这项研究题为《ByteFS: System Support for (CXL-based) Memory-Semantic Solid-State Drives》，由 Shaobo Li、Yirui Eric Zhou、Hao Ren 和 Jian Huang 等学者完成，隶属于 University of Illinois Urbana-Champaign。本研究发表于2025年3月30日至4月3日在荷兰鹿特丹召开的 ASPLOS ‘25 会议。这是一项关于存储领域的原创性研究，提出了一种名为 ByteFS 的新文件系统，以支持基于 CXL（Compute Express Link）的内存语义固态驱动器（Memory-Semantic Solid-State Drives, 简称 M-SSD）。
主要科学领域： 这项研究属于现代计算机存储系统领域，尤其是关于存储类内存（Storage-Class Memory, SCM）和新型 M-SSD 设备的优化与支持。
研究背景与挑战：
现代计算机系统对存储类内存（SCM）的需求日益增加，这类存储具有可扩展的容量、字节寻址（Byte-Addressable）数据访问能力以及数据持久性（Durability）的优点。如非易失性内存（NVM）和 Intel Optane 等产品是这一领域的典型代表。然而由于市场上缺乏成熟的 NVM 产品，研究人员逐渐转向基于 NAND 闪存技术的 M-SSD，这具有更低成本、更高容量的优势，同时通过 PCIe 或 CXL 双界面实现块（Block）和字节（Byte）两种访问粒度。然而，现有的系统软件（如传统文件系统）主要为块接口设计，无法充分利用 M-SSD 的双接口特性，且导致高 I/O 放大率（I/O Amplification）。现有针对 NVM 的文件系统，例如 PMFS 和 NOVA，偏重字节接口设计，但与 M-SSD 的硬件特性并不匹配。
研究目标：
该研究的目标是在文件系统和固态硬盘固件中重新设计关键逻辑，提出一种能够充分利用双接口、降低 I/O 放大率、优化性能与数据一致性的新型文件系统——ByteFS。
研究整体分为以下步骤：
研究团队首先针对现有的 Linux 文件系统（例如 ext4 和 f2fs）的核心数据结构和操作模式进行了全面的分析。他们具体观察了文件系统在使用块接口时的 I/O 放大问题，统计了不同工作负载下的元数据和数据访问习惯，为设计 ByteFS 提供了参考依据。
(1) 设计挑战： ByteFS 的设计有以下主要挑战： - 字节接口与闪存颗粒度（page-granular）的物理限制之间的矛盾。 - 如何动态选择合适的数据访问粒度（字节/块）。 - 系统在性能与一致性保证之间的权衡。
(2) 体系结构： ByteFS 包括软件（主机文件系统）和硬件（SSD 固件）的协同设计，具有以下关键组件： - SSD 内部日志结构化内存（Log-Structured Memory）： 将 SSD 内部的 DRAM 缓存管理为一个日志结构，以支持字节粒度的写操作，并通过数据合并减少不必要的 I/O。 - 日志索引机制（Log Indexing）： 使用三层 Skip List（跳表）管理日志数据，提供高效的日志查找和清理。 - 数据访问的动态策略（Dual Interface Adaptation）： 根据数据访问模式选择块或字节界面处理不同的数据结构，如 inode、bitmap、page cache 等。 - 事务支持（Transactionality）： 利用 SSD 固件级别的写日志（Write Log）构建低开销事务机制。
(1) 文件系统实现：
团队以 ext4 为基础开发了 ByteFS 文件系统，新增 3.9k 行代码，重新设计了重要的元数据管理逻辑。
(2) 硬件平台开发：
团队使用 OpenSSD FPGA 板搭建了真实 M-SSD 原型，同时开发了一个基于 FEMU 的 M-SSD 模拟器，分别验证了 ByteFS 的可用性和效率。
研究者选择了多种基准工作负载（如 FileBench 和 YCSB）并比较了 ByteFS 与其他文件系统（如 ext4、f2fs、NOVA 和 PMFS）的性能。性能指标包括吞吐量、I/O 放大率、闪存访问流量等。
(1) 性能提升： - ByteFS 在微基准测试中比 ext4 和 f2fs 性能分别提升 2.5× 和 1.48×。 - 在文件创建、目录创建等元数据密集型操作中，ByteFS 减少了 11.4× 的元数据写流量。 - 在宏基准测试中（如 Varmail 和 FileServer），ByteFS 比 ext4 和 f2fs 提升了多达 2.2× 的吞吐量。 - 在 YCSB 操作中，ByteFS 在读写延迟（特别是尾延迟）方面表现显著优于其他文件系统。
(2) I/O 流量优化： - ByteFS 凭借日志缓冲和动态数据粒度选择，将主机到设备的流量减少了最多 5.1×。 - 在 SSD 内部，字节写操作被日志结构化的缓存简化，同步到闪存的流量被显著降低。
(3) 崩溃一致性与恢复： - ByteFS 的 SSD 固件级写日志作为重做日志（Redo Log），支持原子事务存储。在实验中，其系统重启后的恢复时间平均为 4.2 秒。
1. 科学意义： ByteFS 为内存语义 SSD 提供了系统软件支持，首次证明了通过协同设计文件系统和 SSD 固件能够显著改善 I/O 性能和一致性问题。这在存储类内存无法满足需求时，为整个存储领域提供了一个实用、低成本的替代方案。
2. 应用价值： 通过支持 CXL 的 M-SSD，ByteFS 可以广泛应用于需要高频随机写入、高吞吐与较高数据一致性要求的现代存储负载中，例如数据库系统（如 RocksDB）与企业存储服务。
(1) 创新的方法： - 提出了独特的日志结构化缓存机制与三层索引结构，优化了固件性能。 - 实现了针对双界面（字节/块）的动态数据访问机制。
(2) 显著的性能提升： - 在多种现代存储负载中验证了其较现有文件系统的优越性能。
(3) 高效的崩溃恢复： - 在保证系统一致性的同时提供了快速恢复能力。
这项研究成功探索并验证了内存语义 SSD 上的高效文件系统设计，为未来存储技术的发展提供了新思路，也为存储系统的研究与应用提供了参考实例。研究者的工作展现了软件和硬件协同设计在存储领域的潜力。