SSD Cache填充方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發明提供一種SSD?Cache填充方法及裝置，應用于存儲設備上，該方法包括：將SSD?Cache劃分成若干不同大小的塊Block；根據待填充數據塊大小，選擇與所述待填充數據塊大小最接近的Block進行填充，所述待填充數據塊大小小于或者等于所述Block大小。本發明根據業務命令大小選擇需要填充的Block大小，盡量減少磁盤的回讀次數，提高SSD?Cache的填充速度。
【專利說明】SSD Cache填充方法及裝置

【技術領域】
[0001]本發明涉及存儲【技術領域】，尤其涉及一種SSD Cache填充方法及裝置。

【背景技術】
[0002]目前通用的存儲產品中，使用SSD (Solid State Disk，固態硬盤)硬盤作為系統的二級讀緩存，來提高陣列的隨機讀性能，通常將此處的SSD硬盤叫做SSD Cache (高速緩沖存儲器)。由于存儲設備自身的讀緩存通常都比較小，一般只有幾百MB到IGB之間，而SSDCache的空間已經達到了 1TB，因此，如果將數據提前讀出并填充到SSD Cache，那么，數據被訪問時，直接從SSD Cache讀取,可以明顯縮短響應時間,提高讀取性能。
[0003]現有技術方案如圖1所示，當數據進入讀緩存并且讀緩存用盡后，開始填充SSDCache，這提高了 SSD Cache的填充門檻。如圖2所示，在填充SSD Cache時，SSD Cache的Block(塊，Cache的最小分配單位)大小通常設置為同讀緩存的Block大小一致。數據從磁盤寫入讀緩存，再從讀緩存填充到SSD Cache中(圖中實線為填充方向示意)。由于上層業務讀取的數據塊大小不等，所以讀緩存的Block中經常存在空洞(即讀緩存的某些Block實際填充大小小于N)，而填充SSD Cache時則要求數據大小必須為N才能填充成功。因此，在將數據從讀緩存填充到SSD Cache時，對于小于N的數據，需要從磁盤回讀(圖中虛線為回讀方向示意)，將不足的部分數據補齊，然后填充到SSD Cache。由于SSD Cache的Block大小固定且相同,而業務命令大小不等,必然導致填充SSD Cache時的回讀次數增加，增加了磁盤的隨機命令數，影響業務性能和填充速度。


【發明內容】

[0004]有鑒于此，本發明提供了一種SSD Cache填充方法，應用于存儲設備上，該方法包括:
[0005]將SSD Cache劃分成若干不同大小的塊Block ；
[0006]根據待填充數據塊大小，選擇與所述待填充數據塊大小最接近的Block進行填充，所述待填充數據塊大小小于或者等于所述Block大小。
[0007]本發明還提供了一種SSD Cache填充裝置，應用于存儲設備上，該裝置包括:
[0008]Block配置單兀,用于將SSD Cache劃分成若干不同大小的塊Block ;
[0009]Block填充單元，用于根據待填充數據塊大小，選擇與所述待填充數據塊大小最接近的Block進行填充,所述待填充數據塊大小小于或者等于所述Block大小。
[0010]本發明根據業務命令大小選擇需要填充的Block大小，盡量減少磁盤的回讀次數，提高SSD Cache的填充速度。同時，根據業務命令大小的分布趨勢，動態調整SSD Cache的不同Block的分配空間，進一步降低了對磁盤的隨機命令請求，提高了 SSD Cache的填充速度，達到提高隨機讀取性能的目的。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是現有技術中SSD Cache啟動示意圖。
[0012]圖2是現有技術中SSD Cache填充示意圖。
[0013]圖3是本發明一種實施方式中SSD Cache填充裝置的邏輯結構及其基礎硬件環境的示意圖。
[0014]圖4是本發明一種實施方式中SSD Cache填充方法的流程圖。
[0015]圖5是本發明一種實施方式中SSD Cache啟動不意圖。
[0016]圖6是本發明一種實施方式中SSD Cache首次填充不意圖。
[0017]圖7是本發明一種實施方式中SSD Cache 二次填充示意圖。
[0018]圖8是本發明一種實施方式中SSD Cache動態分配空間不意圖。

【具體實施方式】
[0019]以下結合附圖對本發明進行詳細說明。
[0020]本發明提供一種虛擬化環境下SSD Cache填充裝置，以下以軟件在計算機中實現為例進行說明，但是本發明并不排除諸如硬件或者邏輯器件等其他實現方式。如圖3所示，該裝置運行的計算機硬件環境包括CPU、內存、非易失性存儲器以及其他硬件。該裝置作為計算機上一個邏輯層面的虛擬裝置，其通過計算機上的CPU來運行。該裝置包括Block配置單元和Block填充單元。請參考圖4，該裝置的使用和運行過程包括以下步驟:
[0021]步驟101，Block配置單元將SSD Cache劃分成若干不同大小的塊Block ；
[0022]步驟102，Block填充單元根據待填充數據塊大小，選擇與所述待填充數據塊大小最接近的Block進行填充，所述待填充數據塊大小小于或者等于所述Block大小。
[0023]本發明通過將SSD Cache劃分為多個不同大小的Block，再根據上層業務命令選擇與其大小最接近的Block進行填充，以減少對磁盤的隨機命令請求,提高了 SSD Cache的填充速度，達到提高隨機讀取性能的目的。具體實施過程如下。
[0024]如圖5所示，在上層業務發送讀請求時，若需從磁盤讀取數據，則將該數據寫入讀緩存的同時，啟動SSD Cache的填充進程，將數據填充到SSD Cache中。由于讀緩存的容量有限，讀緩存中始終保存的是上層業務需要用到的最新數據，而數據在寫入讀緩存的同時，都會寫入到SSD Cache中，這里可理解為對讀緩存中數據的備份，由于SSD Cache的容量相對比較大，因此，保存了最近上層業務用到的數據(保存的數量取決于SSD Cache的容量)，其中，包括當前讀緩存中的數據。當上層業務需要讀取最近使用過的數據，而該數據不在讀緩存中時，向SSD Cache中查找，若SSD Cache有該數據，則從SSD Cache中直接讀取。從上述過程可知，寫入讀緩存的數據必將寫入SSD Cache中，而且SSD Cache寫入速度比讀緩存要慢，因此，本發明將對SSD Cache的填充過程提前，只要開始寫入讀緩存就啟動SSD Cache填充進程，避免了現有技術中必須在讀緩存用盡后才能啟動SSD Cache，并且需要從讀緩存中將數據填充到SSD Cache中的問題，節約了時間，在一定程度上提高了填充速度。
[0025]由于SSD Cache數據填充必須滿足待填充數據塊大小與Block大小一致的條件，因此，本發明通過將SSD 0&(*6劃分成不同大小的趴001^(例如，41(、81(、161(、321(和641()，增加待填充數據塊與Block匹配的機率，進而減少從磁盤回讀數據的次數，提高填充速度。
[0026]在對SSD Cache進行數據填充時，根據待填充數據塊大小選擇與該數據塊大小最接近的Block進行填充。結合圖6介紹SSD Cache數據填充過程。本實施例中，SSD Cache劃分的Block大小分別為4K、8K、16K、32K和64Κ。對于大于64K(SSD Cache中劃分的最大Block)的數據塊，將該數據塊按照64K進行分割，選擇多個64K Block進行填充，當最后一個Block填充不滿時，從磁盤回讀；對于小于64K的數據塊，則依次判斷與其數據塊大小最接近的Block進行填充，例如:數據塊大小小于等于4K，則將該數據塊填充到4K大小的Block中；數據塊大小大于4K小于等于8K，則將該數據塊填充到8K大小的Block中；以此類推，找到與每一個數據塊大小對應的最匹配的Block進行填充。在填充過程中，若數據塊大小等于Block大小，則無需從磁盤回讀數據；若數據塊大小小于Block大小，則Block中剩余空間需從磁盤中回讀數據進行填充。例如:數據塊大小為12K，則將該數據塊填充到16K大小的Block中，剩余4K空間從磁盤回讀數據進行填充。
[0027]在具體實現過程中，可通過設置回讀標識位記錄對應Block是否需要回讀，每一個二進制位bit代表一個Block。bit等于O,表示對應Block未填充或已填充不回讀；bit等于1，表示對應Block已填充待回讀。假設使用一個ITB的SSD Cache，按照極限情況計算，假設8K大小的Block占據了整個SSD Cache空間，并且全部需要回讀，則回讀標識位占用內存大小為:((1*1024*1024*1024)/8)/(8*1024*1024) = 16MB，所以，在 SSD Cache 初始化時，需預先劃定16MB的空間給回讀標識位，這些標志位并不會明顯占用很大內存空間。
[0028]上述過程為SSD Cache被首次填充的處理過程，同讀緩存一樣，SSD Cache也存在二次填充的情況，畢竟SSD Cache空間有限，總會被用盡，或者讀取的數據塊命中現有的Block空間，需要進行二次填充。如圖7所示，假設上層業務讀取的數據大小為20K，其中一部分數據已存在于16K的Block空間中，這時需要把16K的Block空間釋放出來，將20K數據寫入32K的Block中，并記錄該32K的Block需要回讀，從磁盤中回讀12K數據填充到32K 的 Block 中。如果 SSD Cache 中的 32K 的 Block 已用完，則使用 LRU(Least RecentlyUsed，近期最少使用算法)進行替換，將最近不用的數據塊從Block中移出，填充新的數據塊。
[0029]為了進一步提高填充速度,本發明可根據SSD Cache中不同大小Block的使用情況，動態分配存儲空間。例如，初始化時，默認按照平均分配的原則，為4K、8K、16K、32K和64Κ的Block分配相同的空間容量。假設SSD Cache的存儲空間總容量為Q，則每種Block大小的容量均為Q/5。設置一個定時器，每隔一定時間(比如Is)進行一次填充Block個數的統計。假設當前到達統計時間點，統計4K、8K、16K、32K和64Κ的Block填充個數分別為DX、EX、FX、GX、HX，現以 8KBlock 為例，計算 8K Block 的填充比率為 Zx = Ex/(Dx+Ex+Fx+Gx+Hx)，即當前8K Block填充個數占所有Block填充個數的百分比。由于上層應用在不斷變化，其讀取的數據長度也會不同，導致每一個統計時刻的Block填充比率不同。本發明通過對m次的Block填充比率取平均值，作為計算當前Block存儲空間的依據。假設8K Block m次的統計結果分別為:m次統計中有nl次得到的填充比率為Z1，有n2次得到的填充比率為Z2,……，有ni次得到的填充比率為Zi，其中m= (nl+n2+…+ni)，則實際填充比率4 =(Zfnl+Z#!^+....+Zwni)/m。根據該填充比率重新為8K大小的Block分配存儲空間，存儲空間容量為Qy = Q*Zy。同理，計算4K、16K、32K和64Κ的Block填充比率，從而計算出對應的存儲空間。可見，當某一種上層業務命令增多時，占用對應Block的數量也會增多，則統計的填充比率增加，從而為該類業務命令分配更多的Block空間。
[0030]在上述填充比率統計過程中，可能存在某一種Block始終未被使用或極少使用的情況，也要為其保留一定比例(例如1% )的空間備用。
[0031]具體的分配策略如圖8所示。假設某一時刻統計的各Block的填充比率為:4K為30%，8Κ為30%，16Κ為30%，32Κ為5%，64Κ為5% ; 10秒鐘后統計的填充比率為:4Κ為40%,8Κ為50%,16Κ為10%，32Κ為0%，64Κ為0%，則應增加4Κ和8Κ Block的空間，減少16K、32K和64K Block的存儲空間。在此段時間內，雖然32K和64K Block未被使用，但仍需預留一部分空間(例如，各1%)，在剩余空間中為41(、81(和16K按比例分配。同時，在減少某種Block的空間之前，需檢查該Block的空間是否已被全部填充，若某種Block空間已被用完，則按照LRU方式提取需要釋放的空間，將里面的數據置為無效，然后再重新劃給需要多分配空間的Block。
[0032]本發明根據業務命令大小選擇需要填充的Block大小，盡量減少磁盤的回讀次數，提高SSD Cache的填充速度。同時，根據業務命令大小的分布趨勢，動態調整SSD Cache的不同Block的分配空間，進一步降低了對磁盤的隨機命令請求，提高了 SSD Cache的填充速度，達到提高隨機讀取性能的目的。
[0033]以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明保護的范圍之內。
【權利要求】
1.一種SSD Cache填充方法，應用于存儲設備上，其特征在于，該方法包括: 將SSD Cache劃分成若干不同大小的塊Block ； 根據待填充數據塊大小，選擇與所述待填充數據塊大小最接近的Block進行填充，所述待填充數據塊大小小于或者等于所述Block大小。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于: 為所述不同大小的Block動態分配存儲空間。
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于: 每一種類型Block的存儲空間計算方法相同，具體為:
Qy = Q*Zy
其中， Q為SSD Cache的存儲空間總容量； Zy為m次Block填充個數百分比的平均值； Qy為分配的Block存儲空間容量； 所述大小相同的Block為同一類型Block ； 所述Block填充個數百分比為預設時間段內當前類型Block的填充個數占所有類型Block填充個數的百分比。
4.如權利要求3所述的方法，其特征在于: 當某類型Block計算得到的Qy為O時，將預設大小的空間容量分配給該類型的Block。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于:在進行Block填充之前，還包括: 在接收到上層業務的讀請求，將磁盤中數據寫入讀緩存時，啟動SSD Cache填充。
6.一種SSD Cache填充裝置，應用于存儲設備上，其特征在于，該裝置包括: Block配置單元，用于將SSD Cache劃分成若干不同大小的塊Block ； Block填充單元，用于根據待填充數據塊大小，選擇與所述待填充數據塊大小最接近的Block進行填充,所述待填充數據塊大小小于或者等于所述Block大小。
7.如權利要求6所述的裝置，其特征在于: 所述Block配置單元進一步用于為所述不同大小的Block動態分配存儲空間。
8.如權利要求7所述的裝置，其特征在于: 每一種類型Block的存儲空間計算方法相同，具體為:
Qy = Q*Zy
其中， Q為SSD Cache的存儲空間總容量； Zy為m次Block填充個數百分比的平均值； Qy為分配的Block存儲空間容量； 所述大小相同的Block為同一類型Block ； 所述Block填充個數百分比為預設時間段內當前類型Block的填充個數占所有類型Block填充個數的百分比。
9.如權利要求8所述的裝置，其特征在于: 當某類型Block計算得到的Qy為O時，將預設大小的空間容量分配給該類型的Block。
10.如權利要求6所述的裝置，其特征在于，在所述Block填充單元之前，還包括: 填充啟動單元，用于在接收到上層業務的讀請求，將磁盤中數據寫入讀緩存時，啟動SSD Cache 填充。
【文檔編號】G06F3/06GK104133642SQ201410367728
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月29日 優先權日:2014年7月29日
【發明者】吳會堂, 石巖, 姚婷 申請人:浙江宇視科技有限公司