杨洪章 杨雅辉,† 孙广宇

基于用户态文件系统的共享访问与性能提升研究

杨洪章1杨雅辉1,†孙广宇2

1.北京大学软件与微电子学院, 北京 102600; 2.北京大学信息科学技术学院, 北京 100871;†通信作者, Email: yhyang@ss.pku.edu.cn

研究并实现面向 NVMe SSD 的用户态高性能共享式文件系统(UHSFS), 并提出简单弹性的数据布局技术、多粒度 IO 队列弹性分离技术以及多用户共享内存架构, 这些关键技术能够显著地提升元数据的操作性能和 IO 处理能力, 并且实现用户态文件系统的共享访问。实验结果表明, 与 UNFS, NVFUSE, BLOBFS 和BLUEFS 等用户态文件系统相比, UHSFS 的元数据操作性能和 Filebench 综合负载性能最优; IO 队列分离技术能够大幅度地提升吞吐量; 与 F2FS, XFS, Ext4 等内核态文件系统相比, UHSFS同样表现出性能优势。

用户态; 文件系统; NVMe协议; 固态硬盘

近年来, 机械硬盘正逐步被基于闪存(flash)介质的固态硬盘(solid state disk, SSD)取代。与此同时, 主机和外部设备之间的协议从 AHCI (advanced host controller interface)协议演变为 NVMe (non-volatile memory express)协议。与为机械硬盘设计的 AHCI 协议不同, NVMe 是专为固态硬盘构建的接口协议, 不仅可以发挥固态硬盘在快速读写方面的优势, 还可以充分利用多核 CPU 和大容量内存。NVMe 使用简化的命令集, 有效地解析和操作数据, 明确了读写操作的原子性支持, 每个 IO 队列最多可以管理 6.4 万条命令, 单个 NVMe 设备最多可以支持 6.4 万个 IO 队列[1]。

正是由于 SSD 与 NVMe 高效的配合, 存储器的硬件时延显著降低, 导致存储软件的时延成为存储系统整体时延的主要部分[2]。传统的内核态文件系统过于厚重, 内核存储栈存在大量的拷贝、上下文切换以及中断等软件开销, 导致读写延迟较大, 无法充分发挥 NVMe SSD 的硬件性能。……