OTDB：面向重叠磁道磁盘的键值存储

《ACM Transactions on Architecture and Code Optimization》：OTDB: A Key-Value Store Tailored for Overlapping Track-Based Disks

　　

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叠瓦式磁记录（SMR）和交错式磁记录（IMR）技术通过使内部轨道重叠来显著增加磁盘存储密度，但由此产生的频繁读取-修改-写入（RMW）操作会导致严重的性能抖动。在主机管理的 SMR（HM-SMR）和主机管理的 IMR（HM-IMR）上构建基于日志结构合并树（LSM-tree）的键值存储，使得顺序写入约束与软件日志结构架构之间实现了紧密集成。该设计通过以仅追加的方式将数据更新重定向到新的物理位置，而不是在重叠轨道上就地覆盖旧数据，从而避免了因轨道重写引起的 RMW 操作，进而提高了性能可预测性和整体稳定性。然而，现有的键值存储并未针对 HM-SMR 和 HM-IMR 共存的异构存储系统进行系统设计，导致在数据布局、压缩策略和垃圾回收（GC）机制方面存在明显缺陷。

为应对这些挑战，我们提出了 OTDB，一种专为叠瓦轨道磁盘设计的键值存储。首先，我们开发了一种异构多粒度区域存储方案，将来自不同 LSM-tree 层级的排序字符串表（SSTable）分离并映射到具有差异化特征的区域上。通过灵活配置区域大小，该方案降低了区域重置成本，减少了垃圾回收过程中迁移的数据量。其次，我们设计了一种跨层预测窗口压缩策略，主动构建压缩窗口并执行 SSTable 重组，从而减少冗余压缩操作，有效缓解压缩引起的写放大。最后，我们引入了 Cox 引导的区域垃圾回收机制，利用生存分析准确预测 SSTable 的剩余寿命，并指导其智能放置和迁移，大幅提高了垃圾回收的效率和稳定性。实验结果表明，与最先进的方法相比，OTDB 在微基准测试中实现了 96.47%–25.67 倍的性能提升，在 YCSB 工作负载下吞吐量平均提高了 1.87 倍。

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