边端协同的文件系统设计与优化

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随着物联网技术的持续快速发展以及高速5G网络的普及,终端设备的种类和数量急剧增加。数据的爆发式增长是万物互联时代下的主旋律,终端的存储设备资源面临巨大的存储压力。同时,边缘存储在边缘计算领域扮演重要角色。与传统云存储不同,边缘存储更接近终端设备,通过高速网络为终端设备提供强时效性的存储服务。云-边-端协同存储是面向未来海量数据存储的新兴存储架构。目前,边端协同存储的研究重心集中在边缘存储。例如,如何充分利用边缘存储设备,设计高效的数据组织与布局策略,保存终端冷数据。构建协同的边缘存储架构处理边缘计算卸载任务等。然而,现有的研究方案没有彻底打破终端的存储资源隔离问题,终端从边缘存储加载所需数据仍然以文件大小为粒度,存在访问延迟高的问题。此外,终端加载的边缘存储文件仍需占用本地存储资源,存在较大的数据冗余问题。本文将重心放在终端设备,探索未来终端存储研究方案。本文基于Android智能终端,面向未来高速5G网络,针对智能终端存储资源隔离、数据冗余等关键问题,设计高效的边端协同文件系统,以解决现有的问题。本文从操作系统入手,基于高速网络,将手机APP的数据访问延伸至边缘存储。系统包含终端网络文件系统和边缘存储系统两部分。具体工作如下:本文首先提出了基于配置APP进程名的文件数据I/O拦截方案,对APP运行时产生的文件进行I/O拦截,实现文件的I/O字节访问延伸至边缘存储。其次,本文设计了终端文件元数据和数据分离的数据组织和布局策略,以降低数据的管理开销。最后,本文设计了高效的文件数据缓存和混合粒度的数据预取机制,以提高文件数据的访问效率。本文提出的边端协同文件系统支持POSIX接口,实现数据存储对上层应用透明,以降低上层应用的生态整合成本。本文实现了所提出的边端协同文件系统,并在实际的智能手机中进行测试。实验结果表明,在当前低速网络环境下,多个终端APP,如王者荣耀、酷狗音乐、微信、腾讯QQ、优酷视频在可以接受的延迟范围内正常运行。文件数据的I/O拦截率(写拦截)接近100%。
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