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关键词

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人工智能 27

增材制造 25

机器学习 21

创新 19

神经网络 19

遗传算法 18

管理 17

智能制造 16

发展 14

工程 14

数值模拟 14

系统工程 14

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技术创新 13

COVID-19 12

肠道菌群 12

三峡工程 10

中国 9

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MDLB：一种基于强化学习的元数据动态负载均衡机制 Research Articles

武兆琪1,卫今2,3,张帆1,郭威1,谢光伟2,3

《信息与电子工程前沿（英文）》 2020年第21卷第7期页码 963-1118 doi: 10.1631/FITEE.1900121

摘要：随着信息和数据量增长，面向对象的存储系统已被广泛应用到很多领域，包括Google文件系统、AmazonS3、Hadoop分布式文件系统和Ceph。其中元数据负载均衡在提高整个系统输入/输出性能方面起着重要作用，元数据负载不平衡会导致服务器出现严重的系统性能瓶颈问题。然而现有元数据负载平衡策略缺乏良好动态性和适用性，如基于子树分割或者哈希的负载策略。提出一种基于强化学习的动态负载平衡机制（MDLB）。实验结果表明MDLB算法可根据元数据服务器的性能动态调节负载，在数据量骤变情况下仍具有很好适应性。

关键词：面向对象的存储系统；元数据；动态负载均衡；强化学习；Q_learning

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针对I/O密集型应用的新型非易失存储系统 None

Wen-bing HAN, Xiao-gang CHEN, Shun-fen LI, Ge-zi LI, Zhi-tang SONG, Da-gang LI, Shi-yan CHEN

《信息与电子工程前沿（英文）》 2018年第19卷第10期页码 1291-1302 doi: 10.1631/FITEE.1700061

摘要：新型存储技术——如相变存储器（phase change memory, PCM——的兴起，为I/O密集型应用的高性能存储提供了新机遇。然而传统软件栈和硬件架构需要重构优化以提升I/O访问效率。提出一种基于相变存储器的新型存储系统，包括支持存储内计算的文件系统（in-storage processing enabled file system, ISPFS）和可配置并行计算的存储内计算引擎。一方面，ISPFS充分利用新型非易失存储器（non-volatile memory, NVM）的特性，减少软件冗余和数据拷贝，提供低延迟、高性能的随机访问。另一方面，ISPFS通过命令文件将ISP指令发送给存储内计算引擎来处理I/O密集型任务。实验证明，ISPFS的吞吐量是EXT4文件系统的2–10倍。对于I/O密集型应用，该存储内计算方案比传统软件方案减少97%的I/O请求，效率提升19倍。

关键词：存储内计算；文件系统；非易失存储；存储系统；I/O密集型应用

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一种针对基于一致性哈希的键值存储系统的低能耗副本布局策略 Article

Nan-nan ZHAO,Ji-guang WAN,Jun WANG,Chang-sheng XIE

《信息与电子工程前沿（英文）》 2016年第17卷第10期页码 994-1007 doi: 10.1631/FITEE.1601162

摘要：概要：分布式键值存储作为最常用的分布式存储系统之一，目前广泛部署在大规模数据中心中。然而，大规模数据中心的高能耗是一个亟待解决的问题。为达到较好节能效果，同时满足数据可用性要求，本文提出一个针对基于一致性哈希的分布式键值存储系统的低能耗副本布局策略——GreenCHT，它包括一个分层副本布局方案、一个可靠的分布式日志和一个预测能耗模式调节器GreenCHT将副本分布在互不重叠的多个节点层，而非随机放置于哈希环的部分节点。在分层副本布局中，部分节点层可以维持活动状态，其他节点可以被关闭而不影响数据可用性，以达到节能目的。为保证节能状态下的系统可靠性，对于待机副本的写请求，被重新映射到活动的服务器，以保证系统的容错性。通过修改Sheepdog原有的数据分布算法和副本布局策略，GreenCHT被配置在Sheepdog存储集群中。实验中，GreenCHT能够节省35%–61%能耗，同时维持较好性能和可靠性。

关键词：一致性哈希表；副本布局；能源管理；键值存储系统；可靠性

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ShortTail：降低纠删码内存存储系统的尾部延迟 Research Article

滕云1,3,李之悦2,4,黄晶1,3,张广艳2,4

《信息与电子工程前沿（英文）》 2022年第23卷第11期页码 1646-1657 doi: 10.1631/FITEE.2100566

摘要：

为获得高性能和高数据可用性，基于纠删码的内存存储系统得到广泛应用。然而，随着集群规模不断增长，服务器级别的性能降级问题出现得越来越频繁，进而导致长尾延迟。在基于纠删码的系统中，由于一个纠删码操作可能依赖于多个子操作的同步完成，长尾延迟的影响被进一步放大。本文提出一种称为ShortTail的基于纠删码的内存存储系统，该系统可实现稳定的性能和较低的读写延迟。首先，ShortTail使用轻量请求监视器监测每个内存节点性能，以便及时发现性能降级节点。最后，ShortTail采用一种自适应写策略降低小写请求的写放大程度。本文在Memcached上实现了ShortTail，并将其与两个系统进行比较。实验结果表明，ShortTail最高可降低63.77%的99分位延迟，且显著改善中位延迟和平均延迟。

关键词：纠删码；内存存储系统；节点性能降级；小写请求；尾部延迟

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TextGen：用于新型存储系统基准测试的真实文本数据集生成方法 Article

Long-xiang WANG,Xiao-she DONG,Xing-jun ZHANG,Yin-feng WANG,Tao JU,Guo-fu FENG

《信息与电子工程前沿（英文）》 2016年第17卷第10期页码 982-993 doi: 10.1631/FITEE.1500332

摘要：概要：新型存储系统通过内置数据压缩功能提高性能，并节省存储空间。因此，数据内容会显著影响存储系统基准测试结果。由于真实数据集规模庞大，难以复制到目标测试系统，并且大多数数据集由于隐私性无法进行共享。为了保证测试结果的准确性，需要根据影响存储系统性能的真实数据集特征信息生成数据。现有方法SDGen在字节级别上分析真实数据集内容分布特征，并以此生成数据集，因此能够保证内置字节级压缩算法的存储系统测试结果准确。但是SDGen并未分析真实数据集的词级别内容分布特征，因此不能保证内置词级别压缩算法的存储系统测试结果准确，本文提出了一种基于Lognormal概率分布模型的文本数据集生成方法TextGen。该方法生成数据集所消耗的时间只与生成数据集规模相关，具有线性的时间复杂度O(n)。

关键词：基准测试；存储系统；基于词的压缩算法

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一种采用纠删码缓存的高能效且可靠的存储系统 Article

Ji-guang WAN, Da-ping LI, Xiao-yang QU, Chao YIN, Jun WANG, Chang-sheng XIE

《信息与电子工程前沿（英文）》 2017年第18卷第9期页码 1370-1384 doi: 10.1631/FITEE.1600972

摘要：在现代的多副本节能存储系统中，主副本的磁盘总是保持着开启以对外提供服务，而其他副本的磁盘则可以在负载低时保持关闭状态以节能。然而，因为新的写请求不能够被立即同步到所有的磁盘上，所以系统的可靠性被降低了。本文中，我们设计了一个基于RAID10的具有高可靠性和高能效的副本存储系统——RERAID。RERAID使用主副本磁盘上的一部分空闲空间结合纠删码构造了一个编码缓存来接收新的写请求。因为通过使用纠删码，编码缓存能够支持2个甚至更多磁盘的故障恢复，所以RERAID能够保证与RAID10存储系统想当的可靠性。另外，我们还设计了一个纠删码写（erasure coding write, ECW）算法来缓存那些小的随机写，并把它们合并成大的写数据块，然后并行写入编码缓存中以提高写性能。

关键词：可靠性；高能效；存储系统；纠删码；缓存管理

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工程化DNA材料构建DNA活字系统实现可持续的数据存储 Article

巩子祎, 宋理富, 裴广胜, 董雨菲, 李炳志, 元英进

《工程（英文）》 2023年第29卷第10期页码 130-136 doi: 10.1016/j.eng.2022.05.023

摘要：

DNA分子作为一种具有潜力的数据存储绿色材料，具有密度高和保存期长的优势。然而，目前DNA数据存储的数据写入依赖于DNA从头合成，写入成本高昂，且产生有害物，限制了其实际应用。在本研究中，我们开发了一种DNA活字存储系统，该系统可以利用由细胞工厂预生产的DNA活字片段进行数据写入。在这个系统中，这些预先生成的DNA片段，在这里称为“DNA活字”，是可重复使用的基本数据单元。通过这个系统，我们成功地将24字节的数字信息编码到DNA中，并通过高通量测序和解码实现了准确读取，这证明了该系统的可行性。通过DNA活字片段的反复使用和生物组装，该系统在降低写入成本方面的潜力非常突出，为经济和可持续的DNA数据存储技术开辟了一条新颖路线。

关键词：合成生物学 DNA信息存储 DNA活字存储系统经济性DNA数据存储

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ONFS：面向高性能计算的基于内存、固态硬盘和磁盘的层次式混合文件系统 Article

Xin LIU, Yu-tong LU, Jie YU, Peng-fei WANG, Jie-ting WU, Ying LU

《信息与电子工程前沿（英文）》 2017年第18卷第12期页码 1940-1971 doi: 10.1631/FITEE.1700626

摘要：大规模科学计算、新的工作流应用以及检查点操作均需要存储系统具有非常高的带宽和低延迟，这使得高性能存储系统面临严峻的技术挑战。当前基于磁盘的底层存储系统难以满足新一代Eflops超级计算机和应用的要求。为此，本文提出了基于计算结点内存、固态硬盘和磁盘的层次式混合存储系统ONFS (on-line and near-line file system)。它具有三个存储层次和统一的命名空间，支持可移植操作系统接口（portable operating system interface, POSIX）协议，可提供高带宽、低延迟和超大存储容量。在天河一号超级计算机上实现了ONFS原型系统，测试了I/O (input/output)性能和可扩展性。测试结果表明，单线程和多线程读/写性能比基于磁盘的Lustre分别高出6倍和5倍。与Lustre相比，运行在ONFS上的典型数据密集型应用可获得6.35倍的I/O加速。

关键词：高性能计算；层次式混合存储系统；分布式元数据管理；数据迁移

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SA-RSR：一种适用于异或类纠删码分布式存储系统的数据读取最优恢复方法 Research Articles

张兴军1,梁宁静1,刘云飞1,张长江1,李洋2

《信息与电子工程前沿（英文）》 2022年第23卷第6期页码 858-875 doi: 10.1631/FITEE.2100242

摘要：

冗余策略经常被用于分布式存储系统，以保证数据的可靠性与可用性。纠删码是一种代表性的冗余策略，具有低存储开销优势，这种优势促进了它在分布式存储系统中的应用。采用异或类纠删码机制的存储系统，如果发生单节点故障，便会进行数据恢复，该过程需要从幸存节点中下载数据，然后恢复故障节点中的数据。然而，数据恢复过程中的数据传输通常需要相当长时间。SA-RSR利用模拟退火技术寻找读取和传输最少数据量的最优恢复机制，且该搜索过程可在多项式时间内完成。最后，为验证该方法的有效性，使用多种异或类纠删码进行仿真验证，并在真实存储系统Ceph中验证。实验结果表明，与传统恢复方法相比，SA-RSR减少了30%的数据读取与传输量，提高了20.36%的数据恢复性能。

关键词：分布式存储系统；数据可靠性与可用性；异或类纠删码；单节点失效；数据恢复

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基于SoftSSD的快速固态硬盘固件原型开发 Research Article

薛进1,陈仁海2,王天雨1,邵子立1

《信息与电子工程前沿（英文）》 2023年第24卷第5期页码 659-674 doi: 10.1631/FITEE.2200456

摘要：近年来，固态硬盘已被广泛用于新兴的数据处理系统中。从本质上讲，固态硬盘是一个复杂的嵌入式系统，涉及硬件和软件设计。尽管市场上新的固态硬盘功能发展迅速，但由于缺乏真实和可扩展的固态硬盘开发平台，闪存固件的研究大多是基于模拟方法实现。本文提出SoftSSD，一个面向软件的用于快速闪存固件原型开发的固态硬盘开发平台。SoftSSD的核心是一个具有事件驱动编程模型的新型框架。通过该编程模型，新的闪存转换算法可以被直接集成到全功能的闪存固件中。由此产生的闪存固件可以部署到一个通过外设组件互连总线连接到主机系统的硬件开发板上并对其进行评估。不同于现有的面向硬件的开发平台，SoftSSD通过软件方式实现了大部分的固态硬盘功能组件。我们描述了SoftSSD的编程模型和硬件设计，在原型开发板上进行了实际应用工作负载的实验，以展示SoftSSD的性能和实用性，并发布了SoftSSD的开源代码供公众使用。

关键词：固态硬盘；存储系统；软硬件协同设计

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模板辅助合成半导体金属氧化物气敏纳米材料的合理设计：综述 Research Article

关云川1,刘渝2,周可1,李强3,王团结3,李辉3

《信息与电子工程前沿（英文）》 2023年第24卷第7期页码 964-979 doi: 10.1631/FITEE.2200488

摘要：磁盘故障预测方法在单一问题上的解决方案十分成熟，例如磁盘异构问题、模型老化问题和小样本问题。然而，由于这些问题经常同时存在，只能处理其中一个问题的模型在实际预测中存在偏差。目前针对不同问题的解决方案经常相互冲突，然而现有磁盘故障预测方法通常简单地融合各种模型，缺乏在面对多个问题时对训练数据准备和学习模式的讨论。为此，提出一种多属性数据划分方法（MDP），来探索针对多个问题的训练数据准备。引入与模型无关的元学习算法（MAML），对被划分的多个数据子集进行多任务学习。基于这些改进，提出一种名为MDP-MAML的磁盘故障预测模型。MDP解决了数据不均匀划分和按时间划分的挑战，而MAML解决了针对多个问题小样本学习的问题。此外，MDP-MAML能够适应新出现的问题并进行学习和预测。

关键词：存储系统可靠性；磁盘故障预测；自我监测、分析及报告技术（SMART）；机器学习

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云存储中基于属性加密的通用型用户撤销系统 None

Genlang CHEN, Zhiqian XU, Hai JIANG, Kuan-ching LI

《信息与电子工程前沿（英文）》 2018年第19卷第11期页码 1362-1384 doi: 10.1631/FITEE.1800405

摘要：云存储是面向企业和个人用户的服务模型，包括付费和免费两种方式。基于云存储服务模型，用户通过互联网随时随地享受云存储提供的存储服务和管理功能。由于大多数云存储由第三方服务商提供，因此在数据保护和访问控制方面，云存储提供商和共享多租户环境下可信任性面临极大挑战。提出两种具有隐私保护功能的基于属性加密的通用型用户撤销系统：通过密文重加密（user revocation via ciphertext re-encryption，UR-CRE）实现的用户撤销系统和通过云存储提供商（user revocation via cloud storage providers，UR-CSP）实现的用户撤销系统。这两种系统可以与任意类型基于属性加密的方案协作，实现动态撤销用户。

关键词：基于属性的加密；通用型用户撤销；用户隐私；云存储；访问控制

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面向E级高性能计算存储墙问题研究 Article

Wei HU,Guang-ming LIU,Qiong LI,Yan-huang JIANG,Gui-lin CAI

《信息与电子工程前沿（英文）》 2016年第17卷第11期页码 1154-1175 doi: 10.1631/FITEE.1601336

摘要： I/O性能与计算性能的不匹配是超级计算机从P级向E级发展的主要障碍之一。当前，I/O密集型应用迅速增加，其运行效率受到了I/O性能的制约。为进一步量化I/O性能瓶颈，分析其对大规模并行应用可扩展性的重要影响，本文在定义和分析存储受限加速比的基础上，第一次从并行应用可扩展性的角度提出"存储墙"的定义，量化和讨论了"存储墙"的存在性，并基于存储墙特性对现有高性能计算系统结构提出了新的分类方法和可扩展性分析方法通过基于"天河1A"超级计算机的实验和基于"美洲虎"超级计算机的案例分析，本文验证了存储墙的存在性并分析了其变化特性。这些实验和分析结果对缓解和消除未来高性能计算机的存储墙瓶颈，实现平衡的软硬件设计具有重要指导意义。

关键词：存储受限加速比；存储墙；高性能计算；E级计算

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面向对象系统自适应多级嵌套抗衰技术及模型

王湛,赵颜利,刘凤玉,张宏

《中国工程科学》 2008年第10卷第7期页码 158-164

摘要：

对面向对象计算系统执行自适应的细粒度软件抗衰策略，可以进一步增强软件抗衰技术的适用性及灵活性，同时能更大程度地降低抗衰成本，提高软件的可靠性针对面向对象软件系统中各级组件的性质和特点，制定了将抗衰粒度细化到活动级的重启策略；同时根据各级组件间控制、调用及数据访问的关系，分析了组件间的耦合度，给出了计算组件重启相关性和相关度的方法，判定了组件可达集，确定了各级组件重启群，最终制定出自适应的多级嵌套的软件抗衰策略，并在此基础上构建了策略实施模型，为实现智能化面向对象软件系统的细粒度软件抗衰提供了支持。

关键词：软件抗衰重启相关性可达集抗衰粒度随机高级Petri 网

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DDUC：数据更新与编码解耦的纠删码系统 Research Article

屠要峰1,2,肖蓉2,韩银俊1,2,陈正华2,金浩2,齐学成2,孙辛远2

《信息与电子工程前沿（英文）》 2023年第24卷第5期页码 716-730 doi: 10.1631/FITEE.2200466

摘要：在分布式存储系统中，常用的数据冗余方法包括副本和纠删码(erasure code，EC)。相较于副本，EC具有更好的存储效率，但是在更新方面的开销更大。本文介绍了一种将数据更新与EC编码解耦的存储系统，命名为DDUC，并提出了一种副本与校验块结合的放置策略。对于(N, M)的EC系统，按照N组M+1的副本进行数据布局，并将同一条带的冗余数据块都放置在校验节点上，使得校验节点可以自主地执行本地EC编码。这样在保证高并发性能的同时，解决了并发更新导致的数据可靠性降低的问题。同时利用PMem硬件的字节寻址和8字节原子写特性实现了一种轻量级的日志机制，在提升性能的同时保证了数据的一致性。实验结果表明，和当前主流的存储系统Ceph相比，本文所提出的存储系统并发访问性能提升至1.70–3.73倍，时延仅为Ceph的3.4%–5.9%。

关键词：并发更新；高可靠性；纠删码；一致性；分布式存储系统