[发明专利]一种存储系统的缓存系统

说明书

技术领域

本发明涉及存储系统性能优化领域，具体涉及一种存储系统的缓存系统。

背景技术

计算机发展过程中，CPU速度一直随着摩尔定律发展，即每年增长60％左右。但作为主要存储设备的磁盘系统，访问速度却增长缓慢，每年只有7％左右。因此，CPU和磁盘之间的性能差距就越来越大，“IO墙”已经成为“CPU墙”和“内存墙”之后计算机系统新的瓶颈。

这种处理速度的差距对外表现在服务器端不能稳定可靠地对外提供服务、客户端得不到及时的高质量的IO响应。目前常见的解决方案是通过增加服务器数量，从而增加存储部件的数量来解决IO问题，但这种方法会造成计算资源的浪费；即使通过简单地增加磁盘设备的数量来提高存储系统性能，也会有更多的磁盘存储空间被浪费；此外，其他电力成本、机房和环境成本也随着服务器或磁盘设备数量的增加而不断上升。

为了弥补基于磁盘的存储设备性能的不足，目前许多新的存储介质不断出现，比如Flash，PCM等。但磁盘容量大、价格低等优势使得其在存储系统中的主流地位短期内不会改变。因此，如何提高现有磁盘系统的性能就显得极为重要。

分级存储的概念在计算机系统中得到了普遍采用，缓存层主要担负两方面的工作，一方面是将之前访问过的数据缓存下来，根据数据访问的时间局部性原理，这些数据在短期内可能会被再次访问，因此可以直接从缓存层读出，而不用再次访问主存介质。另一方面，缓存层还需要对应用即将访问的数据做预测，并将预测的内容提早读入缓存介质中。在预测正确的情况下，后续的访问可以直接在缓存介质中命中，也同样避免了访问速度较慢的主存介质。

因此，存储介质就需要具有耐磨损、读写速度快、读写均衡、系统干扰低的特点。现有的基于FLASH的存储设备由于其写入次数有限，并且写带宽明显低于读带宽等缺点使其不能用作缓存介质。而如果借用宿主机内存，由于内存之间的数据迁移需要CPU参与，因此用宿主机内存做缓存介质会对系统带来性能方面的干扰。

发明内容

为解决上述缺点，本发明从存储系统的缓存和预取技术出发，在磁盘设备和内存系统之间增加缓存层，从而形成层次化的存储结构，提高底层设备和存储系统整体的性能。

一种存储系统的缓存系统，包括对外接口层，缓存管理模块和块设备硬件层；

所述对外接口层包括用户接口和标准块设备接口；

所述缓存管理模块包括虚拟设备映射层和核心管理层；

所述块设备硬件层包括基于RAM的高速块设备和常规的标准块设备。

本发明的第一种优选技术方案在于：应用通过所述标准块设备接口对设备进行read、write、ioctl操作；用户通过所述用户接口构建、管理和配置缓存系统。

本发明的第二种优选技术方案在于：所述虚拟设备映射层用来在缓存设备和标准存储设备之间建立映射和地址转化。

本发明的第三种优选技术方案在于：所述核心管理层对底层存储设备进行管理和组织，处理具体的IO请求和进行各种策略的实现和转换。

本发明的第四种优选技术方案在于：所述基于RAM的高速块设备用来做标准块设备的缓存，所述标准块设备可以是磁盘、盘阵、RAID或是虚拟块设备。

本发明中带来的有益效果如下：

低价格：由于后端存储仍使用基于磁盘的存储系统，所以整体系统的价格比全部采用FLASH的系统低；

高性能：命中率较高的情况下，多数的访问都在高速缓存介质中命中，因此系统可以提供近似高速缓存介质的性能；

大容量：由于数据最终存储在外部存储上，因此最终的系统存储容量是基于磁盘的存储容量。

附图说明

图1是本发明缓存系统架构图

图2是本发明系统中数据访问流程

图3是本发明读请求处理流程

图4是本发明写请求处理流程

具体实施方式

如图1所示，在缓存系统的最上层是对外接口层，提供用户接口和块设备操作接口。在对外接口层之下是缓存系统的缓存管理模块，该模块是本发明设计实现的主要部分，它包括虚拟设备映射层和核心管理层；最底层是块设备硬件层，由基于RAM的高速块设备和一个常规的标准块设备组成，其中基于RAM的高速块设备用来做标准块设备的缓存。

在缓存管理模块中，虚拟设备映射层主要实现缓存系统虚拟的缓存设备与原始数据源设备的地址映射和封装。缓存系统核心管理层在底层的缓存设备和标准数据源设备之间进行缓存单元的映射，建立缓存映射关系，并通过相应的数据结构来进行缓存的管理，通过对缓存单元状态的管理，达到对IO请求进行分发和控制的目的。

其中，各个模块的功能划分如下：