孫花

摘 要：磁盤陣列的Cache算法是一種較為實(shí)用的提高磁盤工作效率的算法，而其設(shè)計的差異往往會影響其效果，因此利用仿真測評的系統(tǒng)完成對其測定并獲得改進(jìn)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：磁盤陣列；Cache算法；測試系統(tǒng)組成；測試流程

一、磁盤陣列的基本概念簡述

1、磁盤陣列

所謂的磁盤陣列就是RAID技術(shù)嗎，此種技術(shù)是在多個磁盤機(jī)或者光盤機(jī)上按照一定的規(guī)律對信息進(jìn)行分散的方法。其使用磁盤條、磁盤鏡像、帶有奇偶校驗(yàn)的磁盤條之類的技術(shù)進(jìn)行組合，形成一個大容量而快速的外接存儲系統(tǒng)，以此實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的冗余性能，降低所需要的潛伏時間增加磁盤的讀寫性能，從而提高硬盤崩潰后的數(shù)據(jù)恢復(fù)能力。整個系統(tǒng)在陣列控制器的管理和監(jiān)控下實(shí)現(xiàn)快速而復(fù)雜的存儲過程，并具備較強(qiáng)的容錯能力。從用戶的角度看，磁盤陣列組成的磁盤就是一個硬盤結(jié)構(gòu)，用戶的操作可以與硬盤一樣進(jìn)行分區(qū)格式化等，二者的區(qū)別在磁盤陣列的存儲速度要快于硬盤，同時可以提供自動化的數(shù)據(jù)備份，因此得到了多媒體技術(shù)廣泛應(yīng)用。

2、形成動力

磁盤陣列技術(shù)的產(chǎn)生是隨著中央處理器的處理速度增加而引發(fā)的，在CUP和內(nèi)存處理速度的增加，用于數(shù)據(jù)存儲的硬盤相對速度卻明顯滯后，從而造成了整個計算機(jī)系統(tǒng)速度運(yùn)行不相匹配的情況，造成了技術(shù)發(fā)展的瓶頸，降低了整個系統(tǒng)的性能，因此提高磁盤的存儲效率就成為了計算機(jī)發(fā)展的新課題。所以利用有限的磁盤資源提高其存儲速度同時防止出現(xiàn)故障而丟失數(shù)據(jù)就成了計算機(jī)研究的方向，此時磁盤陣列技術(shù)的出現(xiàn)就解決了提高存儲速度的問題，從而利用有限的磁盤空間獲得較高的處理速度，進(jìn)而平衡了計算機(jī)的整體性能。

3、磁盤陣列的硬件和軟件技術(shù)

從磁盤陣列技術(shù)的應(yīng)用中可以劃分為硬件磁盤陣列和軟件磁盤陣列兩種。硬件磁盤陣列主要是基于硬件設(shè)備，系統(tǒng)獨(dú)立于主機(jī)之外從而利用獨(dú)立的管理模式對磁盤進(jìn)行管理，內(nèi)置的CPU與主機(jī)進(jìn)行同步動作，所有的I/O都在陣列中完成，以此降低了主機(jī)的負(fù)擔(dān)，增加了系統(tǒng)的整體性能。利用總線控制與專屬通道完成對數(shù)據(jù)處理的加速，在主機(jī)中只用一個磁盤代表一組陣列；軟件磁盤陣列實(shí)質(zhì)是一個程序，在內(nèi)核磁盤編碼中實(shí)現(xiàn)不同的磁盤陣列技術(shù)，因此其不需要外接獨(dú)立的設(shè)備可以降低系統(tǒng)構(gòu)建的成本，是一種經(jīng)濟(jì)型解系統(tǒng)速度的方法。其缺點(diǎn)也十分明顯，就是相對的增加了主機(jī)的負(fù)擔(dān)，對于輸入輸出量較大的系統(tǒng)而言容易形成死機(jī)。

二、磁盤陣列的Cache算法的精確測評系統(tǒng)

在磁盤陣列技術(shù)中采用Cache的技術(shù)可以顯著降低對磁盤的訪問次數(shù)，提高其單次讀寫的性能，可以提高磁盤的使用壽命。設(shè)計優(yōu)秀的Cache算法對于系統(tǒng)的計算速度是十分有幫助的，因此如何評價其效果就成為了一個磁盤陣列的重要課題，也是在實(shí)際中需要解決的問題。

1、評價方法

在相關(guān)問題中，磁盤陣列的計算方法幾乎是決定整系統(tǒng)成敗的基本因素，尤其是針對硬件磁盤陣列而言，Cache的算法也就可以決定系統(tǒng)的性能，因此評價算法的目的是：確定算法在指定應(yīng)用中的效果；為計算方法的選擇和改進(jìn)提供依據(jù)；為算法的優(yōu)化提供必要的數(shù)據(jù)支持。此外，對Cache算法進(jìn)行評價的主要措施有以下幾種：數(shù)學(xué)法，即利用數(shù)學(xué)建模完成；實(shí)測法在產(chǎn)品上進(jìn)行測算；仿真法，建立仿真環(huán)境進(jìn)行測試。數(shù)學(xué)法實(shí)現(xiàn)起來并不容易，其最大的難點(diǎn)就是精確性沒有確實(shí)的標(biāo)準(zhǔn)；而實(shí)測法的成本較高。因此采用仿真試驗(yàn)進(jìn)行測定是比較實(shí)用的方式。

2、測評目的

為了對Cache算法進(jìn)行準(zhǔn)確的測評首先就需要規(guī)定其需要達(dá)到的目的，賜個目標(biāo)就是保證精確測評和正確評估。具體的目標(biāo)可以界定為：產(chǎn)生多個形式的FO負(fù)載下操作；模擬相應(yīng)的磁盤陣列的Cache的管理流程；對Cache命中進(jìn)行記錄進(jìn)而評價其效果；記錄每次費(fèi)命中的讀寫操作的準(zhǔn)確時間，進(jìn)而計算出現(xiàn)錯誤的概率。

3、測評系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1）系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)是利用仿真計算對Cache算法進(jìn)行測評，其主要有的構(gòu)成有：I/O排隊產(chǎn)生裝置、Cache算法插槽、Cache預(yù)取算法、磁盤仿真四個部分構(gòu)成。主要的系統(tǒng)功能如下：

讀寫發(fā)送器、I/O排隊產(chǎn)生裝置：此設(shè)備的作用是產(chǎn)生連續(xù)的I/O和隨機(jī)I/O。在測評中產(chǎn)生連續(xù)讀寫的工作流，同時也產(chǎn)生隨機(jī)讀寫的工作流，其方法是將給定介質(zhì)的容量進(jìn)行折算形成K塊，在0-K之間產(chǎn)生一個讀數(shù)作為起點(diǎn)，并假定其長度為一塊長度。在實(shí)際中存儲系統(tǒng)的運(yùn)行中會出現(xiàn)兩種不同的讀寫類型，即連續(xù)和隨機(jī)兩種。測試中通過模塊作用可以將多種類型的I/O操作方式注入到系統(tǒng)中，進(jìn)而形成一個對實(shí)際操作過程的回放。讀寫I/O列隊產(chǎn)生裝置生產(chǎn)讀寫I/O的隊列并進(jìn)行管理控制。

Cache的計算框架主要就是保證系統(tǒng)在測試中符合Cache系近似模擬。

磁盤仿真裝置，其作用就是對每次讀寫進(jìn)行時間上的精確仿真，其方式是按照成熟的仿真技術(shù)措施來實(shí)現(xiàn)。

2）測評的流程

具體實(shí)現(xiàn)的步驟如下：首先，讀寫發(fā)生裝置產(chǎn)生一個讀寫工作流，每個讀寫的過程都帶有其特定的數(shù)據(jù)信息，包括一個邏輯地址、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)標(biāo)記。其邏輯地址代表的是此次讀寫的源地址，而標(biāo)記則可以顯示其屬性信息。然后將信息傳輸?shù)絀/O隊列產(chǎn)生裝置上；其次，在讀寫I/O隊列產(chǎn)生裝置上根據(jù)讀寫發(fā)生器的信息對工作流提出讀寫要求，并將讀寫的內(nèi)容進(jìn)行排序，并按照先入先出的方式將請求發(fā)送到Cache替換算法的插槽上。第三，Cache替換算法插槽接收到數(shù)據(jù)處理的請求，并進(jìn)行處理。先對請求的格式進(jìn)行審核，檢測其命中，如命中則完成工作流繼續(xù)測試，如錯誤則執(zhí)行Cache預(yù)取算法。最后，Cache預(yù)取算法的數(shù)量記錄和記錄，此時預(yù)取算法確定讀取塊的數(shù)量，然后調(diào)用相關(guān)程序完成仿真讀寫。系統(tǒng)會記錄模塊中每次I/O處理的詳細(xì)過程，記錄有輔助系統(tǒng)完成統(tǒng)計并形成相應(yīng)的仿真結(jié)論，至此就完成對系統(tǒng)的測試。

3）測試結(jié)果的計算

完成仿真測試后就會得到相應(yīng)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，而評價Cache算法的主要標(biāo)準(zhǔn)就是命中率和平均相應(yīng)的時間。在最后利用統(tǒng)計的數(shù)據(jù)通過公式計算就可以獲得這兩相應(yīng)的參數(shù)，由此評價Cache算法設(shè)計的優(yōu)劣。其中命中率所需要的參數(shù)是命中數(shù)量和整體讀寫數(shù)量；而平均響應(yīng)時間則與處理耗時與每次處理的時間相關(guān)。

三、結(jié)束語

磁盤陣列的技術(shù)主要是為了提高有限磁盤空間所可以達(dá)到的處理數(shù)據(jù)的能力，此種技術(shù)是在CUP、內(nèi)存計算速度大幅提高的情況下應(yīng)運(yùn)而生的，在實(shí)際的應(yīng)用中有軟件和硬件磁盤陣列兩種實(shí)現(xiàn)方式，而其中采用何種計算方式對出現(xiàn)進(jìn)行處理就成為了其技術(shù)的核心問題。Cache算法是一種較為實(shí)用的數(shù)據(jù)處理算法，但是其設(shè)計的方式也存在差異，如何對其進(jìn)行測評就成為了利用Cache算法提高磁盤陣列計算效率的重要問題。經(jīng)過前面的論述，不難看出：利用仿真方式構(gòu)建一個簡單的讀寫工作流可以獲得較為準(zhǔn)確的系統(tǒng)數(shù)據(jù)，并利用此對Cache算法的適應(yīng)性進(jìn)行分析，以此獲得較好的測評結(jié)果。

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