一种基于失效概率的固态存储分级管理方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于失效概率的固态存储分级管理方法及系统，属于存储控制技术领域。本发明专利技术方法根据物理页索引次数，并综合数据冷热程度，提出物理页失效概率这一概念，将通过计算得到失效概率相近的页聚集一起，进行分级管理，减少垃圾回收对性能的影响和减少写放大。本发明专利技术还实现了一种基于失效概率的固态存储分级管理系统。本发明专利技术在固态存储垃圾回收触发后进行合理的数据分级管理，减少后续垃圾回收的反复迁移数据，进而提高响应性能和使用寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种基于失效概率的固态存储分级管理方法及系统
本专利技术属于存储控制
，更具体地，涉及一种基于失效概率的固态存储分级管理方法及系统。
技术介绍
近年来，基于NANDFlash的固态硬盘由于性能高、功耗低、抗震性好等诸多优点获得广泛的应用。由于NAND闪存异地更新的特点，写更新产生的无效页需经由垃圾回收操作重新成为可用页，这会造成严重的写放大，对SSD的读写性能和寿命都有很大的影响。减少SSD垃圾产生、垃圾回收时选择无效页最多的块、冷热数据分离等可以有效减少写入数据的放大系数；考虑各块磨损情况的页面分配则能延长SSD的使用寿命。最直接的办法是减少写入到SSD中的数据，这样可以有效提高SSD的性能和寿命。研究人员分析了多种存储系统，发现其中广泛存在重复数据。例如，微软的研究人员发现个人电脑普遍存在40％左右的重复数据；EMC的研究者发现备份存储系统的重复数据高达90％；德国研究者发现数据中心存在15-30％的重复数据。这些重复数据不仅增加了存储成本，且占用了存储设备的写入带宽，因此通过减少重复数据可以有效提高存储设备的利用率。特别对于SSD而言，减少重复数据还能提高SSD使用寿命。因此数据去重技术正逐步应用于SSD设备及其组建的系统中，如CAFTL算法、△FTL算法、NF-Dedup策略等。但是数据去重在减少冗余数据同时，也带来了一个新的问题：经过去重处理的部分数据会被多次索引(多被引数据)，和单次索引数据相比，这些数据更不容易失效，可能经历多次不必要的迁移。如图1所示，数据页A，B，E多次作为有效数据被迁移到新的数据块，所涉及的数据页读和写操作带来了不可忽视的开销。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于失效概率的固态存储分级管理方法及系统，其目的在于在数据冷热分离的基础上，结合物理页索引次数，提出物理页失效概率这一概念，将失效概率相近的页聚集一起，进行分级管理，由此减少垃圾回收对性能的影响和减少写放大。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种基于失效概率的固态存储分级管理方法，该方法包括：(1)评估失效概率：根据垃圾回收中将迁移物理页的索引次数和该物理页对应逻辑页的冷热程度综合评估该物理页的失效概率；(2)数据分级管理：按失效概率的大小将物理页迁移到相应级别的数据块中；数据块的级别按预定的失效概率划分；(3)管理元数据：当数据页写入、数据页更新或垃圾回收时更改数据所在物理页的索引次数和索引信息。进一步地，所述物理页失效概率具体计算公式为：其中，Tem_LPN为逻辑页的温度；luc为最近写访问次数；ct为系统的当前时间；lts为最近访问时间戳；Δu为最近访问的时间间隔门限，预设值；FP_PPN为物理页的失效概率；N为物理页的索引次数；α为系数，预设值。进一步地，所述步骤(3)具体包括：(31)判断：判断若是数据页写入进入步骤(32)，若是数据页更新时进入步骤(33)，若是垃圾回收操作进入步骤(34)；(32)写入数据页：通过去重写技术，判断写入数据是否已存在，若不存在，则新建逻辑页条目和物理页条目，逻辑页条目包括新分配的物理页地址和标为有效的状态，逻辑地址对应到新建的逻辑页条目，逻辑页条目通过其中的物理页地址对应一个物理页条目，物理页条目包括数据指纹、置为1的物理页索引次数和映射的逻辑地址集合；若存在，则建立逻辑地址到已存在物理页地址所在逻辑页条目的对应关系，并将该逻辑地址添加到对应物理页条目的逻辑地址集合中，物理页索引次数加1，结束；(33)更新数据页：将逻辑地址对应的逻辑页条目中状态置为无效，并判断对应物理页条目中物理页索引用次数是否为1，若是则将该物理页条目删除；否则将逻辑地址从对应物理页条目中逻辑地址集合中删除，并且物理页索引次数减1；进入步骤(32)；(34)数据块删除：判断该数据块中各物理页是否为有效页，若是有效页，则通过物理页条目中映射的逻辑地址集合，找到对应的逻辑地址条目，将它们依次重新对应到新迁移后的物理页地址，再删除原物理页条目，并新建迁移后的物理页条目，直至完成该块中所有有效页的迁移操作，再擦除数据块，成为一个空闲块；否则直接擦除数据块。按照本专利技术的另一方面，提供了一种基于失效概率的固态存储分级管理系统，该系统包括：失效概率评估模块，用于根据垃圾回收中将迁移物理页的索引次数和该物理页对应逻辑页的冷热程度综合评估该物理页的失效概率；数据分级管理模块，用于按失效概率的大小将物理页迁移到相应级别的数据块中；数据块的级别按预定的失效概率划分；元数据管理模块，用于当数据页写入、数据页更新或垃圾回收时更改数据所在物理页的索引次数和索引信息。进一步地，所述物理页失效概率具体计算公式为：其中，Tem_LPN为逻辑页的温度；luc为最近写访问次数；ct为系统的当前时间；lts为最近访问时间戳；Δu为最近访问的时间间隔门限，预设值；FP_PPN为物理页的失效概率；N为物理页的索引次数；α为系数，预设值。进一步地，所述元数据管理模块具体包括：判断单元，用于判断若是数据页写入进入数据页写入单元，若是数据页更新时进入数据页更新单元，若是垃圾回收操作进入数据块删除单元；数据页写入单元，用于通过去重写技术，判断写入数据是否已存在，若不存在，则新建逻辑页条目和物理页条目，逻辑页条目包括新分配的物理页地址和标为有效的状态，逻辑地址对应到新建的逻辑页条目，逻辑页条目通过其中的物理页地址对应一个物理页条目，物理页条目包括数据指纹、置为1的物理页索引次数和映射的逻辑地址集合；若存在，则建立逻辑地址到已存在物理页地址所在逻辑页条目的对应关系，并将该逻辑地址添加到对应物理页条目的逻辑地址集合中，物理页索引次数加1，结束；数据页更新单元，用于将逻辑地址对应的逻辑页条目状态置为无效，并判断对应物理页条目中物理页索引用次数是否为1，若是则将该物理页条目删除；否则将逻辑地址从对应物理页条目中逻辑地址集合中删除，并且物理页索引次数减1；进入数据页写入单元；数据块删除单元，用于判断该数据块中各物理页是否为有效页，若是有效页，则通过物理页条目中映射的逻辑地址集合，找到对应的逻辑地址条目，将它们依次重新对应到新迁移后的物理页地址，再删除原物理页条目，并新建迁移后的物理页条目，直至完成该块中所有有效页的迁移操作，再擦除，成为一个空闲块。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术特征及有益效果：本专利技术针对现有固态存储系统存储多被引数据带来的有效数据被反复无效的迁移这一问题，提出一种基于失效概率的固态存储分级管理技术，本技术方案提出物理页的失效概率这一概念，并在垃圾回收的有效数据迁移时，根据该物理页被索引次数和所对应逻辑页的冷热程度来综合计算得出其失效概率，进行合理的数据分级管理，减少后续垃圾回收的反复迁移数据，进而提高响应性能和使用寿命。附图说明图1是现有固态存储系统垃圾回收的数据迁移情况示意图；图2是本专利技术方法的整体流程图；图3是本专利技术实施例中的数据分级管理示意图；图4是数据分级管理过程的流程图；图5是本专利技术实施例中元数据结构示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于失效概率的固态存储分级管理方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)评估失效概率：根据垃圾回收中将迁移物理页的索引次数和该物理页对应逻辑页的冷热程度综合评估该物理页的失效概率；(2)数据分级管理：按失效概率的大小将物理页迁移到相应级别的数据块中；数据块的级别按预定的失效概率划分；(3)管理元数据：当数据页写入、数据页更新或垃圾回收时更改数据所在物理页的索引次数和索引信息。

【技术特征摘要】
1.一种基于失效概率的固态存储分级管理方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)评估失效概率：根据垃圾回收中将迁移物理页的索引次数和该物理页对应逻辑页的冷热程度综合评估该物理页的失效概率；(2)数据分级管理：按失效概率的大小将物理页迁移到相应级别的数据块中；数据块的级别按预定的失效概率划分；(3)管理元数据：当数据页写入、数据页更新或垃圾回收时更改数据所在物理页的索引次数和索引信息。2.根据权利要求1所述的一种基于失效概率的固态存储分级管理方法，其特征在于，所述物理页失效概率具体计算公式为：其中，Tem_LPN为逻辑页的温度；luc为最近写访问次数；ct为系统的当前时间；lts为最近访问时间戳；Δu为最近访问的时间间隔门限，预设值；FP_PPN为物理页的失效概率；N为物理页的索引次数；α为系数，预设值。3.根据权利要求1所述的一种基于失效概率的固态存储分级管理方法，其特征在于，所述步骤(3)具体包括：(31)判断：判断若是数据页写入进入步骤(32)，若是数据页更新时进入步骤(33)，若是垃圾回收操作进入步骤(34)；(32)写入数据页：通过去重写技术，判断写入数据是否已存在，若不存在，则新建逻辑页条目和物理页条目，逻辑页条目包括新分配的物理页地址和标为有效的状态，逻辑地址对应到新建的逻辑页条目，逻辑页条目通过其中的物理页地址对应一个物理页条目，物理页条目包括数据指纹、置为1的物理页索引次数和映射的逻辑地址集合；若存在，则建立逻辑地址到已存在物理页地址所在逻辑页条目的对应关系，并将该逻辑地址添加到对应物理页条目的逻辑地址集合中，物理页索引次数加1，结束；(33)更新数据页：将逻辑地址对应的逻辑页条目中状态置为无效，并判断对应物理页条目中物理页索引用次数是否为1，若是则将该物理页条目删除；否则将逻辑地址从对应物理页条目中逻辑地址集合中删除，并且物理页索引次数减1；进入步骤(32)；(34)数据块删除：判断该数据块中各物理页是否为有效页，若是有效页，则通过物理页条目中映射的逻辑地址集合，找到对应的逻辑地址条目，将它们依次重新对应到新迁移后的物理页地址，再删除原物理页条目，并新建迁移后的物理页条目，直至完成该块中所有有效页的迁移操作，再擦除数据块，成为一个空闲块；否则直接擦除...

【专利技术属性】
技术研发人员：童薇，刘景宁，冯丹，方才华，魏学亮，高阳，雷霞，蒋瑜，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42