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网络存储服务器的缓存替换策略

2017/8/5    来源:上海航天控制技术研究所    作者:高峰      
关键字:存储服务器  网络存储  
网络存储技术是存储技术与网络技术相结合的产物,高性能、大容量、可扩展和易管理,是该技术的主要特点。本文主要从网络存储环境中的缓存技术入手,对与之有关的缓存替换策略问题进行了探究。
    前言
    
    随着信息技术的不断发展,数据成为了人们日常生活中不可缺少的重要资源。数据的爆炸式增长的现象的出现,已经让传统直连式存储模式难以对数据存储需求进行有效满足。在远程访问技术逐渐成熟以后,以万兆以太网为代表的高速互联网络可以让存储系统的远程访问有所实现。在高速网络在服务器与存储设备之间发挥连接作用的基础上,现代存储系统的体系结构也会产生一定的变化。以网络和数据为核心的现代网络存储技术就成为了满足人们信息存储需求的重要技术。对网络存储服务器的缓存替换策略问题进行探究,可以为互联网信息技术的发展提供一定的帮助。
 
    1网络存储环境中的缓存技术
 
    1.1网络存储环境中的缓存层次结构
    
    在传统的直连式存储模式下,总线在存储设备与应用服务器的连接过程中发挥着重要的作用。I/O路径上也只有一级内存作为缓存,因而这一结构可以被称为单级缓存层次结构。
 
    在网络存储中,为一同数据的快速重复访问服务,应用服务器中通常会部署有大量的缓存,这种结构往往也会被称为多级缓存层次结构。在这一结构中,数据请求首先会在应用服务器
 
    缓存中进行命中监测。在数据请求在应用服务器缓存中失效以后,会到达服务器,进而在服务器缓存中进行命中监测。在这一过程中,存储服务器缓存与应用服务器缓存之间构成二级层次式数据缓存结构。
 
    1.2缓存层次结构所带来的问题
 
    弱局部性特征、缓存数据冗余问题和数据共享问题是缓存层次结构带来的问题的主要表现。网络存储服务器的应用过程是多个应用服务器的不同程序的共享使用过程。缓存竞争问题和工作负载的快速变化问题的出现,往往会让缓存模式表现出难以辨认的问题。在网络存储技术的应用过程中,服务器缓存与应用服务器之间的缓存往往是由两个没有协作的策略进行独立管理的,这种管理模式会让同一个数据出现在两级缓存中重复存储的问题咒冗余存储问题的出现,会让缓存空间的利用率前有所降低。消除数据冗余,就成为了服务器缓存设计过程中所无法忽视的问题。
 
    2网络存储服务器的缓存替换策略
 
    2.1基于顺序监测的缓存替换算法
    
    数据请求的时间局部性是传统缓存替换策略的主要应用依据。但是在网络存储服务器中,数据请求往往会表现出弱时间局部性特征的问题,因而,传统的缓存替换策略往往难以在网络存储服务器中发挥出自身的作用。基于顺序检测的缓存替换算法可以在网络存储和其他若时间局部性环境中得到应用。
    
    从这一算法的核心思想来看,在对缓存中的数据块进行裁汰的过程中,这一算法可以在对相对孤立的、在磁盘中与其他缓存数据块缺乏连续性的随机数据块进行保留的基础上,对缓存中在磁盘物理地址分布方面具有连续性的顺序数据块进行优先汰除。通过将这一技术与传统的计算机缓存替换策略进行比较分析,我们可以发现,基于顺序监测的缓存替换算法对随机数据块的缓存命中率的提升有着积极的促进作用。在对顺序数据块进行淘汰以后,顺序访问模式的应用,可以让已淘汰的数据块的再次访问得到实现。
    
    从这一技术的应用情况来看,对顺序数据块和随机数据块的界定问题是算法应用效果的主要影响因素。对缓存中的数据块的变化的动态反映,是顺序数据块界定过程中所要遵循的重要原则。从数据块在磁盘中逻辑块地质的相邻关系入手,将数据块分为不相交的极大顺序集的措施是解决这一问题的一种有效方式。对极大顺序集的更新过则的定义,也可以对缓存中的数据块变化进行动态反映
 
    2.2文件系统元信息感知的缓存替换算法
 
    应用服务器缓存的过滤性效应问题是数据请求的若时间局部性特征的主要产生原因。以时间局部性问题作为数据块缓存的主要替换依据的做法往往会让服务器的缓存性能有所下降。系统永远信息在缓存模块中的应用,可以对缓存中的一些数据模块进行有效界定,这就可以让缓存替换策略的工作效率得到有效提升。对缓存中的大文件数据块的替换,是这一缓存替换算法的核心要素。顺序访问模式也是让已淘汰的数据块实现再次访问的有效方式。缓存失效开销低的特点,成为了这一缓存替换策略在实际应用过程中表现出来的主要特点。原信息获取方法的应用,可以在不需要额外的磁盘访问操作的基础上,将数据块所属的文件的元信息传递到缓存管理模块之中。在对被淘汰的数据块进行重复访问的过程中出现的缓存失效开销的问题也会得到有效解决。)基础支撑机制的应用,是对缓存替换策略所带来的负面效应进行规避的有效措施。完全性机制、保护性机制、数据老化机制和前缀缓存机制是这一算法中所应用的主要的支撑机制〔其中,完全性机制是对缓存碎片问题进行有效避免的方式,保护性机制可以为当前访问的数据块提供一定的保护。数据老化机制可以让小文件在缓存中长期滞留的问题得到有效避免。前缀缓存机制的应用,可以为文件前缀部分的数据块提供一定的优先级,这就可以让这一部分的生命周期得到有效延长。
 
    2.3基于驻存时间的排他缓存替换算法
 
    从应用程序的作用机理来看,它首先访问的是应用服务器中的缓存,因此数据冗余也会带来服务器缓存空间的浪费问题。排他缓存策略的应用,是对这一问题进行解决的有效方式。基于驻存时间的排他缓存替换算法的应用,可以在对服务器数据冗余进行有效减少的基础上,对存储服务器自身的缓存性能进行有效提升。这一算法的应用,可以在数据块由服务器转存转入到应用服务器的缓存以后,在服务器缓存中对相关的数据块进行删除。高效性和友好性是缓存侧略应用过程中不可忽视的两大重要问题。对缓存替换策略的友好性特征的强化,可以对额外的通信协议进行有效避免。
 
责任编辑:李欢
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