计算机系统设计课程笔记
计算机各部件功能
- 数据处理
- 数据存储：暂存、保存
- 数据传送
- 控制：管理计算机资源，并协调各个功能部件的操作
计算发展对存储系统的性能需求上升，导致外部设备从附属设备角色向相对独立大规模分布式系统转换。
提升系统性能的手段
- Scale-up：提升设备性能
- 趋近物理极限
- 新原理与非冯诺依曼体系结构
- Scale-out：分布式
- 能耗问题
- 可靠性问题
内存储器件性能改进及面向外部 I/O 的 Cache 设计问题
问题
- 存、算发展速度不匹配
- 引入更复杂、更有效的高速缓存结构
- 主存内部加入缓存（或其他缓冲机制）改进主存接口
- EDRAM、CDRAM
- 使主存接口“更宽” / 高速总线、分层总线缓冲、结构化数据
- SDRAM、DDR SDRAM、堆叠内存
- 新一代存储器件
- 非易失：Memristor, PCM, STT-RAM, Optane PM
- 传统系统多层架构 Memory Gap
- 容量、扩展性、能耗
缓存预取、预寻
- 使用线索（Hint）进行预取
- 主动预取 Aggressive Prefetching
- 灵通预取 Informed Prefetching
- AI 预取
面向 I/O 的性能改进方法
- 缓冲、暂存
- 高速总线
- I/O 处理器
面向外部 I/O（磁盘）的性能优化
- 磁盘本身改进
- 减少寻道时间：减轻移动臂质量、小盘径、提高道密度/位密度、磁阻磁头
- 减少旋转延时、提高转速：液压轴承马达，油膜代替滚珠，避免直接摩擦，减少震动
- 增大传输率：设备内多读/写头
- 磁盘请求调度策略
- 高速缓冲 Cache 和预取（Prefetch）技术
- 存储设备并行
可靠性
系统寿命周期
浴盆曲线 bathtub curve
- 早期故障期 / 调试期 Early-failure period
- 随机故障期 Useful-life period
- 损耗失效期 Wearout period
系统故障率
- 串联系统故障率：系统 MTTF = 各部件 MTTF 调和平均数
- 并联系统故障率
对象存储系统
generalized data container
- 元数据解耦
- 元数据与数据规模相差大
- 主动对象存储
- 对象存储方法
尾延迟 Tail latency
- 降低性能波动：数据迁移、网络等
- 与具体的系统和场景耦合度较高
- 优化资源配置：资源供给、负载均衡等
- 用于应对系统或负载长期性的变化
- 优化请求调度：动态调度、冗余请求等
- 用于应对系统或负载短期性的变化
存储服务质量
虚拟化环境
Virtualization deals with extending or replacing an existing interface so as to mimic the behavior of another system.
- isolation
- packaging
- compatibility
SLO 精确保障