户可 在高性能盘阵中进行文件的快速操作, 以便大大提高整个 系统的性能和可靠性。例如, 根据表 1 的数据, 若一个大规 模存储系统中 10% 容量使用 FC 盘阵, 其余 90% 使用 SA- T AII 盘阵, 假定 90% 的访问都可以在 FC 盘阵中实现的 话, 那么整个系统会在成本稍有增加的基础上使性能提高 约一倍, 可靠性也可得到相应的提高。另外, 通过减少对 SAT AII 盘阵的访问, 可进一步提高系统的可靠性。 本文中提出的 FC-SAS 和 SATAII 两级存储模型的实 现目标是: ( 1) 对数据价值的准确评价; ( 2) 实现基于策略的 自动迁移; ( 3) 用户对迁移过程中文件的透明访问。由第一 级向第二级的自上向下迁移通常是要求在系统访问量较少 或者停顿的时候进行, 因此要求以最快的速度迁移[ 4] ; 而由 第二级向第一级的自下向上迁移是为了优化系统性能, 因 此要求在正常并且对系统的影响较小的情况下以适当的速 度迁移[ 5] 。本文利用信息反馈控制机制来实现数据传输速 率的设定, 以尽量减少迁移对系统的影响, 采用多线程技术 和文件系统的锁机制[6] 来保证在尽量不影响系统性能的基 础上, 实现数据迁移的高速传输和迁移过程中用户的透明 访问。本文将主要研究内容分为以下几部分: ( 1) 数据迁移策略分析; ( 2) FV 价值评定算法模型; ( 3) 数据迁移的过程控制模型。 2 数据迁移策略分析 具体的迁移策略中, 传统的迁移策略主要有 Cache 的 数据替换和信息生命周期管理 ILM( Information Lifecycle Management, 简称 ILM) 中的数据迁移两种策略。本文所 设计的数据迁移策略是在数据由第一级向第二级迁移时采 用类似于信息生命周期管理的方法, 信息生命周期管理的 核心是根据对数据价值的准确判定, 分配与其价值相对应 的性能合适的存储设备。数据价值的评定方法有基于数据 块的和基于文件的, 第一种主要应用于 DAS、SAN 等基于 数据块的存储系统。目前的高性能计算中多使用对象存 储, 通过详细的元数据描述文件的属性, 因此完全可以使用 基于文件级的数据价值评定方法。传统的数据价值评定如 文献 [ 7~ 9] 中采用的基于数据块的方法, 基于文件级的方 法如文献[ 10~ 12] 所述。但是, 以上传统的方法考虑的因 素较为简单, 而且有的为了便于计算而简化了重要的因素 的运用。尽管都考虑了访问时间和频率, 但对各个阶段的 时间和频率的重要性考虑的深度不够, 其他的因素如用户 数量、文件关联度、文件大小等没有完全考虑到。本文所设 计的 FV 数据价值模型综合考虑了各个因素在各个阶段的 重要性, 以提高模型的精确度。在数据由大容量、中等性能 的盘阵向上一级高性能盘阵迁移时, 高性能盘阵起到类似 于 Cache 的功能, 主要是用于数据的预取。Cache 的数据 替换策略目前有很多种, 如基于时间的 LRU、MRU、GDS、 LFUDA 和 LRV 等, 基于频率的 LFU、MFU 和 GDSF 等。 但是, 每一种策略考虑的具体因素均较少, 有的只考虑一种 因素。随着数据 I/ O 的多变性, 以上算法往往不能达到较 高的预取精度。但是, 我们所设计的分级存储系统不同于 Cache, 如果像以上算法那样频繁地为预取而将数据由 SA- TAII 盘阵向 FC-SAS 盘阵迁移的话, 耗费的资源较多, 得 不偿失。因此, 我们综合考虑了多种相关因素, 使数据自下 向上迁移后被访问的频度更高。 3 FV 价值评定算法模型 与文件价值和活跃度相关的要素的分析是本文的重点 之一。对文件价值和活跃度分析的精确度是决定数据迁移 策略算法有效性高低的关键, 只有准确地将文件的活跃度 和重要性排序之后才能把访问频率和重要性均较高的文件 存放在 FC 或 SAS 的盘阵中, 以提高系统整体的可靠性和 性能。其次, 文件的大小也是选择需要迁移的文件的要素。 例如, 第一级盘阵的容量较小, 如果将许多较大的文件迁移 到第一级高性能盘阵中的话, 会占用大量的空间, 而大量小 文件随机读写的问题就得不到很好的解决, 且当这些大文 件进入 I/ O 队列的话, 其后的文件就要等待较长的时间, 因 此要优先向高性能盘阵中迁移小文件。下面对选择迁移文 件所对应的要素、参数设置和提取方法等进行讨论。 ( 1) 时间: 它是文件价值高低的重要判定因素。基于I/ O 访问的时间局部性特征, 一般最新创建的或者最近使用 过的文件被访问的概率较大, 价值也就较高。而随着被访 问过后未使用的时间越长, 文件重要性越低, 文件被重新访 问的概率就越低, 就需要逐渐迁移到较低性能的盘阵中, 甚 至迁移到近线或离线备份设备上。采用的时间参数为 T i , 其含意为: 若文件 X 从创建开始的每一次访问或修改时间 为 t1 , t2 , , tn , 这些时间点距离当前时间 t 的时间长度为 t - t1 , t- t2 , , t- ti , , t- tn, 设以上时间长度为 T 1 , T 2, , T i , T n 。文件的访问或修改时间可以通过读取文件 的时间属性获得, 我们利用文件的命名属性定义一个文件 的属性 time_length 来保存以上时间长度, 设置其属性的时 间精度比其他时间属性小一个数量级, 那么就可以存储多 个 time_length, 存储满了则按照 FIFO 自动替换最早的时 间长度属性值。 ( 2) I/ O 频率: 若读写或者更新操作频率高, 意味着文 表 1 Seagate 最新产品中三种接口类型磁盘对比[ 2, 12] 接口 传输规范 AFR ( % ) M TBF ( 万小时) 平均延迟 ( ms) 最大传输率 Mb/ s 最大持续传输率 Mb/ s 转速 RPM 产品型号及其容量价格 FC 4G 0. 55 160 2. 0 800 170 15 000 ST3600002FC 600G; $ 799. 78 SAS 3G 0. 73 120 4. 16 300 116 7 200 ST 3750630SS 750G; $ 206. 37 SATAII 3G 0. 32 75 5. 1 300 95 5 900 ST31500341AS 1 500G; $ 149. 04 164 件被访问的频率高, 因此访问频率越高, 价值越大, 尤其是 靠近当前时间的近期访问频率。我们将访问频率分为若干 个时间段, 每个时间段长度以十进制增加, 重要性呈指数级 降低, 用 e 表示。本文提出的这种计算方法可以细化 I/ O 频率对数据价值的贡献, 相对于仅计算较短时间内的频率 和将历史频率信息统一对待的传统计算方法更精确。文件 的读写频率参数分别采用 R 和 W 表示。 (3) 文件的用户数量: 若一个文件被访问的用户数量越 多, 文件的价值就越高, 因为如果一个文件被多个用户访 问, 那么它的改变和它的访问性能就会影响更多的用户。 例如, 一个拥有多个用户的文件改变之后, 则对于其他用户 而言这就是一个新文件, 被这些用户重新访问的概率自然 提高, 文件重要性当然也就更高。文件 X 的用户数量用 C 表示。在文件系统中, 客户和服务器都需要被标示, 除了客 户在申请使用文件系统时临时生成的客户标示符(Clien- t id) 之外, 每 一 个客 户 都 有一 个 唯 一 的客 户 名 ( Co _ ow nerid) , 使用过文件 X 的客户名数量便是 C 。 ( 4) 文件之间的关联度: 文件 A 和 B 相关联的含意是 在一段时间内, 对文件 A 和文件 B 的访问遵循一定的规 律, 如每次都是相隔不久之后被访问。如果与一个文件相 关联的其他文件数量越多, 则被访问的概率就越高, 因为一 个与其关联的文件被访问, 则这个文件也很可能短期内被 访问。设置文件 X 的关联度参数为 A C, 表示和文件 X 相 关联的文件数量。我们把文件关联定义为: 若文件 X 在任 意时刻被访问前后的短时间内( 如十分钟), 文件 Y 也会被 访问, 则认为文件 X 和文件 Y 是相关联的。有些文件是注 定相关联的, 例如如果用户要访问一个文件, 必然先访问它 的目录文件, 但大部分文件间的关联是不明确的。我们通 过维持一个文件 X 的 I/ O 向量表来保存从文件被创建时 的前后短时间内被访问的文件句柄号, 在所有的位置置 1, 若下次文件 X 被访问的时候, 之前保存的文件句柄对应的 文件没有在 X 被访问前后的短时间内被访问, 则在相应位 置置 0。最后对每一个文件句柄对应的所有 0 和 1 取异 或, 得到结果为 1 的文件句柄所表示的文件为与文件 X 相 关联的文件, 而所有 1 的总和便是文件 X 的关联度 AC 。 但是, 如果文件刚创建不久, 被访问的次数很少, 用此种方 法容易造成没有关联的文件也被认为是有关联的。因此, 我们这里设置为如果文件被访问的次数少于或等于 3 次, 则文件的关联度为 2。 (5) 对比度: 用来测量不同设备的读写性能差距, 用参数 表示。目的是根据设备的读写性能降低第二级盘阵中文 件的价值, 以防止文件刚迁移到此设备中便很快被迁回, 造 成抖动。对于性能不同的两个磁盘, 它们的读写性能的比率 也是不一样的, 读对比度和写对比度[ 7] 分别用r 和 w 表示。 文件的读写速率分别采用 FR 和 FW 表示, FRA 、FRB 分别 表示在 A 与 B 两种性能不同的磁盘上持续读数据时的速 度, 相应的 F WA 、F WB 分别表示在 A 与 B 两种性能不同的 磁盘上持续写数据时的速度。数据由设备 B 向设备 A 中迁 移时, B 中文件对于 A 中文件对比度的计算方法为: r = FRA / FR B FR B FR A 2 + 1 (1) w = FW A / FW B F W B FW A 2 + 1 ( 2) ( 6) 文件大小: 根据前面的分析, 小而且热的文件更适 合存储在性能高且容量较小的第一级盘阵中。设置文件大 小的参数为 S, 单位为 KB。 FV 文件价值模型: 文件 X 的价值计算模型为: FV X = 1 T 1 + + 1 T n Cx AC m i= 1 1 ei- 1 w W i + r Ri 1 S ( 3) 其中, 设定 em < 260 000 分, 为避免计算过于复杂, 本 模型将半年之前的访问频率重要性同等对待; W i 与 Ri 表 示在 ei 到 ei- 1 分钟内文件 X 的访问频率, W m 和 Rm 表示距 离当前时间 em- 1 分之前的频率。 4 文件迁移过程模型 模型的基本结构如图 1 所示。 图 1 磁盘分级存储模型 迁移过程为: 当达到了迁移的条件, 创建迁移主线程和 迁移文件的任务队列, 在迁移过程调度的控制下开始执行 迁移。监控模块分为两个子线程, 其一监控系统每次 I/ O 操作后迁移队列中相关文件价值排序的变化, 并将信息反 馈给迁移调度子模块, 使其根据价值最新排序决定是否改 变任务队列。其二监控系统的工作负荷, 进行周期采样并 将其反馈给调度子模块来设定迁移速率。图 2 为迁移过程 的结构图。 图 2 迁移过程结构图 将数据迁移分为两类, 一是从 FC-SAS 级向 SATAII 级的迁移过程, 它包含三个模块。 ( 1) 文件监控模块: 此模块的功能之一是当高性能盘阵 中数据的存储量达到整个盘阵的 80% 的时候开始迁移[12] , 首先提取文件系统属性信息, 然后计算出所有文件的价值 排名, 将总大小大于此级盘阵容量的 20% 的价值最低的文 件列入迁移到 SAT AII 盘阵的队列, 创建数据迁移主线程。 功能之二是创建子线程, 以监控文件迁移过程中的价值变 化, 当迁移队列中或与迁移队列中的文件相关联的文件被 访问时, 根据反馈的信息重新计算自上次计算以来被访问 文件以及与其相关联的文件的价值, 以供迁移过程控制模 165 块调用。功能之三是在迁移过程中进行系统运行的周期采 样与负荷计算, 并将信息反馈给迁移调度子模块, 调整迁移 速率, 减少对系统的影响。 ( 2) 数据迁移过程控制模块: 创建数据迁移线程之后, 读取迁移控制参数, 并从价值最低的文件开始迁移。若正 在迁移时线程被中断, 且恰是被迁移的文件 X 被访问, 则 立即将文件 X 移出迁移线程队列, 并将其在第二级盘阵中 已迁移的副本置为无效, 并通过监控子线程将信息反馈给 文件监控模块, 按照所有文件价值的重新排序添加和删除 迁移队列中的文件。如果被访问的文件 Y 在迁移任务的 后续队列中, 那么将 Y 移出迁移队列, 信息反馈给文件监 控模块, 重新计算与 Y 相关联的文件的并按照所有文件价 值的重新排序添加和删除迁移队列中的文件。中断恢复后 继续迁移操作, 直至第一级盘阵中容量小于 60% 。具体流 程如图 3 所示。 图 3 自上向下迁移过程控制流程 ( 3) 迁移完成维护模块: 在每一文件迁移完成后修改文 件系统相关属性信息, 将文件重定向到迁移后的位置, 置高 性能盘阵中相应的文件为无效, 并释放文件锁, 结束迁移线 程, 完成此次迁移。 第二类数据迁移是从 SATAII 盘阵中迁移出数据。这 类迁移分两种情况: ( 1) 直接向高性能盘阵中迁移数据; ( 2) 由上层缓冲读写盘中数据, 然后直接写到高性能盘阵中。 第一种情况就是对文件的预取操作, 因为我们在计算 数据价值模型中考虑到用于预取的参数, 因此当 SATAII 盘阵中部分文件的 FV 值高于高性能盘阵中 FV 值最高的 60% 中的任一文件时, 就意味着 SATAII 盘阵中的文件很 可能不久就会被访问, 这时便要创建迁移线程, 启动迁移。 由于文件访问时会申请字节范围锁来规定具体的访问字 节, 因此在迁移过程中如果队列中的文件遇到突发访问时 我们分两种情况来处理, 当被访问的文件为正在迁移中的 文件 X 时, 根据字节范围锁的信息, 在迁移线程所申请的 文件锁类型不与访问 X 的锁类型相冲突的情况下, 优先传 输锁中指定的字节范围之外的数据。如果被访问的文件在 后续任务队列中, 那么立刻停止当前文件的迁移, 在不影响 客户读写数据的情况下, 优先迁移被访问文件的字节范围 锁之外的数据。图 4 是第一种情况的流程图。 第二种情况是在高性能盘阵实施预取失败的情况下, 系统对 SAT AII 盘阵中文件的访问。首先, 要判断系统对 文件的操作所申请的锁类型是否与迁移此文件需要申请的 图 4 自下向上预取迁移流程 文件的锁类型相冲突, 当锁的类型不相冲突时, 启动迁移线 程, 通过将系统工作负荷信息反馈给迁移调度子模块, 设定 迁移速率, 在不影响文件操作效果情况下将文件字节范围 锁之外的数据迁移到高性能盘阵中, 这样对此次文件操作 后期所需要的数据的访问可以在高性能盘阵中进行。而当 申请的文件锁的类型互相冲突时, 不能在访问过程中迁移, 在访问完成时直接写回高性能盘阵中, 这时可能会产生多 副本一致性的问题。目前, 处理多副本一致性的方法较多, 如 ROWA ( Read-One/ Write-All) 、Quorum 协议、ROWAA ( Read-One/ Write-Al-l Available) 等都可以很好地解决这个 问题。 5 性能、可靠性及可行性分析 FC 磁盘的容量比 CPU 中的 Cache 容量大得多, 在海量 存储系统的密集访问下, 性能和稳定性比 SATAII 磁盘高, 而且由于在我们设计的两级模型中数据读写后直接存储在 第一级盘阵中, 加上相应的预取策略, 且数据自下向上迁移 时 60% 的价值最高的数据仍然存储在 FC-SAS 级中, 所以绝 大多数的访问都会在第一级中进行。因此, 对于用户来说, 访问效果接近于在完全的 FC-SAS 级中访问的效果。 系统 I/ O 性能的提高比例可用如下公式表示: f = A + 1 - B B ( 4) 其中, A 和 B 分别表示 A 、B 两种存储设备的性能, 此处我 们用平均响应时间和持续读写速度分别计算。表示系统 访问的文件存在于设备 A 中的概率。我们用 FC 盘阵和 SATAII 盘阵两级存储设备来分析。根据表 1 中的数据, FC 磁盘和 SATAII 磁盘的持续传输速度分别为 170MB/ s 和 95M B/ s, 平均延迟分别为 2. 0ms 和 5. 0ms, 所以当 A 与 B 表示持续传输速度时, A = 170, B = 95; 当 A 与 B 表示 平均延迟时, A = 1/ 2, B = 1/ 5。总体性能的提高比例如 表 2 所示。 表 2 两级海量磁盘存储系统性能提高比例 访问文件在设备 A 中概率 ( % ) 持续传输速度 提高比例 平均延迟 降低比例 60 1. 474 1. 90 70 1. 553 2. 05 80 1. 632 2. 20 90 1. 711 2. 35 166 可靠性分析, 此处为了便于分析, 我们假定除 I/ O 访问 量和 MTBF 之外其他影响磁盘可靠性的因素对于两种磁 盘都是相同的。我们假设平均每个文件从在磁盘中创建到 最后转移备份的周期内被访问 m 次, 系统可靠性提高可用 如下公式表示为: f = n a + m - n b mb (5) 其中, n 为在 FC 盘阵中访问次数, a 和b 分别为单个 FC 盘 和 SAT AII 盘的可靠性, 此处用 M TBF 表示, 由表 1 中可 得 a= 160, b= 75。当 m= 10 时, 可靠性提高比例如表 3 所 示。 表 3 两级海量磁盘存储系统可靠性提高比例 n 6 7 8 9 10 可靠性提高比例 1. 680 1. 793 1. 907 2. 020 2. 133 6 结束语 数据迁移技术在存储系统的负载均衡、系统扩展等方 面, 特别是在系统性能优化上, 都可以使系统性能得到很大 的提高。本文提出了 FC-SAS 与 SATAII 两级存储模型, 在此基础上分析了数据价值的评定要素, 给出了要素在实 际情况下的提取方法, 提出了文件价值的 FV 价值评定模 型。应用信息反馈控制机制来实现数据迁移中传输速率的 设定, 以尽量减少对系统 I/ O 的影响, 利用多线程技术和文 件系统的锁机制来保证在尽量减小影响系统 I/ O 性能的同 时, 实现高速的数据迁移和迁移过程中用户的透明访问。 参考文献: [ 1] Schroeder B, Gibson G A, Disk Failures in the Real World: What does an MT TF of 1 000 000 H ours M ean to You? 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