云計算背景下塊級別網絡磁盤緩存技術分析

賴建中

摘 要：現如今，網絡技術突飛猛進，云計算背景下塊級別網絡磁盤緩存功能不斷上升，其負載功能也日益增強，這直接影響到I/O具體功能的使用。因此需要優化M N —cache多節點的塊級別網絡磁 盤緩存系統，本文詳細探討了MN-cache 緩存系統的設計和功能機構。

關鍵詞：云計算;網絡磁盤;緩存技術

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.20.162

0 引言

隨著云計算系統的不斷發展，出現了各種類別的云存儲子系統，便能發現虛擬機持久化的級別存儲服務。為了方便采集和管理各項存儲數據，增強數據的存儲能力，降低其管理存儲負擔，可以合理使用Cinder、EBS等軟件。就云計算系統而言，虛擬機不斷增長，云存儲服務功能也不斷強化。受網絡寬帶和子系統自身性能的影響，存儲系統I/O性能不斷下降，直接影響到虛擬機的實際運行。

為了解決網絡存儲系統的穩定性，在計算云計算節點過程中，其緩存設備便是本地磁盤，從而不斷提高云存儲系統的整體功能，從而實現虛擬機的高效穩定運行。本地客戶端磁盤緩存系統 包括這些xC achefs、CAPFS、IBMAFS、SUNNF內容。

1 MN-cache 緩存系統的設計與實現

本文重點解讀了云計算系統中 MN —cache 緩存系統的組織結構，并具體描述了該系統的運行細節，合理運用這些數據實現各種通信，詳細介紹MN —cache 緩存系統的兩種寫入方法，以便達成寫回策略和直達策略。

1.1 規劃系統架構

當前云計算系統喜歡共享網絡存儲卷，經常運用虛擬機實例。它們屬于不同的數據中心，其網絡存儲卷I/O性能有待提高，因此需要優化多節點塊級別網絡緩存系統。從而共享局域網內的緩存數據，提高網絡存儲性能。在Linux D e—vice M apper的基礎上，不按優化M N —cache緩存系統，它包含緩存客戶端和元數據服務器這兩部分。緩存客戶端主要是具體實際的緩存功能，主要是運用各種磁盤，利用原數據服務器實現緩存功能。元數據服務器可以為各種緩存客戶端提供各種緩存情況，方便檢測各種功能，從而保持與緩存客戶端的一致性，優化各種元數據。

單個元數據服務器端節點和多個緩存客戶端節點共同組成了M N —cache緩存系統，同個局域網內部包含了所有節點。要想將 iSCSI協議連接到局域網內，需要利用源存儲磁盤外油網絡，共享使用各種節點。其他緩存客戶端節也是通過這種模式，依次讀寫各項遠端緩存數據。下圖便是系統的緩存系統結構圖（如圖1所示）。

1.2 設計緩存系統

一般來說，緩存客戶端和元數據服務器共同組成了MN-cache 緩存系統，緩存客戶端主要在內核態下運行，元數據服務器主要在用戶狀態下運行。配置的初始化、同步元數據、查詢緩存命中共同組成了元數據服務器，其主要負責整理各種客戶端的原始數據，定期查詢緩存命中服務。

在配置元數據初始化服務器的過程中，及時記錄了惡緩存塊的多少、具體數量、緩存寫入策略、IP地址、緩存客戶端節點編號這些內容。

同步更新元數據時，儲存各緩存客戶端節點時，及時查詢相關部分元數據，元數據服務器可以及時接收各緩存客戶端的元數據，及時更新服務器的元數據，如圖2。

及時查詢命中緩存，各個緩存客戶端可以使用元數據服務器及時查詢命中緩存。接受到緩存客戶的需求后，返回到查詢結果，保持客戶端原始數據和元數據服務器的步調一致。合理運用 udp 通信協議便能及時查詢緩存命中。

實際緩存操作時，緩存客戶端具體負責緩存功能。緩存客戶端具體操作時應該遵循以下三個方面。首先配置初始化，緩存客戶端的初始化進程中需要根據緩存寫入方法、緩存塊的大小，及時緩存各種參數，再次，同步元數據，內核內存中一般存有各種本地緩存元數據信息。及時查詢緩存命中的部分元數據，及時推進元數據的同步進行。當緩存客戶端緩存的原始數據發生變化后，及時向元數據服務器發送各種數據，同步更新各種信息。緩存客戶端根據元數據服務器的需求，及時修改各種緩存數據。

實現緩存，為了正常運行緩存功能，可以使用L inux D evice M apper 機制及時緩存客戶端。虛擬磁盤設備帶有基本緩存功能，包含了源存儲磁盤、多個遠端緩存磁盤、本地緩存磁盤這幾個方面。

1.3 數據通訊設計

各緩存客戶端和元數據服務器共同構成了MN—cache 緩存系統，同步元數據，查詢緩存命中。同步元數據包括了緩存客戶端和服務器端更新各種數據。查詢本地緩存和遠端緩存共同構成了查詢緩存命中等步驟。具體緩存客戶端時可以及時查詢本地緩存系統，及時查詢緩存客戶端內部的元數據信息。

1.4 緩存寫入策略

具體進行寫入操作時，寫回和寫直達兩種寫入操作共同組成了M N —cache 緩存系統，用戶可以根據自身需求隨時更改寫入策略。具體使用寫直達策略時，遠端源存儲磁盤可以記錄所有塊I/O這種數據，這種數據如果直接被記錄到源存儲磁盤中，緩存磁盤的功能并不能得到正確發揮。寫入策略需要保證源存儲磁盤和緩存磁盤的一致。一旦緩存客戶端節點出現意外時，需要保證數據的準確。

2 分析MN-cache 緩存系統的具體性能

2.1 讀取操作耗時

這篇文章主要分析了對讀操作的三種不同操作結果。具體來說包? 括以下三個方面：讀命本地緩存磁盤、讀命遠端緩存磁盤、未命中緩存。

針對本地緩存磁盤讀命中的具體實際情況，具體讀取操作時的總時間消耗包含以下兩個方面。其一便是緩存客戶端處理I/O需要查詢本地緩存元數據，查詢具體時間消耗時可以參考本地命中搶礦。消耗具體數據的讀取時間時，可以參考本地緩存磁盤。下面便是讀取操作總時間的消耗公式如下：

TRLhit=tLsearch+tLread

2.2 寫入操作耗時

三種不同的結果共同組成了寫直達策略，本文重點分析了這三種情況。根據本地緩存磁盤的寫命中情況，詳細闡述操作的總時長消耗。具體來說包括以下三方面。本地緩存客戶端消耗的具體時間，寫入源存儲磁盤所花費的時間，更新元數據到元數據服務器具體消耗的時間。總的來說，寫操作的總時間消耗公式如下：

TwLhit=tLsearch+tSwrite-tMupdate

3 評估MN-cache 緩存系統的實驗數據

本文詳細分析了讀操作測試、寫直達操作測試、寫回操作測試，并進行了各種實驗。就寫回操作測試而言，可以具體測試無緩存和緩存這兩種情，具體測試遠端重讀、本地重讀、寫等各種測試。分析各種數據后發現，運用MN-cache緩存系統能提高源存儲磁盤的整體性能，其性能也會下降68%，本地重寫情況下其性能可以優化9倍，遠端重寫情況下性能可以降低33%。

4 結語

M N —cache主要適用于多節點的塊級別網絡緩存系統，可以大量運用在云計算緩存系統中。本文詳細討論了該系統讀取操作、寫入操作的耗時時間，不斷優化云存儲系統性能。針對緩存過程的具體耗時情況，改進緩存客戶端和元數據的工作效率，促進該系統的良性運行。

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