本發(fā)明涉及磨損均衡，具體為一種基于日志結(jié)構(gòu)合并樹(shù)的固態(tài)硬盤(pán)磨損均衡算法。
背景技術(shù)：
：：1、隨著存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展，固態(tài)硬盤(pán)實(shí)現(xiàn)了顯著的發(fā)展，包括讀寫(xiě)速度的大幅提升、能耗的降低以及存儲(chǔ)容量的不斷增加。固態(tài)硬盤(pán)以其獨(dú)特的固態(tài)存儲(chǔ)芯片技術(shù)，逐漸取代了傳統(tǒng)的機(jī)械硬盤(pán)，成為數(shù)據(jù)中心中不可或缺的存儲(chǔ)解決方案。鍵值數(shù)據(jù)庫(kù)充分利用了固態(tài)硬盤(pán)的優(yōu)勢(shì)，廣泛采用lsm-tree作為其存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，以進(jìn)一步優(yōu)化數(shù)據(jù)寫(xiě)入性能，提升存儲(chǔ)效率，并滿足大數(shù)據(jù)時(shí)代對(duì)高性能、高擴(kuò)展性存儲(chǔ)系統(tǒng)的需求。2、然而，nandflash作為固態(tài)硬盤(pán)（ssd）的主要存儲(chǔ)介質(zhì)，其物理塊（block）的擦寫(xiě)次數(shù)是有限的。通常，一個(gè)nandflash塊的擦寫(xiě)次數(shù)在幾千到幾萬(wàn)次之間，遠(yuǎn)低于機(jī)械硬盤(pán)的壽命。這意味著，如果某個(gè)塊被頻繁擦寫(xiě)，它將很快達(dá)到其壽命極限，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失或硬盤(pán)故障。為了解決閃存壽命的問(wèn)題，通常使用磨損均衡作為解決方案之一來(lái)提高固態(tài)硬盤(pán)的壽命，磨損均衡方法通過(guò)智能地管理數(shù)據(jù)塊的擦寫(xiě)操作，確保所有塊都得到相對(duì)均勻的擦寫(xiě)次數(shù)，從而延長(zhǎng)ssd的整體壽命。3、根據(jù)磨損均衡的時(shí)機(jī)可以將磨損均衡方法分為兩種：1.動(dòng)態(tài)損耗均衡。在數(shù)據(jù)被寫(xiě)入時(shí)觸發(fā)。當(dāng)數(shù)據(jù)需要更新或?qū)懭霑r(shí)，算法會(huì)計(jì)算出各個(gè)閃存單元的損耗情況，并寫(xiě)入到擦除次數(shù)最少的閃存塊。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是處理速度快，對(duì)性能影響小，但主要關(guān)注動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)和未使用空間之間的均衡。2.靜態(tài)磨損均衡。靜態(tài)磨損均衡則可以在后臺(tái)運(yùn)行，它監(jiān)測(cè)ssd中各個(gè)塊的損耗情況，并將數(shù)據(jù)從高磨損塊遷移到低磨損塊。通過(guò)這種操作，使擦除次數(shù)多的存儲(chǔ)塊的擦除次數(shù)增加很緩慢，而擦除次數(shù)少的存儲(chǔ)塊擦除次數(shù)快速增加，從而達(dá)到均衡各個(gè)存儲(chǔ)塊磨損狀況的目的。4、然而，第一種方法中，如果數(shù)據(jù)中存在大量冷數(shù)據(jù)，則可能導(dǎo)致冷數(shù)據(jù)長(zhǎng)期不修改，冷數(shù)據(jù)所在的塊也無(wú)法被回收，使得其它數(shù)據(jù)無(wú)法寫(xiě)入這些擦除次數(shù)較小的塊中，從而使得磨損均衡的效果減弱。而實(shí)際應(yīng)用中，大部分?jǐn)?shù)據(jù)都是冷數(shù)據(jù)，小部分?jǐn)?shù)據(jù)才是熱數(shù)據(jù)。第二種方法中想要達(dá)到一個(gè)較好的磨損均衡效果，需要大量?jī)?nèi)存來(lái)存儲(chǔ)塊的擦除次數(shù)和數(shù)據(jù)在該存儲(chǔ)塊的存儲(chǔ)時(shí)間等信息，在進(jìn)行損耗均衡操作時(shí)根據(jù)這些信息來(lái)決定何時(shí)觸發(fā)磨損均衡操作。且其容易受到數(shù)據(jù)冷熱度的影響，如何判斷數(shù)據(jù)冷熱度也是需要考慮的問(wèn)題。5、因此，根據(jù)lsm-tree分層、有序的特性來(lái)區(qū)分冷熱數(shù)據(jù)，重新設(shè)計(jì)一種磨損均衡算法來(lái)延長(zhǎng)ssd整體壽命。技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路1、本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述問(wèn)題，提供一種基于日志結(jié)構(gòu)合并樹(shù)的固態(tài)硬盤(pán)磨損均衡算法，利用lsm-tree的多層結(jié)構(gòu)和低層級(jí)的高寫(xiě)入頻率與快速訪問(wèn)特性，將熱數(shù)據(jù)優(yōu)先存儲(chǔ)于ssd磨損次數(shù)較少的區(qū)域，而高層級(jí)數(shù)據(jù)則寫(xiě)入ssd中的冷數(shù)據(jù)區(qū)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的冷熱分離與存儲(chǔ)效率的最大化。2、本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：3、一種基于日志結(jié)構(gòu)合并樹(shù)的固態(tài)硬盤(pán)磨損均衡算法，包括以下步驟：4、s1、劃分lsm-tree的層級(jí)，當(dāng)寫(xiě)入數(shù)據(jù)增多達(dá)到閥值時(shí)觸發(fā)合并操作；5、s2、根據(jù)lsm-tree的數(shù)據(jù)分層特性區(qū)分冷熱數(shù)據(jù)，修改對(duì)應(yīng)接口將分層信息傳遞給底層ssd的ftl，并通過(guò)上層傳遞的層級(jí)信息確認(rèn)數(shù)據(jù)的放置區(qū)域；6、s3、采用冷熱塊表存儲(chǔ)每個(gè)閃存塊的擦除次數(shù)c，并預(yù)設(shè)一個(gè)閥值k區(qū)分冷熱塊；7、s4、對(duì)經(jīng)過(guò)讀寫(xiě)操作后的無(wú)法進(jìn)行就地更新的閃存塊，判斷區(qū)分冷熱塊，若c值大于閾值k的即會(huì)被系統(tǒng)判斷為熱塊，否則判斷為冷塊；8、s5、將所有的塊按照磨損次數(shù)組織為一個(gè)雙向鏈表，按照上層傳遞的lsm-tree的層級(jí)信息來(lái)分配不同層級(jí)數(shù)據(jù)存放位置，將擦除次數(shù)最少的空閑塊和擦除次數(shù)最多空閑塊中的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。9、優(yōu)選的，步驟s1中l(wèi)sm-tree層級(jí)包括多個(gè)level，level?0位于內(nèi)存中，level?1及以上的level位于磁盤(pán)上，每個(gè)level存儲(chǔ)著經(jīng)過(guò)排序并合并后的數(shù)據(jù)塊（sstable）。10、優(yōu)選的，步驟s3中固態(tài)硬盤(pán)初始狀態(tài)下，所有塊的擦除次數(shù)c為0，且上層寫(xiě)入的數(shù)據(jù)正常寫(xiě)入閃存。11、優(yōu)選的，步驟s4中經(jīng)過(guò)讀寫(xiě)操作后的無(wú)法進(jìn)行就地更新的閃存塊為需要垃圾回收擦除的閃存塊。12、優(yōu)選的，步驟s4中被垃圾回收擦除后的閃存塊，擦除次數(shù)為ci=ci+1，ci表示閃存塊i的擦除次數(shù)，即閃存塊i被垃圾回收的次數(shù)。13、優(yōu)選的，被垃圾回收擦除后的閃存塊經(jīng)過(guò)閃存塊的寫(xiě)入-擦除操作，其ci值增加，需要重復(fù)s4的步驟進(jìn)行冷塊熱塊區(qū)分。14、優(yōu)選的，步驟s5中l(wèi)evel1-level2層級(jí)的數(shù)據(jù)放入擦除次數(shù)最少的空閑塊中，level3層級(jí)以上的數(shù)據(jù)放入擦除次數(shù)最多空閑塊中。15、優(yōu)選的，觸發(fā)磨損均衡操作的條件為擦除次數(shù)最多的塊和擦除次數(shù)最少的塊的差值。16、優(yōu)選的，其特征在于，進(jìn)行垃圾回收收集塊時(shí)一次回收多個(gè)數(shù)據(jù)塊。17、優(yōu)選的，進(jìn)行垃圾回收收集塊時(shí)，選取盡可能多的數(shù)據(jù)塊。18、本發(fā)明具有如下特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：19、（1）本發(fā)明的策略能夠有效區(qū)分并利用冷熱數(shù)據(jù)分布特性，以延長(zhǎng)ssd的整體使用壽命；20、（2）不同于傳統(tǒng)方法，本發(fā)明利用了lsm-tree的多層結(jié)構(gòu)，利用低層級(jí)的高寫(xiě)入頻率與快速訪問(wèn)特性，將熱數(shù)據(jù)優(yōu)先存儲(chǔ)于ssd磨損次數(shù)較少的區(qū)域，而高層級(jí)數(shù)據(jù)則寫(xiě)入ssd中的冷數(shù)據(jù)區(qū)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的冷熱分離與存儲(chǔ)效率的最大化；21、（3）本發(fā)明所述方法不僅避免了冷數(shù)據(jù)長(zhǎng)期占據(jù)低擦除次數(shù)塊導(dǎo)致的資源浪費(fèi)，還減少了因數(shù)據(jù)冷熱不均造成的磨損不均衡問(wèn)題；22、（4）相較于靜態(tài)磨損均衡對(duì)大量?jī)?nèi)存資源的依賴以及動(dòng)態(tài)磨損均衡在冷數(shù)據(jù)處理上的局限性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)冷熱數(shù)據(jù)的智能管理，無(wú)需額外監(jiān)控每個(gè)塊的擦除次數(shù)或存儲(chǔ)時(shí)間，從而延長(zhǎng)了ssd的壽命。23、下面通過(guò)附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。技術(shù)特征：1.一種基于日志結(jié)構(gòu)合并樹(shù)的固態(tài)硬盤(pán)磨損均衡算法，其特征在于，包括以下步驟：2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟s1中l(wèi)sm-tree層級(jí)包括多個(gè)level，level?0位于內(nèi)存中，level?1及以上的level位于磁盤(pán)上，每個(gè)level存儲(chǔ)著經(jīng)過(guò)排序并合并后的數(shù)據(jù)塊（sstable）。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟s3中固態(tài)硬盤(pán)初始狀態(tài)下，所有塊的擦除次數(shù)c為0，且上層寫(xiě)入的數(shù)據(jù)正常寫(xiě)入閃存。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟s4中經(jīng)過(guò)讀寫(xiě)操作后的無(wú)法進(jìn)行就地更新的閃存塊為需要垃圾回收擦除的閃存塊。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，步驟s4中被垃圾回收擦除后的閃存塊，擦除次數(shù)為ci=ci+1，ci表示閃存塊i的擦除次數(shù)，即閃存塊i被垃圾回收的次數(shù)。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，被垃圾回收擦除后的閃存塊經(jīng)過(guò)閃存塊的寫(xiě)入-擦除操作，其ci值增加，需要重復(fù)s4的步驟進(jìn)行冷塊熱塊區(qū)分。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟s5中l(wèi)evel1-level2層級(jí)的數(shù)據(jù)放入擦除次數(shù)最少的空閑塊中，level3層級(jí)以上的數(shù)據(jù)放入擦除次數(shù)最多空閑塊中。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，觸發(fā)磨損均衡操作的條件為擦除次數(shù)最多的塊和擦除次數(shù)最少的塊的差值。9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，進(jìn)行垃圾回收收集塊時(shí)一次回收多個(gè)數(shù)據(jù)塊。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，進(jìn)行垃圾回收收集塊時(shí)，選取盡可能多的數(shù)據(jù)塊。技術(shù)總結(jié)本發(fā)明涉及磨損均衡
技術(shù)領(lǐng)域：
：，具體公開(kāi)了一種基于日志結(jié)構(gòu)合并樹(shù)的固態(tài)硬盤(pán)磨損均衡算法。包括以下步驟：S1、劃分LSM?Tree的層級(jí)，當(dāng)寫(xiě)入數(shù)據(jù)增多達(dá)到閥值時(shí)觸發(fā)合并操作；S2、根據(jù)LSM?Tree的數(shù)據(jù)分層特性區(qū)分冷熱數(shù)據(jù)，修改對(duì)應(yīng)接口將分層信息傳遞給底層SSD的FTL，并通過(guò)上層傳遞的層級(jí)信息確認(rèn)數(shù)據(jù)的放置區(qū)域；S3、采用冷熱塊表存儲(chǔ)每個(gè)閃存塊的擦除次數(shù)，并預(yù)設(shè)一個(gè)閥值；S4、對(duì)經(jīng)過(guò)讀寫(xiě)操作后的無(wú)法進(jìn)行就地更新的閃存塊，判斷區(qū)分冷熱塊；S5、將所有的塊按照磨損次數(shù)組織為一個(gè)雙向鏈表，按照上層傳遞的LSM?Tree的層級(jí)信息來(lái)分配不同層級(jí)數(shù)據(jù)存放位置，并進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。所述方法避免了冷數(shù)據(jù)長(zhǎng)期占據(jù)低擦除次數(shù)塊導(dǎo)致的資源浪費(fèi)，減少了存儲(chǔ)塊的磨損不均衡問(wèn)題。技術(shù)研發(fā)人員：杜亞娟,殷正浩受保護(hù)的技術(shù)使用者：武漢理工大學(xué)深圳研究院技術(shù)研發(fā)日：技術(shù)公布日：2025/1/9