SSDCACHE填充方法及装置.pdf

本发明提供一种SSD Cache填充方法及装置，应用于存储设备上，该方法包括：将SSD Cache划分成若干不同大小的块Block；根据待填充数据块大小，选择与所述待填充数据块大小最接近的Block进行填充，所述待填充数据块大小小于或者等于所述Block大小。本发明根据业务命令大小选择需要填充的Block大小，尽量减少磁盘的回读次数，提高SSD Cache的填充速度。

1.  一种SSD Cache填充方法，应用于存储设备上，其特征在于，该方法包括：
将SSD Cache划分成若干不同大小的块Block；
根据待填充数据块大小，选择与所述待填充数据块大小最接近的Block进行填充，所述待填充数据块大小小于或者等于所述Block大小。

2.  如权利要求1所述的方法，其特征在于：
为所述不同大小的Block动态分配存储空间。

3.  如权利要求2所述的方法，其特征在于：
每一种类型Block的存储空间计算方法相同，具体为：
Q_y＝Q*Z_y
其中，
Q为SSD Cache的存储空间总容量；
Z_y为m次Block填充个数百分比的平均值；
Q_y为分配的Block存储空间容量；
所述大小相同的Block为同一类型Block；
所述Block填充个数百分比为预设时间段内当前类型Block的填充个数占所有类型Block填充个数的百分比。

4.  如权利要求3所述的方法，其特征在于：
当某类型Block计算得到的Q_y为0时，将预设大小的空间容量分配给该类型的Block。

5.  如权利要求1所述的方法，其特征在于：在进行Block填充之前，还包括：
在接收到上层业务的读请求，将磁盘中数据写入读缓存时，启动SSD Cache填充。

6.  一种SSD Cache填充装置，应用于存储设备上，其特征在于，该装置 包括：
Block配置单元，用于将SSD Cache划分成若干不同大小的块Block；
Block填充单元，用于根据待填充数据块大小，选择与所述待填充数据块大小最接近的Block进行填充，所述待填充数据块大小小于或者等于所述Block大小。

7.  如权利要求6所述的装置，其特征在于：
所述Block配置单元进一步用于为所述不同大小的Block动态分配存储空间。

8.  如权利要求7所述的装置，其特征在于：
每一种类型Block的存储空间计算方法相同，具体为：
Q_y＝Q*Z_y
其中，
Q为SSD Cache的存储空间总容量；
Z_y为m次Block填充个数百分比的平均值；
Q_y为分配的Block存储空间容量；
所述大小相同的Block为同一类型Block；
所述Block填充个数百分比为预设时间段内当前类型Block的填充个数占所有类型Block填充个数的百分比。

9.  如权利要求8所述的装置，其特征在于：
当某类型Block计算得到的Q_y为0时，将预设大小的空间容量分配给该类型的Block。

10.  如权利要求6所述的装置，其特征在于，在所述Block填充单元之前，还包括：
填充启动单元，用于在接收到上层业务的读请求，将磁盘中数据写入读缓存时，启动SSD Cache填充。

SSD Cache填充方法及装置
技术领域
本发明涉及存储技术领域，尤其涉及一种SSD Cache填充方法及装置。
背景技术
目前通用的存储产品中，使用SSD(Solid State Disk，固态硬盘)硬盘作为系统的二级读缓存，来提高阵列的随机读性能，通常将此处的SSD硬盘叫做SSD Cache(高速缓冲存储器)。由于存储设备自身的读缓存通常都比较小，一般只有几百MB到1GB之间，而SSD Cache的空间已经达到了1TB，因此，如果将数据提前读出并填充到SSD Cache，那么，数据被访问时，直接从SSD Cache读取，可以明显缩短响应时间，提高读取性能。
现有技术方案如图1所示，当数据进入读缓存并且读缓存用尽后，开始填充SSD Cache，这提高了SSD Cache的填充门槛。如图2所示，在填充SSD Cache时，SSD Cache的Block(块，Cache的最小分配单位)大小通常设置为同读缓存的Block大小一致。数据从磁盘写入读缓存，再从读缓存填充到SSD Cache中(图中实线为填充方向示意)。由于上层业务读取的数据块大小不等，所以读缓存的Block中经常存在空洞(即读缓存的某些Block实际填充大小小于N)，而填充SSD Cache时则要求数据大小必须为N才能填充成功。因此，在将数据从读缓存填充到SSD Cache时，对于小于N的数据，需要从磁盘回读(图中虚线为回读方向示意)，将不足的部分数据补齐，然后填充到SSD Cache。由于SSD Cache的Block大小固定且相同，而业务命令大小不等，必然导致填充SSD Cache时的回读次数增加，增加了磁盘的随机命令数，影响业务性能和填充速度。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种SSD Cache填充方法，应用于存储设备上，该方法包括：
将SSD Cache划分成若干不同大小的块Block；
根据待填充数据块大小，选择与所述待填充数据块大小最接近的Block进行填充，所述待填充数据块大小小于或者等于所述Block大小。
本发明还提供了一种SSD Cache填充装置，应用于存储设备上，该装置包括：
Block配置单元，用于将SSD Cache划分成若干不同大小的块Block；
Block填充单元，用于根据待填充数据块大小，选择与所述待填充数据块大小最接近的Block进行填充，所述待填充数据块大小小于或者等于所述Block大小。
本发明根据业务命令大小选择需要填充的Block大小，尽量减少磁盘的回读次数，提高SSD Cache的填充速度。同时，根据业务命令大小的分布趋势，动态调整SSD Cache的不同Block的分配空间，进一步降低了对磁盘的随机命令请求，提高了SSD Cache的填充速度，达到提高随机读取性能的目的。
附图说明
图1是现有技术中SSD Cache启动示意图。
图2是现有技术中SSD Cache填充示意图。
图3是本发明一种实施方式中SSD Cache填充装置的逻辑结构及其基础硬件环境的示意图。
图4是本发明一种实施方式中SSD Cache填充方法的流程图。
图5是本发明一种实施方式中SSD Cache启动示意图。
图6是本发明一种实施方式中SSD Cache首次填充示意图。
图7是本发明一种实施方式中SSD Cache二次填充示意图。
图8是本发明一种实施方式中SSD Cache动态分配空间示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细说明。
本发明提供一种虚拟化环境下SSD Cache填充装置，以下以软件在计算机中实现为例进行说明，但是本发明并不排除诸如硬件或者逻辑器件等其他实现方式。如图3所示，该装置运行的计算机硬件环境包括CPU、内存、非易失性存储器以及其他硬件。该装置作为计算机上一个逻辑层面的虚拟装置，其通过计算机上的CPU来运行。该装置包括Block配置单元和Block填充单元。请参考图4，该装置的使用和运行过程包括以下步骤：
步骤101，Block配置单元将SSD Cache划分成若干不同大小的块Block；
步骤102，Block填充单元根据待填充数据块大小，选择与所述待填充数据块大小最接近的Block进行填充，所述待填充数据块大小小于或者等于所述Block大小。
本发明通过将SSD Cache划分为多个不同大小的Block，再根据上层业务命令选择与其大小最接近的Block进行填充，以减少对磁盘的随机命令请求，提高了SSD Cache的填充速度，达到提高随机读取性能的目的。具体实施过程如下。
如图5所示，在上层业务发送读请求时，若需从磁盘读取数据，则将该数据写入读缓存的同时，启动SSD Cache的填充进程，将数据填充到SSD Cache中。由于读缓存的容量有限，读缓存中始终保存的是上层业务需要用到的最新数据，而数据在写入读缓存的同时，都会写入到SSD Cache中，这里可理解为对读缓存中数据的备份，由于SSD Cache的容量相对比较大，因此，保存了最近上层业务用到的数据(保存的数量取决于SSD Cache的容量)，其中，包括当前读缓存中的数据。当上层业务需要读取最近使用过的数据，而该数据不在读缓存中时，向SSD Cache中查找，若SSD Cache有该数据， 则从SSD Cache中直接读取。从上述过程可知，写入读缓存的数据必将写入SSD Cache中，而且SSD Cache写入速度比读缓存要慢，因此，本发明将对SSD Cache的填充过程提前，只要开始写入读缓存就启动SSD Cache填充进程，避免了现有技术中必须在读缓存用尽后才能启动SSD Cache，并且需要从读缓存中将数据填充到SSD Cache中的问题，节约了时间，在一定程度上提高了填充速度。
由于SSD Cache数据填充必须满足待填充数据块大小与Block大小一致的条件，因此，本发明通过将SSD Cache划分成不同大小的Block(例如，4K、8K、16K、32K和64K)，增加待填充数据块与Block匹配的机率，进而减少从磁盘回读数据的次数，提高填充速度。
在对SSD Cache进行数据填充时，根据待填充数据块大小选择与该数据块大小最接近的Block进行填充。结合图6介绍SSD Cache数据填充过程。本实施例中，SSD Cache划分的Block大小分别为4K、8K、16K、32K和64K。对于大于64K(SSD Cache中划分的最大Block)的数据块，将该数据块按照64K进行分割，选择多个64K Block进行填充，当最后一个Block填充不满时，从磁盘回读；对于小于64K的数据块，则依次判断与其数据块大小最接近的Block进行填充，例如：数据块大小小于等于4K，则将该数据块填充到4K大小的Block中；数据块大小大于4K小于等于8K，则将该数据块填充到8K大小的Block中；以此类推，找到与每一个数据块大小对应的最匹配的Block进行填充。在填充过程中，若数据块大小等于Block大小，则无需从磁盘回读数据；若数据块大小小于Block大小，则Block中剩余空间需从磁盘中回读数据进行填充。例如：数据块大小为12K，则将该数据块填充到16K大小的Block中，剩余4K空间从磁盘回读数据进行填充。
在具体实现过程中，可通过设置回读标识位记录对应Block是否需要回读，每一个二进制位bit代表一个Block。bit等于0，表示对应Block未填充或已填充不回读；bit等于1，表示对应Block已填充待回读。假设使用一个1TB的SSD Cache，按照极限情况计算，假设8K大小的Block占据了整个 SSD Cache空间，并且全部需要回读，则回读标识位占用内存大小为：((1*1024*1024*1024)/8)/(8*1024*1024)＝16MB，所以，在SSD Cache初始化时，需预先划定16MB的空间给回读标识位，这些标志位并不会明显占用很大内存空间。
上述过程为SSD Cache被首次填充的处理过程，同读缓存一样，SSD Cache也存在二次填充的情况，毕竟SSD Cache空间有限，总会被用尽，或者读取的数据块命中现有的Block空间，需要进行二次填充。如图7所示，假设上层业务读取的数据大小为20K，其中一部分数据已存在于16K的Block空间中，这时需要把16K的Block空间释放出来，将20K数据写入32K的Block中，并记录该32K的Block需要回读，从磁盘中回读12K数据填充到32K的Block中。如果SSD Cache中的32K的Block已用完，则使用LRU(Least Recently Used，近期最少使用算法)进行替换，将最近不用的数据块从Block中移出，填充新的数据块。
为了进一步提高填充速度，本发明可根据SSD Cache中不同大小Block的使用情况，动态分配存储空间。例如，初始化时，默认按照平均分配的原则，为4K、8K、16K、32K和64K的Block分配相同的空间容量。假设SSD Cache的存储空间总容量为Q，则每种Block大小的容量均为Q/5。设置一个定时器，每隔一定时间(比如1s)进行一次填充Block个数的统计。假设当前到达统计时间点，统计4K、8K、16K、32K和64K的Block填充个数分别为D_x、E_x、F_x、G_x、H_x，现以8KBlock为例，计算8K Block的填充比率为Z_x＝E_x/(D_x+E_x+F_x+G_x+H_x)，即当前8K Block填充个数占所有Block填充个数的百分比。由于上层应用在不断变化，其读取的数据长度也会不同，导致每一个统计时刻的Block填充比率不同。本发明通过对m次的Block填充比率取平均值，作为计算当前Block存储空间的依据。假设8K Block m次的统计结果分别为：m次统计中有n1次得到的填充比率为Z₁，有n2次得到的填充比率为Z₂，……，有ni次得到的填充比率为Z_i，其中m＝(n1+n2+…+ni)，则实际填充比率Z_y＝(Z₁*n1+Z_2*n2+….+Z_i*ni)/m。根据该填充比率重新为 8K大小的Block分配存储空间，存储空间容量为Q_y＝Q*Z_y。同理，计算4K、16K、32K和64K的Block填充比率，从而计算出对应的存储空间。可见，当某一种上层业务命令增多时，占用对应Block的数量也会增多，则统计的填充比率增加，从而为该类业务命令分配更多的Block空间。
在上述填充比率统计过程中，可能存在某一种Block始终未被使用或极少使用的情况，也要为其保留一定比例(例如1％)的空间备用。
具体的分配策略如图8所示。假设某一时刻统计的各Block的填充比率为：4K为30％，8K为30％，16K为30％，32K为5％，64K为5％；10秒钟后统计的填充比率为：4K为40％，8K为50％，16K为10％，32K为0％，64K为0％，则应增加4K和8K Block的空间，减少16K、32K和64K Block的存储空间。在此段时间内，虽然32K和64K Block未被使用，但仍需预留一部分空间(例如，各1％)，在剩余空间中为4K、8K和16K按比例分配。同时，在减少某种Block的空间之前，需检查该Block的空间是否已被全部填充，若某种Block空间已被用完，则按照LRU方式提取需要释放的空间，将里面的数据置为无效，然后再重新划给需要多分配空间的Block。
本发明根据业务命令大小选择需要填充的Block大小，尽量减少磁盘的回读次数，提高SSD Cache的填充速度。同时，根据业务命令大小的分布趋势，动态调整SSD Cache的不同Block的分配空间，进一步降低了对磁盘的随机命令请求，提高了SSD Cache的填充速度，达到提高随机读取性能的目的。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。