基于写数据页聚簇的固态硬盘缓冲算法

针对Flash写前需擦除,读写I／O开销不均衡等固有缺陷,研究面向闪存缓冲区管理,对提高基于Flash的固态硬盘（SolidState Disk,SSD）访问性能具有重要理论意义和应用价值．通过分析SSD关键技术及现有缓冲区管理算法,实现了一种适用于SSD的基于写数据页聚簇缓冲算法．文章中详细介绍了该算法关键技术及原理,并通过FlashSim仿真平台实现SSD写缓冲．基于仿真结果与传统缓冲算法性能比对,分析得出该缓冲算法可降低SSD随机写次数和SSD数据存储分散性,并提升SSD响应速度．     

基于改进SSD算法的学生课堂行为状态识别

为加强智慧教室中教学视频信息的有效运用,针对现有SSD算法的不足,提出改进SSD算法进行学生课堂行为状态识别的方法.结合K-means聚类算法对数据集进行聚类分析,在SSD网络预测层重新设置预测框比例及分布,增大训练时预测框和真实框的匹配度;引入目标检测焦点损失函数,保证正负样本及难易分类样本的平衡.在自制的听讲、睡觉、举手、回答及写字5种学生行为状态数据集上进行训练和测试,实验结果表明,改进的SSD算法对5种学生行为状态识别的平均精度均值达到95.4％,比原SSD算法提高了10.2％,同时适用于实时检测.     

基于改进型SSD的视频烟火检测算法

针对现有烟火检测算法对小尺寸烟火目标检测效果差,容易产生漏检和误检的问题,提出一种基于改进型SSD的视频烟火检测算法.利用DenseNet网络作为SSD的基础网络,提高其对小目标的检测能力.为了改进SSD中的正负样本不平衡的问题,在损失函数中引入Focal loss函数,通过提高难分样本在损失函数中的权重,提高算法的鲁棒性.在仿真实验中,通过构建烟火数据集对改进的SSD模型进行训练.实验结果表明,相比现阶段主流的几种目标检测算法,该算法在兼顾检测速度的同时提高了对小尺寸烟火目标的检测效果.     

FEP:一个软硬件集成的闪存数据管理实验平台

闪存以及基于闪存的固态硬盘(SSD)近年来得到了快速发展,从而也带动了闪存相关的算法研究.这些算法不仅包括DBMS层面的算法,也包括SSD内部的控制算法.但是,这些算法的性能验证是目前研究中的一个难点问题,尤其是SSD内部的算法很难在现有的平台上进行实验对比.针对这一问题,提出了一个软硬件集成的闪存数据管理实验平台(flash experimental platform,FEP).该平台不仅可以为DBMS层面各类算法提供一个实验环境,也能够为SSD内部算法的验证提供有效的支持.FEP平台的硬件部分由一个自行设计的闪存存储板构成,软件部分实现了闪存驱动和闪存转换层(FTL)算法,并提供了灵活易用的二次开发接口.以4种闪存缓冲区置换算法为例,在FEP平台上进行了实现和实验验证,结果表明,FEP平台可以有效地支持闪存相关算法的实验和结果数据分析.     

全程优化的固态硬盘垃圾回收方法

由于NAND闪存的固有限制,写前擦除和擦除粒度较大,基于NAND Flash的固态硬盘（SSD）需要执行垃圾回收以重用失效页。然而垃圾回收带来的高开销会显著降低SSD的性能,也会直接影响SSD的寿命。特别是对于频繁使用的有数据碎片的SSD,垃圾回收带来的性能下降问题将更为严重,现有的垃圾回收（GC）算法各自侧重垃圾回收操作的某个步骤,并没有给出全面考虑各步骤对整体影响的综合方案。针对该问题,在详细剖析垃圾回收过程的基础上,提出了一种全程优化的垃圾回收方法WPO-GC,在数据初始放置、垃圾回收目标块的选择、有效数据的迁移、触发回收的时间点以及中断处理方式上,尽可能全面地考虑各步骤对SSD正常读写请求和寿命的影响。通过开源模拟器SSDsim上的WPO-GC的有效性验证表明,同典型GC算法相比,WPO-GC可以减少SSD读请求延迟20%~40%和写请求延迟17%~40%,均衡磨损近30%。     

基于片内SRAM的固态硬盘转换层设计

SSD逐渐成为了存储业界研究的热点.提出基于片内SRAM的flash转换层设计--SBAST,通过SRAM缓存更新的页提高了SSD随机写的效率,并减少了不必要的擦除操作.通过SSDsim的仿真实验,论证了该设计的有效性,给出了后续的计划.     

基于深度SSD改进模型的传动设备状态在线监测研究

针对现有传动设备在线监测算法存在的检测精度地、效率差等问题,提出一种基于改进SSD网络模型的在线检测算法。先对故障集进行预处理,通过滤波调制、共振解调等环节滤除原始故障集的噪声干扰;以VGG-16为基础设计了SSD网络结构,同时增加了辅助卷积层和预测层;对SSD网络模型进行改进,引入了注意力机制模块和特征增强模块,改善模型各层的数据共享性能同时提高了模型的数据训练效率;基于通道拼合方式对故障数据进行多尺度特征融合,并优化SSD模型的各层金字塔结构,以更好的匹配先验框及选择最佳的损失函数。实验结果显示,提出算法的传动设备故障检测率达到98.8%,同时算法的检测效率也优于现有算法。     

一种闪存敏感的多级缓存管理方法

基于闪存的固态硬盘(solid state driver,简称SSD)已经广泛应用于各种移动设备、PC机和服务器.与磁盘相比,尽管SSD具有数据存取速度高、抗震、低功耗等优良特性,但SSD自身也存在读写不对称、价格昂贵等不利因素,这使得SSD 短期内不会完全取代磁盘.将SSD和磁盘组合构建混合系统,可以发挥不同的硬件特性,提升系统性能.基于 MLC 型 SSD 和 SLC 型 SSD 之间的特性差异,提出了一种闪存敏感的多级缓存管理策略——FAMC.FAMC将SSD用在内存和磁盘之间作扩展缓存,针对数据库系统、文件管理中数据访问的特点,有选择地将内存牺牲页缓存到不同类型的SSD.FAMC同时考虑写请求模式和负载类型对系统性能的影响,设计实现对SSD友好的数据管理策略.此外,FAMC基于不同的数据置换代价提出了适用于SSD的缓冲区管理算法.基于多级缓存存储系统对FAMC的性能进行了评测,实验结果表明,FAMC可以大幅度降低系统响应时间,减少磁盘I/O.     

基于改进SSD的道路交通标志检测

针对复杂环境下交通标志检测精度低的问题,设计了一种检测精度更高的目标检测算法,对SSD深度学习目标检测算法进行了优化改进;将深度特征表征能力较强的Resnet50网络模型融入于SSD算法中;采用K-means++聚类算法确定SSD中先验框的尺寸,提高交通标志的检测率;分别利用SSD模型和改进的SSD模型做检测对比实验,结果表明,改进算法对各类型交通标志的检测精度比原SSD算法更高;改进的SSD方法对交通标志进行检测能取得较好效果,弥补了原算法的不足.     

ZB+-tree：一种ZNS SSD感知的新型索引结构

ZNS SSD是近年来提出的一种新型固态硬盘(solid state drive,SSD)，它以分区(Zone)的方式管理和存取SSD内的数据.相比于传统SSD,ZNS SSD可以有效提升SSD的读写吞吐，降低写放大，减少SSD的预留空间.但是，ZNS SSD要求Zone内必须采用顺序写模式，并且Zone上的空间分配、垃圾回收等任务都需要用户自行控制.ZNS SSD的这些特性对于传统数据库系统的存储管理、索引、缓存等技术均提出了新的挑战.针对如何使传统的B⁺-tree索引结构适配ZNS SSD的问题，提出了一种ZNS SSD感知的新型索引结构——ZB⁺-tree (ZNS-aware B⁺-tree).ZB⁺-tree是目前已知的首个ZNS SSD感知的索引，它以B⁺-tree为基础，利用ZNS SSD内部支持少量随机写的常规Zone(conventional zone,Cov-Zone)和只支持顺序写的顺序Zone(sequential zone,Seq-Zone)，通过常规...     

相变存储器写寿命延长关键技术研究进展

随着大数据分析应用时效性提升和“存储墙”问题日益突出,存储系统已成为当前计算机系统整体性能的瓶颈。以相变存储器（PCM）为代表的新型非易失性存储器（NVM）具有集成度高、功耗低、读写访问速度高、非易失、体积小和抗震等优良特性,已成为最具潜力的下一代存储设备。然而,写寿命有限是PCM实用化的一道障碍,如何通过减少写操作和磨损均衡以提升PCM使用寿命是当前的研究热点。 从减少PCM写操作、均匀写操作分布以及在混合内存中的页面迁移等三个方面介绍了当前PCM写寿命延长技术的研究现状以及优缺点,最后探讨未来进一步改进PCM寿命可能的研究方向。     

支持高并发访问的新型NVM存储系统

I/O系统软件栈是影响NVM存储系统性能的重要因素。针对NVM存储系统的读写速度不均衡、写寿命有限等问题，设计了同异步融合的访问请求管理策略；在使用异步策略管理数据量较大的写操作的同时，仍然使用同步策略管理读请求和少量数据的写请求。针对多核处理器环境下不同计算核心访问存储系统时地址转换开销大的问题，设计了面向多核处理器地址转换缓存策略，减少地址转换的时间开销。最后实现了支持高并发访问NVM存储系统（CNVMS）的原型，并使用通用测试工具进行了随机读写、顺序读写、混合读写和实际应用负载的测试。实验结果表明，与PMBD相比，所提策略能提高1%~22%的读写速度和9%~15%的IOPS，验证了CNVMS策略能有效提高NVM存储系统的I/O性能和访问请求处理速度。     

大型计算机集群数据持续保护研究与设计

随军工集团业务应用在线协同发展,数据存储对持续保护、容灾安全、读写速度要求越来越高。本文针对这些要求,设计一套大数据持续保护系统,简单增加一套存储硬件,部署相关软件,不改变现有存储方案硬件结构,在块级层面实现对数据定时备份、持续数据保护、查询统计,提高数据存储安全性、容灾性能和读写速度。     

Write-only oblivious RAM-based privacy-preserved access of outsourced data

Data outsourcing is plagued with several security and privacy concerns. Oblivious RAM (ORAM) can be used to address one of the many concerns, specifically to protect the privacy of data access pattern from outsourced cloud storage. This is achieved by simulating each original read or write operation with some read and write operations on both real and dummy data items. This paper proposes two single-server write-only ORAM schemes and one multi-server scheme, which simulate only the write operations and protect only the write pattern. The reduction in functionality however allows to build much simpler and efficient (in terms of communication/storage cost) ORAMs. Our schemes can achieve constant communication cost with acceptable storage usage. Write-only ORAM can be used in two situations: (i) only the write pattern is considered to contain sensitive information and needs protection. (ii) In outsourced data sharing, ORAM cannot be used to protect read pattern anyway due to access control issues, and Private Information Retrieval (PIR) has to be used instead. In this paper, we also study how to augment ORAM to support the use of PIR in the latter situation.     

PheonixLSM：高性能低空间开销的分布式键值存储本地引擎

分布式键值存储将数据复制到多个存储服务器的本地引擎中,并通过一致性协议保证各副本数据的一致性。其中,以日志结构合并树为核心数据结构的实现方式最为常见。然而,面向通用业务模式设计的日志结构合并树,并不适合一致性逻辑的特殊业务模式,会引发增删改性能的降低,并在全量修复过程中造成空间放大。针对上述问题,该文提出了一种新型本地引擎 PheonixLSM,通过增加增删改操作和回刷操作的约束,消除了分布式键值存储增删改流程中的双写问题,提升了引擎性能。通过重构日志结构合并树底层的 SST 文件布局,支持删除实时回收空间,消除了全量修复时的额外空间放大。实验结果显示,与原生本地引擎相比,使用 PheonixLSM 的分布式键值存储系统,增删改性能提升 90.7%,全量修复的空间放大从 65.6% 降至 6.4%,并减少了 72.3% 的修复时间。     

A flash-aware write buffer scheme to enhance the performance of superblock-based NAND flash storage systems

Most superblock-based NAND flash storage systems employ a high-speed write buffer to enhance their writing performance. The main objective is to bind data of adjacent addresses as much as possible in order to transform random data into sequential data, which then facilitates interleaving in the storage system. We have designed a new superblock-based buffer scheme for NAND flash storage systems that improves on traditional schemes. For buffer management, a series of lists need to be specified to monitor the dataflow changes in the current state of the buffered data and the NAND flash memory in order to maximize interleaving during the flush operation. Experimental results show that the proposed scheme achieves higher write speed performance in almost all configurations, with greater than 50% speedup in some cases. Our proposed flash-aware write buffer (FAWB) scheme achieves this higher write performance with a required buffer space of only 1/4th–1/8th that of other schemes, resulting in higher efficiency.     

基于非易失性存储器的存储引擎性能优化

非易失性存储器具有接近内存的读写速度,可利用其替换传统的存储设备,从而提升存储引擎的性能。但是,传统的存储引擎通常使用通用块接口读写数据,导致了较长的 I/O 软件栈,增加了软件层的读写延迟,进而限制了非易失性存储器的性能优势。针对这一问题,该文以 Ceph 大数据存储系统为基础,研究设计了基于非易失性存储器的新型存储引擎 NVMStore,通过内存映射的方式访问存储设备,根据非易失性存储器的字节可寻址和数据持久化特性,优化数据读写流程,从而减小数据写放大以及软件栈的开销。实验结果表明,与使用非易失性存储器的传统存储引擎相比,NVMStore能够显著提升 Ceph 的小块数据读写性能。     

一种OSD文件系统的设计

OSD文件系统主要承担通用文件系统中存储管理部分的功能,其与通用文件系统存在很大的差异,针对OSD的特征,设计了一种适用于小对象的OsD文件系统,其中提出了“盘区记录表”这种对象ID到对象数据的映射方式和一种新的空间分配策略,同时结合空间分配方式的特点提出了一种主动对象数据调整策略.实验表明,该文件系统在管理小型对象时能有效提高读写性能.     

基于EVMS的带外虚拟存储系统结构

分析当前网络存储系统存在的问题,给出一种基于企业卷管理系统技术的带外虚拟网络存储系统基本结构。分别阐述该存储系统的客户端、内部数据的读/写操作、存储系统在线存储容量扩展、负载均衡和元数据异步更新等算法的设计思想与实现方法。