Malyala-Vaishnavi-Nagula-File-System-Acceleration-Using-CS

核心观点与关键数据

计算存储概述

• 数据呈指数级增长，以CPU为中心的处理模式成为瓶颈，解决方案是将计算能力迁移到数据所在位置。
• 计算存储定义：提供计算存储功能（CSF）并耦合存储，以卸载主机处理或减少数据移动。
• 类型：计算存储驱动器（CSD）、计算存储处理器（CSP）、计算存储阵列（CSA）。
• 协议：OpenCL、NVMe、TCP over NVMe等。

SmartSSD介绍

• 基于OpenCL API的计算存储驱动器，采用标准NVMe接口。
• 通过FPGA和SSD结合，实现数据直接从SSD传输到FPGA DDR，避免使用主机RAM。
• 支持点对点（P2P）数据传输：读路径（SSD ⇒ FPGA DDR ⇒ 计算 ⇒ FPGA DDR ⇒ 主机内存），写路径（主机内存 ⇒ FPGA DDR ⇒ 计算 ⇒ FPGA DDR ⇒ SSD）。

ZFS文件系统概述

• Zettabyte文件系统（ZFS）：新一代高级文件系统，结合文件系统和卷管理器功能。
• 特性：池化存储、写时复制（Copy-on-write）、压缩、快照、数据完整性验证和自动修复、冗余（RAID-Z）、去重。
• ZFS存储池：将多个磁盘以不同配置（条带、镜像、RAID-Z、RAID-Z2）组合。
• ZFS I/O：分层ZIO，每层包含管道，底层为物理磁盘，压缩在较高层触发。

压缩卸载优势

• 应用层卸载：需要修改每个应用，但可控制缓冲区大小。
• 块层卸载：透明压缩，但块大小小（如4KB），效率较低。
• 文件系统层卸载：平衡缓冲区大小和卸载开销，ZFS默认块大小为128KB。

ZFS压缩性能

• LZ4 vs GZIP：GZIP压缩率更高，但CPU利用率高，适合卸载。
• CPU卸载GZIP：吞吐量低，CPU利用率高。
• 卸载GZIP：降低CPU利用率，提升性能和效率。

ZFS on SmartSSD实现

• ZFS通过XSS库（内核空间）发送压缩请求到XSS，XSS使用XRT库与FPGA通信。
• 压缩和Fletcher-4校验卸载到FPGA，避免数据传输到主机。
• ZFS ARC（自适应替换缓存）支持：压缩数据通过DMA传输到主机DRAM缓存。

GZIP HLS内核

• 使用Vitis软件开发平台，以高级综合（HLS）语言开发GZIP压缩和Fletcher-4校验内核。
• 多核并行处理，支持流水线方式处理多个压缩请求。

验证测试配置

• 多个存储池和卷配置，使用FIO工具进行测试。
• 服务器配置：Dell 7525，AMD EPYC 7282，Ubuntu 16.04.06。

测试结果

• 吞吐量提升：与不使用SmartSSD相比，使用SmartSSD实现约2倍的IOPS提升。
• CPU资源利用率降低：约55%的CPU资源利用率下降。
• 系统内存效率提升：内存带宽与IOPS比例最低，证明计算存储的优势。

未来展望

• 支持更高压缩级别的GZIP内核。
• FPGA可替换性。
• 卸载解压缩。
• 支持其他校验算法（如SHA 256）。
• 卸载其他功能（如RAIDZ、去重）。
• 与应用级加速功能集成。