網(wǎng)絡(luò)存儲技術(shù)應(yīng)用

第二講網(wǎng)絡(luò)存儲技術(shù)的根本應(yīng)用1磁盤鏡像(Mirroring)Mirroring:keepingtwoormoreidenticalcopiesofdataonline.

磁盤鏡像是一種簡單的設(shè)備虛擬化技術(shù)，產(chǎn)生的每個I/O操作都在兩個磁盤上執(zhí)行，而兩個磁盤看起來就象一個磁盤一樣。這種簡潔的技術(shù)具有很好的實用效果，它可把無數(shù)的系統(tǒng)管理員和企業(yè)從數(shù)據(jù)喪失中解放出來。1.1磁盤鏡像保護數(shù)據(jù)磁盤鏡像把寫在磁盤上的數(shù)據(jù)另做一份拷貝，并將其存儲在另一個地方。結(jié)果就產(chǎn)生一對孿生磁盤，數(shù)據(jù)喪失的可能性就會比單個磁盤小的多。主磁盤從磁盤存儲I/O總線主機I/O控制器圖1磁盤鏡像簡圖〔主從鏡像對〕第一次寫操作第二次寫操作I/O請求I/O總線/網(wǎng)絡(luò)位于I/O路徑中的鏡像器鏡像磁盤鏡像功能圖2產(chǎn)生兩個鏡像、并通過I/O總線傳送的鏡像器鏡像的I/O實現(xiàn)鏡像的硬件與軟件〔同步、異步〕I/O請求入I/O響應(yīng)出鏡像器鏡像I/O鏡像磁盤搜集響應(yīng)獨立的I/O過程圖3同步鏡像I/O請求的操作流程I/O請求I/O總線鏡像器鏡像磁盤鏡像的I/O磁盤錯誤錯誤報告響應(yīng)搜集錯誤偵測圖4同步鏡像中的錯誤偵測圖5異步鏡像過程返回的第一個響應(yīng)被傳到I/O請求者獨立的I/O響應(yīng)磁盤磁盤鏡像器I/O請求入I/O響應(yīng)出鏡像的I/O常用于遠程或慢速網(wǎng)絡(luò)1.2選擇磁盤鏡像方案運行在主機系統(tǒng)的軟件主機I/O控制器外部磁盤子系統(tǒng)1.2.1軟件鏡像磁盤鏡像也存在幾種軟件實現(xiàn)方法。軟件磁盤鏡像即可以使用內(nèi)部驅(qū)動器〔效勞器機柜中〕，也可以使用外部JBOD〔JustaBunchofDisks〕機柜中的磁盤。JBOD是一個簡單的磁盤子系統(tǒng)，能為外部機柜中的多個磁盤驅(qū)動器提供電源和I/O連接。JBOD磁盤驅(qū)動器可單獨由主機訪問，但一般是與軟件和基于I/O控制器的鏡像協(xié)同工作。大多數(shù)效勞器的操作系統(tǒng)都提供了根本的磁盤鏡像功能。為了易于安裝，一般都省略了性能控制、遠程管理和配置選擇范圍。在許多操作系統(tǒng)和文件系統(tǒng)中，卷管理軟件也可提供鏡像功能。I/O請求文件系統(tǒng)卷管理器設(shè)備驅(qū)動程序系統(tǒng)總線主機I/O控制器I/O總線設(shè)備鏡像器鏡像的磁盤鏡像的I/O單或雙主機I/O控制器單或雙主機I/O總線I/O路徑圖6卷管理器中實現(xiàn)磁盤鏡像的I/O路徑I/O請求文件系統(tǒng)卷管理器設(shè)備驅(qū)動程序系統(tǒng)總線主機I/O控制器I/O總線設(shè)備鏡像器鏡像的磁盤鏡像的I/OI/O路徑

子系統(tǒng)圖7在磁盤子系統(tǒng)中實現(xiàn)的鏡像I/O路徑I/O請求文件系統(tǒng)卷管理器設(shè)備驅(qū)動程序系統(tǒng)總線主機I/O控制器I/O總線設(shè)備鏡像器鏡像的磁盤鏡像的I/OI/O路徑圖8主機控制器中磁盤鏡像I/O路徑I/O請求文件系統(tǒng)卷管理器設(shè)備驅(qū)動程序系統(tǒng)總線主機I/O控制器I/O總線設(shè)備鏡像器鏡像的磁盤鏡像的I/OI/O路徑圖9設(shè)備驅(qū)動程序中使用I/O控制器的磁盤鏡像1.3使用磁盤鏡像改善存儲性能使用附加的主機I/O控制器的目的可以改善存儲性能。為了到達最優(yōu)的性能，應(yīng)使控制器的性能〔帶寬〕超過與連接到I/O總線的磁盤驅(qū)動器的總性能的25%。例如，一個帶有兩個磁盤的SCSI總線，其帶寬為40MB/S。兩個磁盤驅(qū)動器為9GB的高速硬盤，其最大傳輸率應(yīng)選為15MB/S?？偩€帶寬應(yīng)超過需要帶10MB/S。-------------------------------------------------控制器磁盤1磁盤2空閑-------------------------------------------------40MB/S15MB/S15MB/S10MB/S-------------------------------------------------磁帶驅(qū)動器和磁盤鏡像混用問題SCSI允許不同速度的設(shè)備掛接到同樣的總線上，但SCSI主機適配器使用最小公分母的方式設(shè)置其速度，即匹配最慢設(shè)備的速度?！惨灿蠭/O控制器，如UltraSCSI3，支持不同速度的多條總線〕。當磁盤鏡像與磁帶混用時，磁帶用于數(shù)據(jù)備份。其傳輸路徑為：從一個磁盤機進入主機，通過應(yīng)用或驅(qū)動程序緩沖區(qū)進入主機I/O控制器，最終存放到磁帶。圖4-9中磁帶機速度為3MB/S，一般在空閑〔如夜間〕時執(zhí)行備份操作，備份期間存儲性能會大大降低。主磁盤存儲I/O總線磁帶驅(qū)動器UltraSCSI主機I/O控制器附屬磁盤圖10接入I/O路徑與磁盤鏡像混用的慢速磁帶設(shè)備雙主機I/O控制器混用結(jié)構(gòu)及特性為了改善性能，可以采用雙主機I/O控制器〔如圖4-10所示〕。這樣的配置性能數(shù)據(jù)如下表所示：--------------------------------------------------------------------------控制器磁盤1磁盤2磁帶空閑--------------------------------------------------------------------------1〔20MB/S〕15MB/SN/A3MB/S10MB/S2〔40MB/S〕N/A15MB/SN/A25MB/S--------------------------------------------------------------------------該結(jié)構(gòu)為峰值為15MB/S的磁盤驅(qū)動器留有充足的帶寬。但該結(jié)構(gòu)不適合同步磁盤鏡像。在備份期間，磁帶機總是運行，系統(tǒng)性能會受到影響。UltraSCSI磁盤驅(qū)動器FaSt/WideSCSI磁帶驅(qū)動器UltraSCSI主機I/O控制器UltraSCSI磁盤驅(qū)動器圖11雙主機I/O控制器的均衡功能及性能I/O總線I/O總線系統(tǒng)I/O總線別離磁帶路徑的盤帶混合結(jié)構(gòu)該結(jié)構(gòu)將兩個磁盤控制器都掛到同一控制器上，而把磁帶驅(qū)動器單獨連接在一個別離的控制器。其傳輸性能由下表所示：-------------------------------------------------------------------------控制器磁盤1磁盤2磁帶空閑-------------------------------------------------------------------------1〔40MB/S〕15MB/S15MB/SN/A10MB/S2〔20MB/S〕N/AN/A3MB/S17MB/S-------------------------------------------------------------------------提示：盡量將磁帶驅(qū)動器放置在屬于自己的路徑上，以實現(xiàn)與磁盤設(shè)備的別離。鏡像的UltraSCSI磁盤驅(qū)動器I/O總線I/O總線UltraSCSI主機I/O控制器FaSt/Wide主機I/O控制器系統(tǒng)I/O總線圖12連接在別離控制器上的磁帶驅(qū)動器使用磁盤鏡像提高I/O性能對磁盤的操作中，寫操作占整個磁盤操作的10~20%，大局部都是讀操作。因此，提高讀操作的速度對改善I/O性能非常重要。一般可認為內(nèi)存的訪問時間為60~80納秒，磁盤的訪問時間是8~12微秒，磁盤驅(qū)動器比內(nèi)存要慢100多倍。而影響磁盤速度的最主要因素是磁頭〔磁盤臂〕移動。對于鏡像寫操作，兩個磁盤的臂被定位在各自的磁道上，然后進行寫操作。相比之下，讀操作那么不必如此，可以分別執(zhí)行讀操作。這樣就會使響應(yīng)速度加倍。讀I/O請求請求1請求2鏡像器讀文件A讀文件B

磁盤1磁盤2文件B文件A文件B文件A圖13從一對鏡像磁盤中的異步讀出操作通過增加磁盤軸數(shù)量提高性能鏡像磁盤的異步讀是典型的并行處理范例，通過增加鏡像磁盤驅(qū)動器的數(shù)量〔增加讀數(shù)據(jù)磁盤臂的數(shù)量〕，可以大幅度提高I/O性能。大容量磁盤驅(qū)動器對并行操作不利，它要求單磁盤臂要讀出的數(shù)據(jù)量更大。它對單用戶影響不大，對多用戶訪問影響嚴重。磁盤數(shù)據(jù)塊的大小也是影響I/O性能的重要指標。許多文件系統(tǒng)提供配置塊大小的功能，根據(jù)需要調(diào)整塊的大小，可提高I/O性能。塊太小容易產(chǎn)生磁盤碎片，增加盤臂移動頻率。塊太大，文件尾的磁盤塊浪費嚴重。不同應(yīng)用中磁盤塊大小選擇參考————————————————————————系統(tǒng)活動最優(yōu)塊大小-------------------------------------------------------------------------事物數(shù)據(jù)4~8K辦公室自動化16~32K數(shù)據(jù)倉庫64~256KCAD設(shè)計64~128K多媒體512~4M效勞器A效勞器BI/O路徑1I/O路徑2總的磁盤臂為4總的磁盤臂數(shù)為18圖14帶有36GB容量磁盤的兩個效勞器：一個有4個磁盤臂，另一個有18個磁盤臂18GB18GB18GB18GB4GB4GB4GB4GB18GB帶有36GB鏡像磁盤的兩個效勞器I/O控制器I/O路徑1I/O路徑21.４鏡像外部磁盤子系統(tǒng)鏡像的磁盤可以容易的由磁盤子系統(tǒng)所代替。對主機來說，RAID子系統(tǒng)就像個大磁盤，通過軟件鏡像或主機I/O鏡像，可實現(xiàn)高容錯系統(tǒng)。子系統(tǒng)鏡像與效勞器集群有某些相似，其根本思想是：在合理的花費下提供高可用性。它使用了主從概念，如果主效勞器失敗，從效勞器可接替工作。但主從效勞器的數(shù)據(jù)連接仍是一個重要研究課題。存儲I/O總線存儲I/O總線系統(tǒng)I/O總線主機I/O控制器鏡像的磁盤子系統(tǒng)圖15鏡像外部磁盤子系統(tǒng)2快照〔Snapshot〕前面所述的鏡像方法適用于突發(fā)的物理災(zāi)害，如磁盤損壞、火災(zāi)、地震等。但它不適用人為產(chǎn)生的錯誤。如誤刪文件內(nèi)容等，頻繁發(fā)生的邏輯災(zāi)害?？煺帐侵笖?shù)據(jù)在某一時刻的狀態(tài)、映像。(Snapshot:point-in-timefrozenimageofdata.)快照鏡像的根本思想：建立一個別離的可尋址的存儲實體，然后在這個實體上執(zhí)行操作，而不是在真實的數(shù)據(jù)上執(zhí)行操作。用途：包括備份、測試、轉(zhuǎn)換及其它的批處理。2.1快照在快速邏輯備份中的應(yīng)用tT1T2T3T4原數(shù)據(jù)-1代-2代-3代備份數(shù)據(jù)主效勞器測試效勞器主機I/O控制器主I/O路徑端口主子系統(tǒng)脫鉤的I/O路徑主機I/O控制器端口1端口2附屬子系統(tǒng)主機I/O控制器

圖16快照鏡像在系統(tǒng)測試中的應(yīng)用

備份系統(tǒng)主效勞器主機I/O控制器磁帶備份裝置備份I/O路徑鏡像的I/O路徑脫鉤的路徑I/O路徑主Symmetrix子系統(tǒng)附屬Symmetrix子系統(tǒng)第三級Symmetrix子系統(tǒng)圖17快照在磁帶備份中的應(yīng)用主效勞器VincaStandby效勞器主子系統(tǒng)附屬子系統(tǒng)I/O路徑I/O路徑主機I/O控制器復(fù)制路徑100BaSeT雙絞線纜NICNIC圖18效勞器之間的磁盤鏡像主本地磁盤子系統(tǒng)I/O控制器效勞器路徑擴展器路徑擴展器從遠程磁盤子系統(tǒng)圖19跨校園環(huán)境下的磁盤子系統(tǒng)鏡像主效勞器主效勞器TCP/IP網(wǎng)絡(luò)所選擇的文件C:\workfileS\*.*復(fù)制的文件D:\workfileS\*.*網(wǎng)絡(luò)接口卡I/O總線I/O總線圖20通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的文件系統(tǒng)的復(fù)制效勞器1效勞器2復(fù)制效勞器被復(fù)制的數(shù)據(jù)復(fù)制效勞器磁盤I/O總線以太網(wǎng)圖21通過LAN實現(xiàn)多對一復(fù)制得體系結(jié)構(gòu)效勞器1的數(shù)據(jù)效勞器2的數(shù)據(jù)基于LAN的多對一復(fù)制圖22通過專用線或WAN的路徑擴展I/O總線代理目標代理主機I/O控制器本地擴展器遠程擴展器遠程磁盤串行+解串器F(SerdeS)F(SerdeS小結(jié)鏡像是一個很好的、經(jīng)過時間檢驗的技術(shù)，它不僅提供了冗余，也提供了性能的改善。在未來的假設(shè)干年里，很可能繼續(xù)出現(xiàn)創(chuàng)新的解決方案。快照使近幾年開展較快的技術(shù)，適合恢復(fù)邏輯錯誤。思考題：異步鏡像原理及可能帶來的問題第三講高速緩存技術(shù)1.高速緩存技術(shù)緩存技術(shù)是改善I/O性能的一項根本技術(shù)。本章討論的磁盤緩存方法不僅適合傳統(tǒng)的存儲總線，也適合于新開展的存儲網(wǎng)絡(luò)。只要系統(tǒng)帶多個設(shè)備，且性能不同，就存在從慢速設(shè)備到快速設(shè)備不斷更換工作地點以改善系統(tǒng)性能的可能性。緩存的根本思想可以簡述為：將數(shù)據(jù)從一個地點拷貝到另一個地點，使之檢索起來更快。訪問請求快速提交慢速提交緩存存儲常規(guī)存儲1.1緩存的命中率如果緩存不理想,命中率不高,導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降。緩存命中率=由緩存完成的I/O請求次數(shù)I/O請求總數(shù)1.2緩存與緩沖間的差異對于開放系統(tǒng)，Unix，NT等，通常的命中率不超過50%。大型機系統(tǒng)的命中率可高達90%。緩沖〔buffer〕只起臨時存放數(shù)據(jù)的作用，控制算法簡單；緩存(cache)與上相反。3→2→1→123圖3-1主機控制器管理的多設(shè)備重疊操作主機I/O控制器重疊的請求緩沖內(nèi)存存儲設(shè)備存儲總線存儲設(shè)備緩沖內(nèi)存存儲設(shè)備設(shè)備中的緩沖存儲器用于減少訪問延遲，以適應(yīng)主機控制器的性能緩存內(nèi)存緩存總線

緩存控制器到磁盤系統(tǒng)I/O圖3-2帶有一個緩沖控制器和緩沖內(nèi)存的磁盤緩沖緩存算法既可以在主機軟件中實現(xiàn)，也可以在存儲子系統(tǒng)或在主機控制器中實現(xiàn)1.3磁盤緩存的性能估計產(chǎn)品演示中客戶可看到不到原來時間25%的緩存效果。實際上，很好地配置緩存，運行效率可到達原來的2倍。2磁盤緩存的算法磁盤緩存并不是使設(shè)備運行的速度加快，而是縮短了I/O路徑的距離，盡可能地用內(nèi)存的性能代替設(shè)備的性能。磁盤緩存算法中，對應(yīng)‘讀’和‘寫’的算法差異很大。2.1讀算法〔常用兩種〕最近使用〔LRU：leastrecentlyused〕緩存預(yù)先讀緩存圖3-3LRU裝入數(shù)據(jù)的過程緩存內(nèi)存在正常I/O操作期間，在讀磁盤數(shù)據(jù)的同時，數(shù)據(jù)也拷貝到緩存內(nèi)存響應(yīng)請求響應(yīng)請求存儲設(shè)備或子系統(tǒng)LRU算法的緩存控制器LRU的根本思想：最近讀過的數(shù)據(jù)不久將再次被讀。圖3-4關(guān)系數(shù)據(jù)庫的LRU緩存緩存內(nèi)存數(shù)據(jù)庫存儲子系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫效勞器LAN緩存命中LRU緩存緩存未命中數(shù)據(jù)被讀入緩存內(nèi)存響應(yīng)請求緩存未命中請求響應(yīng)LRU緩存控制器3561241.發(fā)送到緩存內(nèi)存的緩存命中

3.發(fā)送到存儲子系統(tǒng)的緩存未命中5.裝入緩存的讀緩存未命中2.從緩存內(nèi)存到效勞器讀的緩存命中4.從存儲子系統(tǒng)到緩存控制器的讀緩存未命中6.到效勞器的讀緩存未命中LRU緩存的應(yīng)用過程LRU算法適用的數(shù)據(jù)范圍ERP和MRP系統(tǒng)Internet電子商務(wù)效勞器事物處理系統(tǒng)顧客效勞和支持系統(tǒng)其他多用戶數(shù)據(jù)庫應(yīng)用不適用類型：順序訪問的數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)倉庫，多媒體數(shù)據(jù)等。預(yù)先讀緩存預(yù)先讀緩存的根本思想：已讀入的數(shù)據(jù)將不在需要，而依次需要的是即將讀入的數(shù)據(jù)塊。適用范圍：文件效勞、備份、數(shù)據(jù)倉庫及多媒體等順序I/O模式的應(yīng)用。

圖3-5預(yù)先讀的過程緩存內(nèi)存緩存命中緩存控制器發(fā)出預(yù)取請求，將數(shù)據(jù)寫入緩存內(nèi)存預(yù)讀取I/O請求+響應(yīng)緩存未命中采用預(yù)先讀算法的緩存控制器存儲設(shè)備或子系統(tǒng)如果數(shù)據(jù)已經(jīng)老化，或在近期沒有用，就把它從預(yù)先讀緩存中丟棄圖3-6文件效勞器的預(yù)先讀緩存緩存內(nèi)存文件存儲子系統(tǒng)文件效勞器LAN緩存命中預(yù)先讀緩存緩存裝入預(yù)取數(shù)據(jù)響應(yīng)請求〔緩存未命中〕請求響應(yīng)LRU緩存控制器351241.緩存命中

3.緩存未命中5.從存儲子系統(tǒng)預(yù)讀取2.從緩存的讀緩存命中數(shù)據(jù)4.從存儲子系統(tǒng)讀緩存未命中數(shù)據(jù)6.緩存裝入預(yù)取數(shù)據(jù)預(yù)取I/O62.2寫數(shù)據(jù)到緩存設(shè)備或子系統(tǒng)緩存寫與緩存讀技術(shù)有很大的不同，它更側(cè)重數(shù)據(jù)的平安性，如斷電時的保證數(shù)據(jù)不喪失；一致性等題。用LRU方法作例如：假定某個應(yīng)用正在更新存儲子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，由于在緩存中可能存了過時的數(shù)據(jù)，當應(yīng)用修改數(shù)據(jù)時，緩存中的過時數(shù)據(jù)也必須修改。否那么，LRU方法將讀到過時數(shù)據(jù)。兩種根本的寫緩存技術(shù)：透寫緩存：把數(shù)據(jù)寫入緩存后，立即寫入非易失存儲器〔磁盤〕回寫緩存：為了提供更快的響應(yīng)，將把緩存中的幾個I/O寫操作集中起來，然后一次性地把它們寫入非易失性存儲器。圖3.7緩存未命中和緩存命中的寫請求過時數(shù)據(jù)緩存內(nèi)存寫I/O請求可選的寫I/O請求寫I/O請求過時數(shù)據(jù)緩存命中I/O請求修改正的數(shù)據(jù)緩存控制器緩存未命中①②②⊕⊕非易失存儲圖3.8緩存命中時的透寫緩存過程⊕⊕寫I/O請求到緩存內(nèi)存寫I/O請求緩存命中寫I/O請求非易失存儲使用透寫算法的緩存控制器⊕⊕寫I/O請求到緩存內(nèi)存寫I/O請求緩存命中寫I/O請求非易失存儲使用回寫算法的緩存控制器圖3.9

緩存命中時的回寫緩存過程注：回寫緩存決不能在沒有UPS的情況下使用3磁盤緩存的位置與優(yōu)化主機系統(tǒng)內(nèi)存設(shè)備或子系統(tǒng)主機I/O控制器存儲網(wǎng)絡(luò)中的獨立緩存磁盤緩存可能處于不同I/O路徑的位置，對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響也不同，一般有以下四種情況：3.1在主機內(nèi)存中實現(xiàn)磁盤緩存用主機內(nèi)存〔或位于系統(tǒng)內(nèi)存總線的緩存〕實現(xiàn)，是訪問速度最快的一種方式。缺點：占用CPU時間和主機內(nèi)存，在主機使用頻率超過75%時，不適合選用。1〕主機系統(tǒng)的LRU緩存在傳輸數(shù)據(jù)并將其裝入主機內(nèi)存的過程中，LRU對系統(tǒng)性能影響很小。在主機內(nèi)存中實現(xiàn)LRU效率很高。2〕主機系統(tǒng)的預(yù)先緩存要消耗更多的CPU周期、存儲路徑、系統(tǒng)I/O總線和系統(tǒng)存儲總線的帶寬。3〕主機系統(tǒng)中的透寫緩存并可防止數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)的不一致。4〕主機系統(tǒng)中的回寫緩存效率遠高于透寫，易產(chǎn)生數(shù)據(jù)不一致。需要UPS支持。對于隨機事物處理，LRU與回寫緩存可能是最優(yōu)的組合圖3.10效勞器根本緩存效勞器系統(tǒng)磁盤緩存橋控制器主機I/O總線主機I/O控制器存儲總線/網(wǎng)絡(luò)存儲設(shè)備/子系統(tǒng)圖3.11位于內(nèi)存總線的緩存文件系統(tǒng)接口系統(tǒng)環(huán)境文件系統(tǒng)卷處理器磁盤緩存設(shè)備接口到非易失存儲的設(shè)備驅(qū)動程序緩存進程系統(tǒng)內(nèi)存總線分配給磁盤緩存的系統(tǒng)內(nèi)存圖3.12設(shè)備/子系統(tǒng)中的緩存實現(xiàn)效勞器橋控制器主機I/O總線主機I/O控制器存儲總線/網(wǎng)絡(luò)存儲設(shè)備/子系統(tǒng)磁盤緩存3.2在磁盤子系統(tǒng)中實現(xiàn)緩存特點：主機CPU不受緩存操作影響，適用于主機負荷重的系統(tǒng)。因為每個請求都要通過整個I/O路徑，所以它比基于主機的緩存操作要慢。1〕設(shè)備/子系統(tǒng)中的LRU緩存效率不如在主機內(nèi)的緩存系統(tǒng)，但它適用主機負荷重的場合〔超過75%〕,或沒有適當內(nèi)存建緩存。2〕設(shè)備/子系統(tǒng)中的預(yù)先讀緩存與在主機內(nèi)實現(xiàn)不同，它不額外增加主機CPU的負擔，及降低競爭主機資源進程的干擾。

3〕設(shè)備/子系統(tǒng)中透寫緩存對I/O吞吐量要求不高，寫操作較少的應(yīng)用時，透寫緩存的效果較好。4〕設(shè)備/子系統(tǒng)中的回寫緩存在存儲子系統(tǒng)中最常用的方法。圖3.13使用位于主機I/O控制器上的緩存控制器實現(xiàn)磁盤緩存效勞器橋控制器主機I/O總線主機I/O控制器存儲總線/網(wǎng)絡(luò)存儲設(shè)備/子系統(tǒng)磁盤緩存3.3在主機I/O控制器中實現(xiàn)磁盤緩存兩種實現(xiàn)方法：主機驅(qū)動程序；主機I/O控制器上的緩存控制器。后一種方法可減輕主機負擔，為大局部系統(tǒng)所采用。特點介于前兩者的綜合〔4種讀寫操作〕。圖3.14存儲網(wǎng)絡(luò)中的緩存存儲網(wǎng)絡(luò)存儲網(wǎng)絡(luò)端口端口端口端口ABCD到系統(tǒng)A到系統(tǒng)B到目標設(shè)備/子系統(tǒng)C到目標設(shè)備/子系統(tǒng)D端口/緩存交叉連線目標控制器+虛擬化緩存控制+操作緩存內(nèi)存池B緩存內(nèi)存池A4存儲網(wǎng)絡(luò)中的獨立緩存

提供多端口、多主機、多目標緩存的能力5配置緩存確定緩存的大?。阂话愣裕瑢τ趲в芯彺娴拇疟P子系統(tǒng)，合理的緩存應(yīng)占總存儲量的0.1%。多級緩存：為了使某些類型的數(shù)據(jù)和應(yīng)用到達更好的工作狀態(tài)，可以同時使用多級緩存。例如，同時使用LRU和預(yù)先讀兩種緩存。一般而言，多級緩存應(yīng)串接在I/O路徑上，并行連接方式所產(chǎn)生連貫性問題，仍然是今天存儲領(lǐng)域所面臨的難題。應(yīng)將I/O路徑上負擔最小的緩存組件放在靠近CPU的位置，如LRU緩存。I/O路徑上負擔最重的緩存組件應(yīng)放在離存儲子系統(tǒng)的地方。圖3.15多級磁盤緩存正常I/O操作期間裝入的緩存I/O請求緩存控制器1：LRU+回寫緩存控制器2：預(yù)先讀+透寫非易失存儲緩存內(nèi)存1

緩存內(nèi)存2收集并發(fā)送到非易失存儲的寫有控制器中的預(yù)取執(zhí)行的緩存裝入立即發(fā)送到非易失存儲的寫圖3.16SSD在I/O路徑上的位置效勞器橋控制器主機I/O總線主機I/O控制器存儲總線/網(wǎng)絡(luò)固態(tài)磁盤〔SSD〕6固態(tài)磁盤〔SSD〕用半導(dǎo)體存儲器代替慢速的機電設(shè)備特點：速度快，價格貴〔是磁盤價格的100倍〕。非易失SSD：帶后備電池的DRAM，閃存〔讀操作快，寫操作與磁盤差不多〕。圖3.17帶有一個內(nèi)部磁盤驅(qū)動器的SSDSSD

I/O寫入內(nèi)存存儲內(nèi)部磁盤驅(qū)動器鏡像控制器圖3.18標記命令排隊的實現(xiàn)主機I/O控制器設(shè)備/子系統(tǒng)命令隊列目標設(shè)備/子系統(tǒng)7標記命令排隊圖3.19使用標記命令排隊的排序命令序列

接收的請求隊列I/O序列號塊序列排序10-89-28-37-66-25-14-73-42-81-1重排的請求〔在排序后〕I/O序列號塊序列10-82-84-77-63-48-39-26-25-11-1為了最優(yōu)設(shè)備性能而重新排序I/O請求8I/O路徑與系統(tǒng)性能平衡CPU與I/O的性能8.1分析CPU和I/O性能增益的影響例，一進程原來的運行時間為10秒鐘，其中5秒鐘為CPU花費的時間，5秒鐘為I/O操作花費的時間。現(xiàn)安裝新CPU，其速度是原來的4倍，系統(tǒng)CPU升級后，新CPU花費時間為原來的1/4，1.25秒。新進程時間=改善的CPU性能+I/O性能=1.25+5=6.25原進程時間/新進程時間=10/6.25=1.6倍假設(shè)，再用磁盤緩存技術(shù)使I/O性能提高一倍，即2.5秒那么,系統(tǒng)總性能的改善為:原進程時間/新進程時間=10/3.75=2.7倍

通過例子可以看出提高I/O性能對系統(tǒng)的整體性能影響很大.

8.3從CPU最大值推測主機I/O總線性能根據(jù)1983年以來的PC開展歷史，可以推測系統(tǒng)I/O總線性能的最大值約為CPU吞吐量的5%。隨著千兆的64位處理器的出現(xiàn)，可期望系統(tǒng)I/O總線的速度能到達400M/s，但常用的64位PCI總線只有256M/s的速度。1999年10月30日新發(fā)布的InfiniBand標準的雙向I/O傳輸速度到達500M/s。8.4配置系統(tǒng)使I/O性能最優(yōu)8.2I/O性能與CPU速度的關(guān)聯(lián)表CPU最大的吞吐量時鐘速度〔MHz〕數(shù)據(jù)寬度理論吞吐量8MHz8位8MB/s16MHz16位16MB/s33MHz32位132MB/s120MHz32位480MB/s200MHz64位