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“云”雾缭绕下的个人pc存储与多级重叠加速思想
作者:赵野 赵建平
来源:本站原创
更新时间:2014-5-16 10:02:00
正文:

                                                       长春理工大学 130000

    “云”概念最早诞生于互联网,随着云技术的发展从而在各行业中得到广泛的应用。“云”是一种比喻说法,即后台看不见,人们感觉它是一种很虚无的存在,所以称之为“云”。这种技术的发展代表了现代社会对数据资源的需求,它反映了市场的供求关系。数据规模越巨大,就越可以提供完善的信息服务,目标就是把一切资源拿到网络上去利用。换一种说法,将计算服务和其他应用供广大使用,使人们能够随时便宜的使用这些资源。
    如果我们想吃新鲜营养的纯豆浆,可以采用两种方法。第一种方法是去商场买一台豆浆机,价格在500-700元。第二种方法是去饮品店买一杯现场制作的豆浆,价格在5元左右一杯。如果我们想看3D电影,可以花万元买一台高清3D投影仪和幕布安装在客厅当中,当然也可以花几十元去电影院享受震撼的效果。以上举的两个例子,后者比较符合一般大众。“节约资源”模式的想法导致了云计算的应用产生。在云计算环境下,用户的一些高级需求再也用不到超快的CPU,高容量的内存和硬盘空间。复杂昂贵的系统与应用软件也无需考虑成本。用户可以通过给“云”发送指令并接受数据来充分利用云服务器提供的海量资源,存储空间,系统与软件应用。整合资源,提高使用效率就是对云技术的总结。
    云空间是云存储技术的应用,由多台服务器提供负载均衡,资源网站实际按需动态分配。市场上常见的云空间产品有百度云空间、阿里云、115网盘、360网盘等。多种产品各有特点,大多为用户提供良好的服务和超大的空间。百度云空间为用户免费提供了2000GB的网络空间,腾讯公司甚至提供了10000GB超大容量的空间。用户可以随心所欲将自己的计算机中数据资料存放入网络空间中进行保存或备份。现阶段云空间的使用还存在诸多限制,例如网络速度、数据安全和传输问题。但是在不久的将来,可以预见到这种技术的深入拓展和互联网传输速率的大幅度提高,网络空间可以完全被用户视为“本地”硬盘空间来使用。逻辑空间的存在为用户提供了极大的便利,用户最终将不用再考虑哪些是硬件空间,哪些是逻辑空间。存在于我们PC中的盘符C、D、E、F,也许F就是云存储空间,而用户无需知晓他们的区别。
    既然云空间的使用对于用户是“零”成本,而且容量巨大。这种技术可以完全代替传统的硬盘么?答案是会对硬盘市场造成很大的冲击,但是不会代替传统的硬盘。第一个原因是网络问题。并不是所有的PC机都有条件联入互联网络,就算长期联入网络也难免会存在ISP服务商出现故障时给用户带来的不便。第二歌原因是速率问题。全国网络状况并不是很均衡,有的地区可以达到10MB/秒以上的上传与下载速度,而有的地区却还停留100KB/秒以下。这种现状制约了云空间作为硬盘存储数据的功能。就算是东部地区速度非常快速的情况下,也会发生时段性网络拥塞,给用户带来不好的体验。第三个原因是安全问题。用户重要的资料放在云空间上可能会存在很大的安全隐患,一旦账号密码被盗取或者泄露后所带来的损失不堪设想。当然,传统硬盘自身的安全问题也是很脆弱的。云存储空间和传统硬盘是互补性的存在,接下来要讨论的是如何有效的利用两者的有机结合并给用户带来完美的体验。
    “五分钟法则”是在80年代被提出的观点。如果数据记录被多次访问,就要放入内存中,很长时间不被访问就要放回硬盘继续等待被访问,这个时间为5分钟。这是经过大量计算的经验性的法则。从节约成本来考虑,内存中保存数据的成本相当于硬盘保存数据5分钟左右的成本开销。现代计算机发展模型是多级存储系统应用,旧有的模式:缓存——内存——硬盘的级联模式在云技术下发展出了一些新的迹象。这里提出新的计算机级联存储模型:寄存器——CPU级别缓存器——内存——固态存储器——传统硬盘——云存储空间——光存储。
    随着SSD固态盘的流行使用和云空间(网络硬盘)的推广,传统级联存储模式发生着巨大的改变。SSD是被当做快速硬盘(HDD),还是被当做慢速的内存来使用是有争议的,是否能替代传统硬盘一直是讨论的热点,而云存储的出现其功能上也可以部分替代传统硬盘的存储功能。SSD优势在速度和功耗上,而云存储的优势在于容量上。两者正在蚕食传统硬盘的生存空间,传统硬盘的应用地位在逐渐减弱。不久的将来我们应该可以预见到,HDD硬盘会逐渐消亡。互联网传输速率日益大幅度提高,全世界都在唏嘘大数据的时代到来的背景下,网络存储空间将越来越广泛被应用。当互联网传输速率达到100MBps时,网络存储空间的应用的体验效果和2000年时传统IDE接口的普通硬磁盘的体验效果是相同的,这让我们更有理由相信“零”成本时代的到来绝非无稽之谈。SSD固态硬盘的传输速率比传统HDD磁盘快5-10倍,但和内存相比在数据吞吐量上差距巨大。写I/O操作几倍的提升虽然缓解了数据量暴涨的压力,但根本应付不了“大数据”时代的考验。实时web应用达到海量规模的应用,爆炸式的发展模式对于硬件的影响是巨大的。“内存是新的硬盘”这种观念将数据的暴涨引向了正确的方向。传统硬盘的寻道时间年增长5%,而数据增长率与传输速度年增长为20%,这种不可调和的不对称式发展加速了新技术和新硬件的产生。
    在Windows系统有一项重要的功能Ready Boost,可以利用USB接口的闪存盘建立一个虚拟内存的缓存区,将经常读写的数据转移到闪存盘中来运行,这样是给内存插槽有限制或不能增加内存的使用者加快其系统使用速度。由于闪存盘对于零散文件的读写速递强于传统硬盘,因此用来处理经常读写的数据就很快捷,同时也可以延长硬盘的寿命。但是限于闪存盘自身的速度和读写寿命,对系统性能提升非常有限。SSD固态盘的流行可以很好的满足这一矛盾。基于Ready Boost技术加速的思想模式结合提出:内存——SSD固态盘——传统硬磁盘——网络云存储空间的级联模式,可以考虑多重叠的系统加速模型。即内存负责加速SSD固态盘和传统硬磁盘,SSD固态盘负责加速传统硬磁盘和网络云存储空间,传统硬磁盘只负责加速网络云存储空间。这种多级加速方式会有效的提高系统运行的速度。下面探讨一下其实现的应用背景和思想体系。
    1)使用大容量内存,利用内存当作SSD固态盘和硬磁盘的虚拟缓存,从而减少对SSD和硬磁盘的读写次数,使后两者读写速度加快,延长使用寿命。这种功能在一般的流行系统下都可以实现。
    2)希捷公司向市场推出一种混合固态硬盘产品,结合了SSD和HDD的优点,并通过自我学习算法来加速硬盘速度。由于SSD价格高与技术相比较传统硬磁盘还存在不成熟,因此混合了SSD和HDD技术的硬盘才得以面市。这种硬盘耗电低,适合使用在移动PC上,当硬盘进入睡眠状态,数据的存取可以在固态Flash中进行。系统开机速度飞快,启动读取系统是从Flash中读取,不必等待硬盘磁头的寻道。这种混合式硬盘的设计思想即是SSD固态盘和传统硬盘的结合技术。
    3)SSD固态盘和传统硬磁盘加速网络云存储空间。前者是实体硬件,而后者是逻辑硬件空间。最为简单的加速方式即是利用本地硬件传输带宽高的特点充当网络空间的缓存。例如网盘空间上的电影文件,缓冲到硬盘上来播放,这样可以避免网速不利的情况下带来的卡顿现象。
    多级重叠加速的思想体系建立在上述简单的单级加速基础之上。综合配属各个实件硬件与逻辑空间的资源分配,重点在速度和数据安全上着手。这种加速体系的效能出众,功用性强大,符合面向一般用户的特点。关于数据安全上要讨论的是数据保护与安全镜像技术。内存与SDD固态盘数据传输速率相差不多的状态下,完全可以牺牲一部分固态盘空间作为内存的数据镜像,内存与传统硬磁盘则无需采用这种方式保护数据,只用来加速即可。SSD固态盘与硬盘可以存在加速与数据镜像两种选择。可以进行详细的区分内存数据镜像和SSD固态盘数据镜像的内容区别以免造成资源浪费。利用SSD硬盘加速网络存储空间而不采取数据镜像方式是比较符合成本要求的。相对廉价的传统硬磁盘可以对云空间做数据镜像和数据保护,同步数据功能为传统硬磁盘与网盘最佳的结合点。如果网络速率可以大幅度提升,那么我们就可以摒弃服务器使用多硬磁盘做RAID0和RAID1的混合模式,从而大大的节省了硬件资源和电能源,降低成本是我们始终追求的目标。

 

作者简介:赵野   长春理工大学计算机系研究生
          赵建平 长春理工大学计算机系院长

 
 
   
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