文档介绍：基于闪存特性的存储优化
及应用研究
(申请清华大学工学博士学位论文)
培养单位 ： 计算机科学与技术系
学 科 ： 计算机科学与技术
研究生 ： 石伟
指导教师 ： 汪东升 教授
二○一五年四月
Research on Storage Optimizationsand
Applied Technologies Based on
Flash Characteristics
Dissertation Submitted to
TsinghuaUniversity
in partial fulfillment of the requirement
for the degree of
Doctor of Philosophy
in
ComputerScience and Technology
by
ShiWei
Dissertation Supervisor : Professor WangDongsheng
April,2015
摘要
摘 要
存储介质是计算机存储体系结构的基础。从磁带、软盘到机械硬盘，存
储工业的每一次进步都带来了体系结构和系统软件层的进一步发展。近年来，
随着闪存存储器芯片成本不断下降，各种基于闪存芯片的存储设备被大量使
用。
固态盘等形式的闪存设备，由于其可兼容传统存储系统，并具有高性能、
低功耗等优点，被广泛使用在 I/O 密集型应用环境中替换传统机械硬盘。这
类设备内部的闪存地址转换层（FTL）使其内部闪存特性对上层系统透明，
使得传统文件系统及数据库系统软件等将闪存设备当作普通块设备使用，这
造成了软硬件之间的设计冗余、策略冲突、协同缺失等问题。针对这些问题，
本文对包括事务处理、并行 I/O、存储入侵检测以及云存储缓存四个不同应
用场景下基于闪存特性的存储优化进行了研究。论文的主要成果与贡献包括：
1. 针对事务处理应用场景，提出了基于闪存的软硬件协同分类事务处
理机制 Mobius。该机制利用了闪存异地更新特性，在设备内部同时
支持传统数据库中的 ACID 事务以及日志文件系统中的弱事务，提
出了静态事务和动态事务的概念。Mobius 扩展了传统设备接口，针
对不同类型的事务对上层软件直接提供相应的事务处理接口。对于
静态事务的快速恢复，提出了基于有向无环图拓扑关系的静态事务
提交协议。该提交协议是一种延迟提交协议，可以避免提交记录造
成的额外写入。此外，在事务恢复时，Mobius 可以避免大部分事务
数据扫描，从而减少离线恢复时间，提高了数据可用性。
2. 针对并行 I/O 环境中出现的单个固态盘写悬崖造成的全局写性能下
降问题，提出了可以自适应的细粒度数据放置策略。固态盘在持续
写密集负载和可用空间少等情况下会出现写性能急剧下降的问题，
称之为写悬崖。并行 I/O 环境下单个固态盘写悬崖会对全局性能造
成影响。自适应的细粒度数据放置算法可以在写悬崖发生后将数据
以细粒度的方式进行节点间迁移，避免了全局 I/O 性能下降。
3. 针对存储入侵检测应用场景，