FusionFS: Fusing I/O Operations using CISCOps in Firmware File Systems——论文泛读

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问题

现代高带宽和低延迟存储技术，如NVMe SSD[50]和3D Xpoint[6]，显著提高了I/O性能，从而提高了应用程序性能。然而，软件和硬件I/O开销，包括系统调用、数据移动、应用程序和操作系统中的通信成本，以及存储硬件延迟（例如PCIe），仍然是充分利用存储硬件功能的致命弱点。

现有方法局限性

一种方法是将文件系统移动到用户空间，避免数据和元数据更新的系统调用和内核陷阱来减少软件间接性[22，60，49，27，35]。但主要的I/O开销，如数据和元数据移动成本、主机和设备通信成本（如PCIe延迟）、以及轮询或中断仍然存在。

另一个方法是近存储处理[46]。供应商提出了嵌入存储处理器的计算存储设备（CSD），这些存储处理器从ARM内核[11]、FPGA[49，52，30，44，47，14]到RISC-V处理器[51]。为了降低I/O成本并将计算卸载到CSD，最近的研究探索了应用程序定制技术[14]、软件运行时[47]、系统软件[49]和数据库[46]。这些技术可以分为以下系统：（1）近存储计算卸载系统，包括用于数据库的ActiveStore[46]、PolarDB[14]，通过重写应用程序逻辑来卸载计算，专注于数据处理。但这些系统要么缺乏存储管理，要么将管理委托给主机文件系统[14]。前者导致数据和元数据缺乏完整性、崩溃一致性、持久性或跨租户管理存储资源。后者在基本I/O操作方面产生了高昂的I/O开销，并且未能充分利用CSD的潜力。（2）近存储文件系统和键值存储设计来加速I/O和存储管理。如CrossFS[44]、DevFS[30]、Insider[47]，绕过操作系统，在存储固件内卸载文件系统和键值存储[49]，用于直接I/O。但这些设计缺乏接近存储的处理能力，导致大量数据移动，并且无法管理存储资源（如设备计算和内存）或处理多租

本文方法

我们提出了FusionFS，一种直接访问固件级别的近存储文件系统，利用近存储的计算能力实现快速I/O和数据处理。

• 引入了一种新的抽象CISCOps，将多个I/O和数据处理操作合并为一个融合操作，并将它们卸载以进行近存储处理。通过卸载，CISCOps显著降低了主要的I/O开销，如系统调用、数据移动、通信和其他软件开销。

• 为了增强CISCOps，引入了MicroTx，一种用于I/O和数据处理操作的细粒度崩溃一致性和快速（自动）恢复机制。

• 提出了一种新的完全公平调度器（CFS），用于跨租户的近存储计算和内存资源，从而保持近存储计算资源的高效和公平使用。

开源代码：GitHub - RutgersCSSystems/FusionFS: FusionFS: Fusing I/O Operations using CISCOps in Firmware File Systems, FAST '22

使用微基准、宏基准和实际应用程序，针对最先进的用户级、内核级和固件级文件系统对FusionFS进行评估，结果显示性能提高了6.12倍、5.09倍和2.07倍，恢复速度提高了2.65倍。

实验

实验环境：模拟

数据集：Filebench，LevelDB，Snappy压缩，Linux文件加密

实验对比：吞吐量、崩溃恢复时间、平均延迟

总结

提出近存储的直接访问固件的文件系统：引入了一种新的抽象CISCOps，将多个I/O和数据处理操作合并为一个融合操作，并将它们卸载以进行近存储处理，从而降低了主要的I/O开销，如系统调用、数据移动、通信和其他软件开销；为了增强CISCOps，引入了MicroTx，进行I/O和数据处理操作的细粒度崩溃一致性和快速（自动）恢复机制；提出了一种新的完全公平调度器（CFS），用于跨租户的近存储计算和内存资源，从而保持近存储计算资源的高效和公平使用。

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