[发明专利]用于平衡分段清除与I/O工作负载的速率匹配技术

说明书

技术领域

本公开涉及存储系统，并且更具体地涉及存储系统中的高效分段清除。

背景技术

存储系统通常包括可以根据需要向其录入信息以及从其获得信息的一个或多个存储设备，诸如体现为存储阵列的快闪存储设备的固态驱动器(SSD)。存储系统可以实现高层级模块(诸如文件系统)以在逻辑上将存储在阵列的存储设备上的信息组织为存储容器，诸如文件或逻辑单元(LUN)。存储系统群集可以被配置为根据信息递送的客户端/服务器模型进行操作，由此允许一个或多个客户端(主机)例如经由I/O请求来访问存储容器。每个存储容器可以被实现为一组数据结构，诸如为存储容器存储数据的数据块以及描述存储容器中的数据的元数据块。例如，元数据可以描述(例如，标识)数据在设备上的存储位置。

某些类型的SSD(尤其是具有NAND快闪部件的那些SSD)可以包括或者可以不包括内部控制器(即，对于SSD的用户不可访问)，该内部控制器在以页面粒度(例如，8Kbyte)的那些部件之间将有效数据从旧的位置移动到新的位置，继而仅移动到先前擦除的页面。此后，页面被存储的旧的位置被释放并且可用于存储附加数据(例如，经由I/O请求接收)。将有效数据从旧的位置移动到新的位置(即，垃圾收集)有助于系统中的写入放大。虽然需要提供存储阵列(即，存储空间)的SSD上的可用位置以写入附加数据，但是这种垃圾收集应当被执行以便保持主机角度的平滑延迟(即，保持I/O请求的有界延迟)。因此，期望在有界延迟内在存储系统继续服务数据(即，处理I/O请求)，同时确保有足够的存储空间和带宽用于垃圾收集并且向存储阵列的空闲位置写入数据。

发明内容

本文所述各实施例涉及速率匹配技术，该速率匹配技术被配置为调节存储阵列的一个或多个选定部分或分段的清除速率，以适应由在群集的一个或多个节点上执行的存储输入/输出(I/O)栈处理的传入工作负载的可变速率。传入工作负载可以表现为针对用户数据(例如，来自耦合至群集的主机)和相关联元数据(例如，来自存储I/O栈的卷层和盘区存储层)的I/O操作(例如，读取操作和写入操作)。盘区存储层在存储阵列的固态驱动(SSD)上提供用户数据和元数据的顺序存储。用户数据(和元数据)可以被组织为由节点服务的一个或多个主机可见逻辑单元(LUN)的任意数目的长度可变盘区。元数据可以包括从LUN的主机可见逻辑块地址范围(即，偏移范围)到盘区键值的映射，以及盘区键值到盘区在SSD上存储的位置的映射。盘区存储层可以按照分段清除(即，垃圾收集)清除分段，该分段清除示例性地可以被体现为分段清除过程。该分段清除过程可以从待清除的一个或多个分段读取所有有效盘区，并且将那些有效盘区(例如，未被删除或复写的盘区)写到可被写入的一个或多个其他分段，由此释放(即，“清除”)正被清除的分段的存储空间。

在一个实施例中，速率匹配技术可以被实现为反馈控制机制(例如，反馈控制回路)，该反馈控制机制被配置为基于传入读取和写入工作负载来调节分段清除过程。反馈控制机制的部件可以包括一个或多个加权调度器和各种计数数据结构(例如，计数器)，该计数器被配置为跟踪(确定)分段清除和空闲空间使用的进度(例如，速率)。该计数器还可以被用于平衡分段清除和传入I/O工作负载的速率，该传入I/O工作负载可以取决于传入I/O速率和传入I/O工作负载中复写的模式(减少清除)而改变。当传入I/O速率改变时，分段清除的速率可以被对应地调节以确保速率(即，传入I/O速率和分段清除速率)实质上相同(即，平衡)。通过此方式，分段清除仅在需要(即，为传入I/O释放空间)时被执行并且减少写入放大。

存储I/O栈中的I/O操作(例如，读取操作和写入操作)可以按照用户、元数据和重定位(分段清除器)I/O操作进行分类。读取操作按照SSD提供服务并且从盘区存储层的读取进程被直接分发到存储I/O栈的RAID层。写入操作在盘区存储层的写入进程被累加，其中在被分发到RAID层之前，相关联的盘区可以被包装以形成全条带。加权调度器可以在盘区存储层被采用以在RAID层调整读取操作和全条带写入操作。示例性地，写入加权调度器在写入进程为分段的所有SSD提供，而读取加权调度器在读取进程为分段的每个SSD提供，以便控制I/O操作的各种分类之间的带宽分布。