云计算背景下块级别网络磁盘缓存技术分析

赖建中

摘 要：现如今，网络技术突飞猛进，云计算背景下块级别网络磁盘缓存功能不断上升，其负载功能也日益增强，这直接影响到I/O具体功能的使用。因此需要优化M N —cache多节点的块级别网络磁 盘缓存系统，本文详细探讨了MN-cache 缓存系统的设计和功能机构。

关键词：云计算;网络磁盘;缓存技术

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.20.162

0 引言

随着云计算系统的不断发展，出现了各种类别的云存储子系统，便能发现虚拟机持久化的级别存储服务。为了方便采集和管理各项存储数据，增强数据的存储能力，降低其管理存储负担，可以合理使用Cinder、EBS等软件。就云计算系统而言，虚拟机不断增长，云存储服务功能也不断强化。受网络宽带和子系统自身性能的影响，存储系统I/O性能不断下降，直接影响到虚拟机的实际运行。

为了解决网络存储系统的稳定性，在计算云计算节点过程中，其缓存设备便是本地磁盘，从而不断提高云存储系统的整体功能，从而实现虚拟机的高效稳定运行。本地客户端磁盘缓存系统 包括这些xC achefs、CAPFS、IBMAFS、SUNNF内容。

1 MN-cache 缓存系统的设计与实现

本文重点解读了云计算系统中 MN —cache 缓存系统的组织结构，并具体描述了该系统的运行细节，合理运用这些数据实现各种通信，详细介绍MN —cache 缓存系统的两种写入方法，以便达成写回策略和直达策略。

1.1 规划系统架构

当前云计算系统喜欢共享网络存储卷，经常运用虚拟机实例。它们属于不同的数据中心，其网络存储卷I/O性能有待提高，因此需要优化多节点块级别网络缓存系统。从而共享局域网内的缓存数据，提高网络存储性能。在Linux D e—vice M apper的基础上，不按优化M N —cache缓存系统，它包含缓存客户端和元数据服务器这两部分。缓存客户端主要是具体实际的缓存功能，主要是运用各种磁盘，利用原数据服务器实现缓存功能。元数据服务器可以为各种缓存客户端提供各种缓存情况，方便检测各种功能，从而保持与缓存客户端的一致性，优化各种元数据。

单个元数据服务器端节点和多个缓存客户端节点共同组成了M N —cache缓存系统，同个局域网内部包含了所有节点。要想将 iSCSI协议连接到局域网内，需要利用源存储磁盘外油网络，共享使用各种节点。其他缓存客户端节也是通过这种模式，依次读写各项远端缓存数据。下图便是系统的缓存系统结构图（如图1所示）。

1.2 设计缓存系统

一般来说，缓存客户端和元数据服务器共同组成了MN-cache 缓存系统，缓存客户端主要在内核态下运行，元数据服务器主要在用户状态下运行。配置的初始化、同步元数据、查询缓存命中共同组成了元数据服务器，其主要负责整理各种客户端的原始数据，定期查询缓存命中服务。

在配置元数据初始化服务器的过程中，及时记录了恶缓存块的多少、具体数量、缓存写入策略、IP地址、缓存客户端节点编号这些内容。

同步更新元数据时，储存各缓存客户端节点时，及时查询相关部分元数据，元数据服务器可以及时接收各缓存客户端的元数据，及时更新服务器的元数据，如图2。

及时查询命中缓存，各个缓存客户端可以使用元数据服务器及时查询命中缓存。接受到缓存客户的需求后，返回到查询结果，保持客户端原始数据和元数据服务器的步调一致。合理运用 udp 通信协议便能及时查询缓存命中。

实际缓存操作时，缓存客户端具体负责缓存功能。缓存客户端具体操作时应该遵循以下三个方面。首先配置初始化，缓存客户端的初始化进程中需要根据缓存写入方法、缓存块的大小，及时缓存各种参数，再次，同步元数据，内核内存中一般存有各种本地缓存元数据信息。及时查询缓存命中的部分元数据，及时推进元数据的同步进行。当缓存客户端缓存的原始数据发生变化后，及时向元数据服务器发送各种数据，同步更新各种信息。缓存客户端根据元数据服务器的需求，及时修改各种缓存数据。

实现缓存，为了正常运行缓存功能，可以使用L inux D evice M apper 机制及时缓存客户端。虚拟磁盘设备带有基本缓存功能，包含了源存储磁盘、多个远端缓存磁盘、本地缓存磁盘这几个方面。

1.3 数据通讯设计

各缓存客户端和元数据服务器共同构成了MN—cache 缓存系统，同步元数据，查询缓存命中。同步元数据包括了缓存客户端和服务器端更新各种数据。查询本地缓存和远端缓存共同构成了查询缓存命中等步骤。具体缓存客户端时可以及时查询本地缓存系统，及时查询缓存客户端内部的元数据信息。

1.4 缓存写入策略

具体进行写入操作时，写回和写直达两种写入操作共同组成了M N —cache 缓存系统，用户可以根据自身需求随时更改写入策略。具体使用写直达策略时，远端源存储磁盘可以记录所有块I/O这种数据，这种数据如果直接被记录到源存储磁盘中，缓存磁盘的功能并不能得到正确发挥。写入策略需要保证源存储磁盘和缓存磁盘的一致。一旦缓存客户端节点出现意外时，需要保证数据的准确。

2 分析MN-cache 缓存系统的具体性能

2.1 读取操作耗时

这篇文章主要分析了对读操作的三种不同操作结果。具体来说包  括以下三个方面：读命本地缓存磁盘、读命远端缓存磁盘、未命中缓存。

针对本地缓存磁盘读命中的具体实际情况，具体读取操作时的总时间消耗包含以下两个方面。其一便是缓存客户端处理I/O需要查询本地缓存元数据，查询具体时间消耗时可以参考本地命中抢矿。消耗具体数据的读取时间时，可以参考本地缓存磁盘。下面便是读取操作总时间的消耗公式如下：

TRLhit=tLsearch+tLread

2.2 写入操作耗时

三种不同的结果共同组成了写直达策略，本文重点分析了这三种情况。根据本地缓存磁盘的写命中情况，详细阐述操作的总时长消耗。具体来说包括以下三方面。本地缓存客户端消耗的具体时间，写入源存储磁盘所花费的时间，更新元数据到元数据服务器具体消耗的时间。总的来说，写操作的总时间消耗公式如下：

TwLhit=tLsearch+tSwrite-tMupdate

3 评估MN-cache 缓存系统的实验数据

本文详细分析了读操作测试、写直达操作测试、写回操作测试，并进行了各种实验。就写回操作测试而言，可以具体测试无缓存和缓存这两种情，具体测试远端重读、本地重读、写等各种测试。分析各种数据后发现，运用MN-cache缓存系统能提高源存储磁盘的整体性能，其性能也会下降68%，本地重写情况下其性能可以优化9倍，远端重写情况下性能可以降低33%。

4 结语

M N —cache主要适用于多节点的块级别网络缓存系统，可以大量运用在云计算缓存系统中。本文详细讨论了该系统读取操作、写入操作的耗时时间，不断优化云存储系统性能。针对缓存过程的具体耗时情况，改进缓存客户端和元数据的工作效率，促进该系统的良性运行。

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