深度探究磁盤(pán)陣列Cache算法精確測(cè)評(píng)系統(tǒng)

孫花

摘 要：磁盤(pán)陣列的Cache算法是一種較為實(shí)用的提高磁盤(pán)工作效率的算法，而其設(shè)計(jì)的差異往往會(huì)影響其效果，因此利用仿真測(cè)評(píng)的系統(tǒng)完成對(duì)其測(cè)定并獲得改進(jìn)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：磁盤(pán)陣列；Cache算法；測(cè)試系統(tǒng)組成；測(cè)試流程

一、磁盤(pán)陣列的基本概念簡(jiǎn)述

1、磁盤(pán)陣列

所謂的磁盤(pán)陣列就是RAID技術(shù)嗎，此種技術(shù)是在多個(gè)磁盤(pán)機(jī)或者光盤(pán)機(jī)上按照一定的規(guī)律對(duì)信息進(jìn)行分散的方法。其使用磁盤(pán)條、磁盤(pán)鏡像、帶有奇偶校驗(yàn)的磁盤(pán)條之類(lèi)的技術(shù)進(jìn)行組合，形成一個(gè)大容量而快速的外接存儲(chǔ)系統(tǒng)，以此實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的冗余性能，降低所需要的潛伏時(shí)間增加磁盤(pán)的讀寫(xiě)性能，從而提高硬盤(pán)崩潰后的數(shù)據(jù)恢復(fù)能力。整個(gè)系統(tǒng)在陣列控制器的管理和監(jiān)控下實(shí)現(xiàn)快速而復(fù)雜的存儲(chǔ)過(guò)程，并具備較強(qiáng)的容錯(cuò)能力。從用戶(hù)的角度看，磁盤(pán)陣列組成的磁盤(pán)就是一個(gè)硬盤(pán)結(jié)構(gòu)，用戶(hù)的操作可以與硬盤(pán)一樣進(jìn)行分區(qū)格式化等，二者的區(qū)別在磁盤(pán)陣列的存儲(chǔ)速度要快于硬盤(pán)，同時(shí)可以提供自動(dòng)化的數(shù)據(jù)備份，因此得到了多媒體技術(shù)廣泛應(yīng)用。

2、形成動(dòng)力

磁盤(pán)陣列技術(shù)的產(chǎn)生是隨著中央處理器的處理速度增加而引發(fā)的，在CUP和內(nèi)存處理速度的增加，用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的硬盤(pán)相對(duì)速度卻明顯滯后，從而造成了整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)速度運(yùn)行不相匹配的情況，造成了技術(shù)發(fā)展的瓶頸，降低了整個(gè)系統(tǒng)的性能，因此提高磁盤(pán)的存儲(chǔ)效率就成為了計(jì)算機(jī)發(fā)展的新課題。所以利用有限的磁盤(pán)資源提高其存儲(chǔ)速度同時(shí)防止出現(xiàn)故障而丟失數(shù)據(jù)就成了計(jì)算機(jī)研究的方向，此時(shí)磁盤(pán)陣列技術(shù)的出現(xiàn)就解決了提高存儲(chǔ)速度的問(wèn)題，從而利用有限的磁盤(pán)空間獲得較高的處理速度，進(jìn)而平衡了計(jì)算機(jī)的整體性能。

3、磁盤(pán)陣列的硬件和軟件技術(shù)

從磁盤(pán)陣列技術(shù)的應(yīng)用中可以劃分為硬件磁盤(pán)陣列和軟件磁盤(pán)陣列兩種。硬件磁盤(pán)陣列主要是基于硬件設(shè)備，系統(tǒng)獨(dú)立于主機(jī)之外從而利用獨(dú)立的管理模式對(duì)磁盤(pán)進(jìn)行管理，內(nèi)置的CPU與主機(jī)進(jìn)行同步動(dòng)作，所有的I/O都在陣列中完成，以此降低了主機(jī)的負(fù)擔(dān)，增加了系統(tǒng)的整體性能。利用總線(xiàn)控制與專(zhuān)屬通道完成對(duì)數(shù)據(jù)處理的加速，在主機(jī)中只用一個(gè)磁盤(pán)代表一組陣列；軟件磁盤(pán)陣列實(shí)質(zhì)是一個(gè)程序，在內(nèi)核磁盤(pán)編碼中實(shí)現(xiàn)不同的磁盤(pán)陣列技術(shù)，因此其不需要外接獨(dú)立的設(shè)備可以降低系統(tǒng)構(gòu)建的成本，是一種經(jīng)濟(jì)型解系統(tǒng)速度的方法。其缺點(diǎn)也十分明顯，就是相對(duì)的增加了主機(jī)的負(fù)擔(dān)，對(duì)于輸入輸出量較大的系統(tǒng)而言容易形成死機(jī)。

二、磁盤(pán)陣列的Cache算法的精確測(cè)評(píng)系統(tǒng)

在磁盤(pán)陣列技術(shù)中采用Cache的技術(shù)可以顯著降低對(duì)磁盤(pán)的訪(fǎng)問(wèn)次數(shù)，提高其單次讀寫(xiě)的性能，可以提高磁盤(pán)的使用壽命。設(shè)計(jì)優(yōu)秀的Cache算法對(duì)于系統(tǒng)的計(jì)算速度是十分有幫助的，因此如何評(píng)價(jià)其效果就成為了一個(gè)磁盤(pán)陣列的重要課題，也是在實(shí)際中需要解決的問(wèn)題。

1、評(píng)價(jià)方法

在相關(guān)問(wèn)題中，磁盤(pán)陣列的計(jì)算方法幾乎是決定整系統(tǒng)成敗的基本因素，尤其是針對(duì)硬件磁盤(pán)陣列而言，Cache的算法也就可以決定系統(tǒng)的性能，因此評(píng)價(jià)算法的目的是：確定算法在指定應(yīng)用中的效果；為計(jì)算方法的選擇和改進(jìn)提供依據(jù)；為算法的優(yōu)化提供必要的數(shù)據(jù)支持。此外，對(duì)Cache算法進(jìn)行評(píng)價(jià)的主要措施有以下幾種：數(shù)學(xué)法，即利用數(shù)學(xué)建模完成；實(shí)測(cè)法在產(chǎn)品上進(jìn)行測(cè)算；仿真法，建立仿真環(huán)境進(jìn)行測(cè)試。數(shù)學(xué)法實(shí)現(xiàn)起來(lái)并不容易，其最大的難點(diǎn)就是精確性沒(méi)有確實(shí)的標(biāo)準(zhǔn)；而實(shí)測(cè)法的成本較高。因此采用仿真試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)定是比較實(shí)用的方式。

2、測(cè)評(píng)目的

為了對(duì)Cache算法進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)評(píng)首先就需要規(guī)定其需要達(dá)到的目的，賜個(gè)目標(biāo)就是保證精確測(cè)評(píng)和正確評(píng)估。具體的目標(biāo)可以界定為：產(chǎn)生多個(gè)形式的FO負(fù)載下操作；模擬相應(yīng)的磁盤(pán)陣列的Cache的管理流程；對(duì)Cache命中進(jìn)行記錄進(jìn)而評(píng)價(jià)其效果；記錄每次費(fèi)命中的讀寫(xiě)操作的準(zhǔn)確時(shí)間，進(jìn)而計(jì)算出現(xiàn)錯(cuò)誤的概率。

3、測(cè)評(píng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1）系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)是利用仿真計(jì)算對(duì)Cache算法進(jìn)行測(cè)評(píng)，其主要有的構(gòu)成有：I/O排隊(duì)產(chǎn)生裝置、Cache算法插槽、Cache預(yù)取算法、磁盤(pán)仿真四個(gè)部分構(gòu)成。主要的系統(tǒng)功能如下：

讀寫(xiě)發(fā)送器、I/O排隊(duì)產(chǎn)生裝置：此設(shè)備的作用是產(chǎn)生連續(xù)的I/O和隨機(jī)I/O。在測(cè)評(píng)中產(chǎn)生連續(xù)讀寫(xiě)的工作流，同時(shí)也產(chǎn)生隨機(jī)讀寫(xiě)的工作流，其方法是將給定介質(zhì)的容量進(jìn)行折算形成K塊，在0-K之間產(chǎn)生一個(gè)讀數(shù)作為起點(diǎn)，并假定其長(zhǎng)度為一塊長(zhǎng)度。在實(shí)際中存儲(chǔ)系統(tǒng)的運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)兩種不同的讀寫(xiě)類(lèi)型，即連續(xù)和隨機(jī)兩種。測(cè)試中通過(guò)模塊作用可以將多種類(lèi)型的I/O操作方式注入到系統(tǒng)中，進(jìn)而形成一個(gè)對(duì)實(shí)際操作過(guò)程的回放。讀寫(xiě)I/O列隊(duì)產(chǎn)生裝置生產(chǎn)讀寫(xiě)I/O的隊(duì)列并進(jìn)行管理控制。

Cache的計(jì)算框架主要就是保證系統(tǒng)在測(cè)試中符合Cache系近似模擬。

磁盤(pán)仿真裝置，其作用就是對(duì)每次讀寫(xiě)進(jìn)行時(shí)間上的精確仿真，其方式是按照成熟的仿真技術(shù)措施來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2）測(cè)評(píng)的流程

具體實(shí)現(xiàn)的步驟如下：首先，讀寫(xiě)發(fā)生裝置產(chǎn)生一個(gè)讀寫(xiě)工作流，每個(gè)讀寫(xiě)的過(guò)程都帶有其特定的數(shù)據(jù)信息，包括一個(gè)邏輯地址、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)標(biāo)記。其邏輯地址代表的是此次讀寫(xiě)的源地址，而標(biāo)記則可以顯示其屬性信息。然后將信息傳輸?shù)絀/O隊(duì)列產(chǎn)生裝置上；其次，在讀寫(xiě)I/O隊(duì)列產(chǎn)生裝置上根據(jù)讀寫(xiě)發(fā)生器的信息對(duì)工作流提出讀寫(xiě)要求，并將讀寫(xiě)的內(nèi)容進(jìn)行排序，并按照先入先出的方式將請(qǐng)求發(fā)送到Cache替換算法的插槽上。第三，Cache替換算法插槽接收到數(shù)據(jù)處理的請(qǐng)求，并進(jìn)行處理。先對(duì)請(qǐng)求的格式進(jìn)行審核，檢測(cè)其命中，如命中則完成工作流繼續(xù)測(cè)試，如錯(cuò)誤則執(zhí)行Cache預(yù)取算法。最后，Cache預(yù)取算法的數(shù)量記錄和記錄，此時(shí)預(yù)取算法確定讀取塊的數(shù)量，然后調(diào)用相關(guān)程序完成仿真讀寫(xiě)。系統(tǒng)會(huì)記錄模塊中每次I/O處理的詳細(xì)過(guò)程，記錄有輔助系統(tǒng)完成統(tǒng)計(jì)并形成相應(yīng)的仿真結(jié)論，至此就完成對(duì)系統(tǒng)的測(cè)試。

3）測(cè)試結(jié)果的計(jì)算

完成仿真測(cè)試后就會(huì)得到相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，而評(píng)價(jià)Cache算法的主要標(biāo)準(zhǔn)就是命中率和平均相應(yīng)的時(shí)間。在最后利用統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)通過(guò)公式計(jì)算就可以獲得這兩相應(yīng)的參數(shù)，由此評(píng)價(jià)Cache算法設(shè)計(jì)的優(yōu)劣。其中命中率所需要的參數(shù)是命中數(shù)量和整體讀寫(xiě)數(shù)量；而平均響應(yīng)時(shí)間則與處理耗時(shí)與每次處理的時(shí)間相關(guān)。

三、結(jié)束語(yǔ)

磁盤(pán)陣列的技術(shù)主要是為了提高有限磁盤(pán)空間所可以達(dá)到的處理數(shù)據(jù)的能力，此種技術(shù)是在CUP、內(nèi)存計(jì)算速度大幅提高的情況下應(yīng)運(yùn)而生的，在實(shí)際的應(yīng)用中有軟件和硬件磁盤(pán)陣列兩種實(shí)現(xiàn)方式，而其中采用何種計(jì)算方式對(duì)出現(xiàn)進(jìn)行處理就成為了其技術(shù)的核心問(wèn)題。Cache算法是一種較為實(shí)用的數(shù)據(jù)處理算法，但是其設(shè)計(jì)的方式也存在差異，如何對(duì)其進(jìn)行測(cè)評(píng)就成為了利用Cache算法提高磁盤(pán)陣列計(jì)算效率的重要問(wèn)題。經(jīng)過(guò)前面的論述，不難看出：利用仿真方式構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)單的讀寫(xiě)工作流可以獲得較為準(zhǔn)確的系統(tǒng)數(shù)據(jù)，并利用此對(duì)Cache算法的適應(yīng)性進(jìn)行分析，以此獲得較好的測(cè)評(píng)結(jié)果。

參考文獻(xiàn)

[1]詹玲,彭海云,萬(wàn)繼光.磁盤(pán)陣列系統(tǒng)的Cache算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng),2009,(09)

[2]陳華英.磁盤(pán)陣列RAID可靠性分析[J].電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),2006,(03)

[3]劉志強(qiáng),張澤軍.磁盤(pán)陣列控制器故障主動(dòng)處理系統(tǒng)[J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2010,(05)

[4]徐征,張利華,余池美.磁盤(pán)陣列的緩沖命中率的研究[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī),2009,(12)

[5]莫正彥,馮太明,陳貴海.磁盤(pán)陣列的Cache算法應(yīng)用分析[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2008,(01)