Các nhà nghiên cứu của MIT và Đại học Tufts đã phát triển một sơ đồ quản lý tăng cường hiệu suất cho các SSD được gộp chung, giúp giảm thiểu sự suy giảm hiệu suất do các thao tác xóa và ghi khối cũng như thu gom rác.
Được đặt tên là Sandook, sơ đồ này tách biệt các đặc điểm giới hạn hiệu suất ngắn hạn và dài hạn của SSD bằng cách sử dụng cấu trúc điều khiển hai lớp được cung cấp dữ liệu từ phần mềm đại lý chạy trên các máy chủ lưu trữ.
Hiệu suất SSD có thể dao động đáng kể tùy thuộc vào sự kết hợp của các yêu cầu đọc và ghi. Vì các thao tác ghi yêu cầu chu kỳ xóa và ghi lại ở cấp độ khối, chúng chậm hơn nhiều so với các thao tác đọc, và lưu lượng ghi nặng có thể làm giảm hiệu suất đọc tổng thể. Hiệu suất cũng có thể khác nhau giữa các thiết lập SDS từ các nhà cung cấp khác nhau, và thậm chí giữa các SSD từ cùng một nhà sản xuất và lô. Khi bộ điều khiển SSD thu hồi các ô đã xóa trong một khối, nó phải sao chép dữ liệu hợp lệ ra ngoài, xóa khối và trả lại cho nhóm trống — một quy trình được gọi là thu gom rác. Hoạt động này thường được quản lý độc lập bởi mỗi bộ điều khiển SSD và có thể dẫn đến sự sụt giảm hiệu suất đột ngột, đáng kể.
Các nhà nghiên cứu hình dung một cụm tính toán bao gồm các nút tính toán và máy chủ lưu trữ. Một bộ điều khiển trung tâm hoạt động trong cụm tính toán, cùng với phần mềm máy khách trên các máy chủ tính toán và phần mềm đại lý trên các máy chủ lưu trữ. Các máy chủ lưu trữ sử dụng các SSD tiêu chuẩn, có sẵn trên thị trường, mỗi SSD được trang bị bộ điều khiển gốc của riêng nó.
Bộ điều khiển Sandook duy trì một danh sách đăng ký của tất cả các SSD, đã lập hồ sơ từng SSD để thiết lập các đường cơ sở hiệu suất như khả năng IOPS. Nó gán các chế độ đọc hoặc ghi cho các ổ đĩa riêng lẻ và nhận các cập nhật hiệu suất thời gian thực mỗi 200 mili giây từ các đại lý Sandook trên các máy chủ lưu trữ. Sử dụng dữ liệu này, nó tính toán trọng số đọc và ghi được điều chỉnh theo nhu cầu I/O toàn cầu của cụm và chia sẻ các quyết định lập lịch này với phần mềm máy khách Sandook trên các máy chủ tính toán.
Đối với các thao tác đọc, Sandook tận dụng tính năng nhân bản khối hiện có — đã được sử dụng để chịu lỗi — để định tuyến linh hoạt các yêu cầu đọc trên các bản sao trên các SSD khác nhau. Đối với các thao tác ghi, nó sử dụng thiết kế có cấu trúc nhật ký cho phép các thao tác ghi được hướng đến bất kỳ SSD nào bất kể vị trí khối logic. Mức độ linh hoạt cao này đảm bảo các chính sách lập lịch có thể được áp dụng mà không có hạn chế.
Phần mềm máy khách Sandook cung cấp một giao diện thiết bị khối tiêu chuẩn cho các ứng dụng, định tuyến các yêu cầu I/O một cách minh bạch đến các SSD phù hợp nhất dựa trên các quy tắc lập lịch của bộ điều khiển. Nó cũng nhận trạng thái SSD thời gian thực từ các đại lý phía máy chủ và có thể giảm ưu tiên một SSD trong quá trình thu gom rác. Sau đó, các yêu cầu đọc và ghi được chuyển hướng đến các ổ đĩa khác, ngăn chặn độ trễ đuôi quá mức trong hệ thống lưu trữ tổng thể.
Các đại lý Sandook (1) xử lý các lệnh đọc và ghi từ máy khách và chuyển tiếp chúng đến các SSD đích; (2) cung cấp giám sát độc lập với phần cứng, bao gồm lập hồ sơ định kỳ và tín hiệu trạng thái thời gian thực, để hỗ trợ lập lịch của bộ điều khiển; và (3) chuyển tiếp các tín hiệu tắc nghẽn SSD đến máy khách để các sự kiện ngắn hạn như thu gom rác có thể được xử lý cục bộ và ngay lập tức bằng cách chuyển I/O sang các SSD khác trong máy chủ.
Chi phí bộ nhớ và CPU để giám sát hàng chục SSD trên mỗi máy chủ lưu trữ là tối thiểu.
Các nhà nghiên cứu đã đánh giá Sandook dưới bốn khối lượng công việc:
- LeanStore: một công cụ lưu trữ OLTP hiệu suất cao được tối ưu hóa cho CPU đa lõi và SSD NVMe.
- Học máy: đào tạo mô hình Unet3D CNN với PyTorch trên tập dữ liệu 180GB.
- LZ4: nén ảnh trên tập dữ liệu ImageNet ILSVRC2015.
- Máy chủ lưu trữ: một máy chủ lưu trữ khối mã nguồn mở hiệu suất cao phục vụ các ứng dụng nhạy cảm với độ trễ.
Nhìn chung, Sandook cải thiện thông lượng I/O thô lên 30–82% so với các hệ thống hiện có chỉ giải quyết một nguồn biến động hiệu suất, đồng thời duy trì độ trễ đuôi dưới mili giây. Đối với các ứng dụng không sửa đổi chia sẻ một nhóm SSD, hiệu suất đầu cuối cải thiện 12–94%.
Cụ thể, so với các hệ thống trước đây, nó mang lại thông lượng lưu trữ cao hơn 1,7 lần, thông lượng ứng dụng cao hơn 1,12–1,94 lần, độ trễ thấp hơn 71–88%, và hiệu suất sử dụng GPU cao hơn 23% — mà không cần phần cứng tùy chỉnh hoặc thay đổi ứng dụng.
Bài báo Sandook, có tiêu đề “Giải phóng tiềm năng của SSD trung tâm dữ liệu bằng cách kiểm soát sự biến động hiệu suất”, có sẵn dưới dạng tệp PDF có thể tải xuống. Công trình sẽ được trình bày tại Hội nghị chuyên đề USENIX về Thiết kế và Triển khai Hệ thống Mạng (NSDI 2026) tại Renton, Washington, từ ngày 4 đến ngày 6 tháng 5.
Công ty TNHH Công nghệ Bắc Kinh Tiền Hành Kết Thông
Sandy Yang/Giám đốc Chiến lược Toàn cầu
WhatsApp / WeChat: +86 13426366826
Email: yangyd@qianxingdata.com
Website: www.qianxingdata.com/www.storagesserver.com
Trọng tâm Kinh doanh:
Phân phối Sản phẩm ICT/Tích hợp Hệ thống & Dịch vụ/Giải pháp Cơ sở hạ tầng
Với hơn 20 năm kinh nghiệm phân phối CNTT, chúng tôi hợp tác với các thương hiệu hàng đầu toàn cầu để cung cấp các sản phẩm đáng tin cậy và dịch vụ chuyên nghiệp.
“Sử dụng Công nghệ để Xây dựng Thế giới Thông minh”Nhà cung cấp Dịch vụ Sản phẩm ICT Đáng tin cậy của Bạn!
Vietnamese
