一种固态盘地址映射方法、设备及固态盘

本技术属于计算机领域，更具体地，涉及一种固态盘地址映射方法、设备及固态盘。

背景技术：

1、固态硬盘(solid state disk，ssd)在云基础设施中被大规模采用，以提供低延迟i/o服务和更好的性能。云提供商旨在通过在多个应用程序中共享同一个ssd来降低硬件资源成本并最大限度地提高其利用率。然而，用户需求的多样性和云存储系统中i/o堆栈的复杂性导致性能隔离更具挑战性。并发运行的工作负载之间的干扰会导致ssd中出现不公平现象。因此，高性能和公平性应被视为现代数据中心固态硬盘的一流设计标准。

2、现代固态硬盘通过并行使用多个独立通道和芯片来实现高性能。利用数百个nand闪存的内部多级并行性正成为设计高性能ssd的关键问题。实现ssd并行性有很多种方式，聚焦于ssd控制器中最基础且核心功能，即地址映射(address mapping)来考虑ssd并行性。地址映射通过重映射逻辑地址和物理地址来决定数据的物理布局，在这过程中应该仔细确定闪存芯片内部的数据布局以便可以利用不同级别的并行性。通常情况下，地址映射中的页面分配策略会按照不同的分配原则将数据写入底层闪存。例如cwdp(channel-way-die-plane)策略会按照通道(channel)、芯片(chip)、晶圆(die)和平面(plane)的顺序条带化数据到各个并行单元，从而最大化ssd并行性。相反，pcwd(plane-channel-way-die)策略会优先将数据分配到单个通道内的多个平面上，因此并行性的性能不及cwdp。cwdp策略和pcwd策略的数据分配方式参见图1所示。由图1可知，cwdp策略的并行性能较好，但是公平性较差；pcwd策略的并行性差，但是公平性较好。

3、近些年公平性问题引起了研究人员的广泛注意。不公平问题主要由于不同用户请求为争抢ssd资源(例如底层闪存的并行单元)导致出现i/o干扰的现象。现有解决ssd设备内公平性问题的研究可以分为两类包括软件层的i/o调度策略和硬件层的性能隔离方法。软件层面主要聚焦于在缓存或芯片队列中，通过调整请求在队列中的位置来实现公平性。而硬件层面是通过为不同用户分配专有的ssd硬件资源例如通道或芯片来实现性能隔离。可以看出，面向硬件层面的方法能够直接消除不同用户之间的i/o干扰所导致的不公平。而面向软件层面的方法充分利用了ssd的软硬件资源，因此在性能上要更优。

4、事实上，现有在并行性和公平性上的多数研究是分离的。虽然ssd的并行性方面取得了重大进展，特别是在平面级并行性探索方面，而大量研究表明过度并行会无意中影响ssd的公平性，这是由于并行性倾向于让数据条带化到底层。更具体的来说，若采用cwdp策略，那些超低延迟的ssd将数据尽可能分散到独立的执行单元，目的是减少请求的排队时间。然而这会导致对于ssd内的每个执行单元而言不同用户的交叉执行加剧i/o干扰，从而出现更严重的不公平问题，参见图2中(a)所示，反之若采用pcwd策略，参见图2中(b)所示，不公平问题虽然少了，但是并行性能差很多。图2展示了上述过程的例子，其关键问题在于ssd无法通过单一的映射策略去同时满足并行性和公平性。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本技术的目的在于提供一种固态盘地址映射方法、设备及固态盘，旨在解决现有ssd无法通过单一的映射策略同时满足并行性和公平性的问题。

2、为实现上述目的，第一方面，本技术提供了一种固态盘地址映射方法，包括：

3、接收至少一个用户的请求队列；所述请求队列包括至少一个写请求和/或至少一个读请求；

4、当所述请求队列的请求速率大于预设速率阈值时，其为第一种请求队列；采用冷热预测模型预测第一种请求队列中各个写请求对应的待写入数据的冷热类型，当为冷数据时，采用第一策略处理该写请求，当为热数据时，采用第二策略处理该写请求；所述第一策略为保障公平性的策略，所述第二策略为保障并行性的策略；

5、当所述请求队列的请求速率不大于预设速率阈值时，其为第二种请求队列，采用第二策略处理第二种请求队列中的写请求；结合属于不同用户的两个第二种请求队列的请求速率和写比例确定不同用户之间是否存在不公平的情况，若存在不公平情况，则调整不公平用户第二种请求队列的松弛时间，减轻所述不公平情况；所述不公平情况为若属于第一用户的第二种请求队列的子请求在属于第二用户的第二种请求队列的子请求之后被处理，导致第一用户请求队列的松弛时间被延长，则第一用户为不公平用户。

6、在一个实施例中，所述第一策略为pcwd策略，所述第二策略为cwdp策略；

7、所述pcwd策略按照平面、通道、芯片和晶圆的顺序条带化数据到各个并行单元；

8、所述cwdp策略按照通道、芯片、晶圆和平面的顺序条带化数据到各个并行单元。

9、可以理解的是，本技术在流请求进入ssd时对不同i/o强度的流进行区分。在高i/o强度下，为冷数据采用pcwd策略来保障公平性，而热数据依旧使用cwdp策略去优先保障性能。为准确区分冷热数据，采用训练好的模型可以保证对冷热数据的准确预测并使其易于处理具有不同访问模式的混合工作负载。为进一步提升ssd公平性，在低i/o强度下通过调整流的松弛时间来缓解不公平情况，这种方式能够在保障性能的前提下提高公平性。

10、需要说明的是，按照pcwd策略写入数据的读性能非常差，特别是在低i/o强度时，而对于在相同的地址上被再次写时的性能是不会受到上次写所用到的地址映射策略的影响，需要对数据进行冷热区分，即判断数据是否会被频繁读取。在数据写入ssd后，我们将那些未来会被读的数据为热数据，而不会被读的数据为冷数据。我们希望对那些冷数据采用pcwd写策略来提高公平性，而热数据依然采用cwdp策略写入闪存，从而避免热数据在被读取时可能有很差的性能。

11、在一个实施例中，通过如下步骤确定不同用户之间是否存在不公平情况：

12、计算第一用户与第二用户的第二种请求队列的请求速率比值；

13、计算第一用户与第二用户的第二种请求队列的写比例比值；

14、若所述请求速率比值大于1且所述写比例比值大于1，则第二用户属于不公平用户；

15、若所述请求速率比值小于1且所述写比例比值小于1，则第一用户属于不公平用户；

16、如果所述请求速率比值大于1且所述写比例比值小于1，若所述请求速率比值与预设权重的乘积大于所述写比例比值的倒数，则第二用户属于不公平用户，否则第一用户属于不公平用户；

17、如果所述请求速率比值小于1且所述写比例比值大于1，若所述请求速率比值的倒数与所述预设权重的乘积大于所述写比例比值，则第一用户属于不公平用户，否则第二用户属于不公平用户。

18、在一个实施例中，所述预设权重为1。

19、在一个实施例中，该方法还包括：

20、提取不同时间段的所述请求队列的特征；所述特征包括：平均请求大小、请求速率、写比例、请求访问的时间局部性、请求访问的空间局部性；所述时间局部性为重新访问流量占总流量的比率，所述空间局部性为随机请求占所有请求的百分比；

21、所述冷热预测模型为训练好的决策树模型；

22、所述决策树模型预测数据的冷热类型，包括：

23、将不同时间段的所述请求队列的特征输入到训练好的决策树模型，预测得到请求队列中各个写请求对应的待写入数据的冷热类型。

24、需要说明的是，上述决策树模型通过树模型训练器训练得到。

25、在一个实施例中，所述决策树模型的训练步骤包括：

26、将请求队列训练样本的特征作为输入，输入到决策树模型进行训练；所述训练样本中各个写请求带有冷热标签；

27、采用交叉验证评估所述决策树模型的性能，对所述决策树模型进行离线训练。

28、在一个实施例中，所述调整不公平用户第二种请求队列的松弛时间，减轻所述不公平情况，包括：

29、调整不公平用户子请求与非不公平用户子请求的执行顺序，以在不影响非不公平用户对应请求队列松弛时间的前提下，减少不公平用户对应请求队列的松弛时间。

30、第二方面，本技术提供了一种固态盘地址映射设备，包括：

31、特征采集模块，用于接收至少一个用户的请求队列，当所述请求队列的请求速率大于预设速率阈值时，其为第一种请求队列；当所述请求队列的请求速率不大于预设速率阈值时，其为第二种请求队列；所述请求队列包括至少一个写请求和/或至少一个读请求；

32、冷热预测模块，用于采用冷热预测模型预测第一种请求队列中各个写请求对应的待写入数据的冷热类型；

33、地址分配模块，用于当第一种请求队列中写请求对应的待写入数据为冷数据时，采用第一策略处理该写请求，当为热数据时，采用第二策略处理该写请求；采用第二策略处理第二种请求队列中的写请求；所述第一策略为保障公平性的策略，所述第二策略为保障并行性的策略；

34、公平调度模块，用于结合属于不同用户的两个第二种请求队列的请求速率和写比例确定不同用户之间是否存在不公平的情况，若存在不公平情况，则调整不公平用户第二种请求队列的松弛时间，减轻所述不公平情况；所述不公平情况为若属于第一用户的第二种请求队列的子请求在属于第二用户的第二种请求队列的子请求之后被处理，导致第一用户请求队列的松弛时间被延长，则第一用户为不公平用户。

35、在一个实施例中，所述公平调度模块，用于计算第一用户与第二用户的第二种请求队列的请求速率比值；计算第一用户与第二用户的第二种请求队列的写比例比值；若所述请求速率比值大于1且所述写比例比值大于1，则第二用户属于不公平用户；若所述请求速率比值小于1且所述写比例比值小于1，则第一用户属于不公平用户；如果所述请求速率比值大于1且所述写比例比值小于1，若所述请求速率比值与预设权重的乘积大于所述写比例比值的倒数，则第二用户属于不公平用户，否则第一用户属于不公平用户；以及如果所述请求速率比值小于1且所述写比例比值大于1，若所述请求速率比值的倒数与所述预设权重的乘积大于所述写比例比值，则第一用户属于不公平用户，否则第二用户属于不公平用户。

36、第三方面，本技术提供了一种固态盘，包括：上述第一方面或第一方面的任一个实施例所描述的固态盘地址映射设备。

37、可以理解的是，上述第二方面或第三方面的有益效果可以参见上述第一方面中的相关描述，在此不再赘述。

38、总体而言，通过本技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，至少具有以下有益效果：

39、本技术提供一种固态盘地址映射方法、设备及固态盘，所提供的方案基于现有被广泛使用的两种地址映射策略cwdp和pcwd进行组合而来的，能够同时针对ssd的并行性和公平性进行优化，这对于多租户场景而言非常重要。充分利用已有的映射策略能够确保fph2a的性能稳定，并且不需要做过多的系统修改。

40、本技术提供一种固态盘地址映射方法、设备及固态盘，所提供的固态盘地址映射方案在可扩展性方面是强于一般方案的，这体现在可以对其他策略进行更细粒度的组合。由于fph2a侧重于对并行性和公平性的优化，因此选择了cwdp和pcwd作为基映射方案进行调度。在合适的情况下使用者可以根据需要选择其他的映射方案来代替上述基方案。

41、本技术提供一种固态盘地址映射方法、设备及固态盘，所提供固态盘地址映射方案在多租户的场景中能够提供公平性，并且可以充分发挥ssd的并行性，这涉及到性能方面的提升。这意味着fph2a能够将ssd的硬件效率进行最大化使用，同时保障不同用户在使用ssd的同时减小相互之间的干扰，实现性能隔离的目标。