本发明适用于信息存储技术改进领域，提供了一种基于DNA存储的计算机架构，包括处理器、随机存储模块、磁盘存储模块及DNA存储模块，所述处理器双向通信连接所述随机存储模块，所述随机存储模块双向通信连接所述磁盘存储模块，所述磁盘存储模块双向通信连接所述DNA存储模块，所述DNA存储模块包括DNA合成单元及DNA测序单元，所述DNA测序单元的输出端连接所述随机存储模块的输入端。对于大容量数据，且长时间不会访问的，能够合理利用DNA存储的优势，能够有效节省物理空间，降低功耗，减少数据的维护成本。
(19)国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 CN 114896217 A (43)申请公布日 2022.08.12 (21)申请号 9.7 (22)申请日 2022.05.30 (71)申请人 深圳市鼎泰富科技有限公司 地址 518000 广东省深圳市坪山区龙田街 道大工业园聚龙山三号路长方工业园 C1栋第六层与第八层 (72)发明人 林志强赖映青 (74)专利代理机构 深圳市科吉华烽知识产权事 务所(普通合伙) 44248 专利代理师 胡吉科 (51)Int.Cl. G06F 16/172 (2019.01) G06F 16/13 (2019.01) G06F 3/06 (2006.01) 权利要求书1页 说明书6页 附图2页 (54)发明名称 一种基于DNA存储的计算机架构 (57)摘要 本发明适用于信息存储技术改进领域，提供 了一种基于DNA存储的计算机架构，包括处理器、 随机存储模块、磁盘存储模块及DNA存储模块，所 述处理器双向通信连接所述随机存储模块，所述 随机存储模块双向通信连接所述磁盘存储模块， 所述磁盘存储模块双向通信连接所述DNA存储模 块，所述DNA存储模块包括DNA合成单元及DNA测 序单元，所述DNA测序单元的输出端连接所述随 机存储模块的输入端。对于大容量数BG大游官方网站据，且长时 间不会访问的，能够合理利用DNA存储的优势，能 够有效节省物理空间，降低功耗，减少数据的维 护成本。 A 7 1 2 6 9 8 4 1 1 N C CN 114896217 A 权利要求书 1/1页 1.一种基于DNA存储的计算机架构，其特征在于，所述基于DNA存储的计算机架构包括 处理器、随机存储模块、磁盘存储模块及DNA存储模块，所述处理器双向通信连接所述随机 存储模块，所述随机存储模块双向通信连接所述磁盘存储模块，所述磁盘存储模块双向通 信连接所述DNA存储模块，所述DNA存储模块包括DNA合成单元及DNA测序单元，所述DNA测序 单元的输出端连接所述随机存储模块的输入端。 2.根据权利要求1所述的基于DNA存储的计算机架构，其特征在于，所述基于DNA存储的 计算机架构中在文件写入磁盘存储模块时，由文件系统判断磁盘存储模块的可用空间，在 文件系统里的相关字段记录该文件的大小和访问时间戳。 3.根据权利要求2所述的基于DNA存储的计算机架构，其特征在于，在判断磁盘存储模 块中，当磁盘存储空间充足，使用率低于设定阈值，文件直接存入磁盘，并记录文件的访问 时间及文件大小，不需要对链表进行操作。 4.根据权利要求3所述的基于DNA存储的计算机架构，其特征在于，在判断磁盘存储模 块中，当磁盘存储模块使用率高于设定阈值时，文件存入磁盘存储模块，同时需要把链表头 指向的文件获取其文件数据转存到DNA存储模块，DNA存储模块返回文件存放的地址码，在 文件系统中标识该文件在DNA存储模块上并记录地址码，对链表表头节点进行删除释放空 间，HEAD指向下一个节点，链表长度减1。 5.根据权利要求4所述的基于DNA存储的计算机架构，其特征在于，所述DNA存储模块存 储的调出策略根据时间和文件大小结合做判断的改进LRU算法。 6.根据权利要求5所述的基于DNA存储的计算机架构，其特征在于，所述改进LRU算法包 括以下步骤： S1、间隔设定周期计算文件访问时间到当前时间的差值，根据差值乘以文件大小获得 结果作为该文件的特征值； S2、在文件系统中维护一张链表，该链表中记录各个文件的索引ID和特征值，并按照特 征值大小进行排序； S3、在磁盘存储模块使用率高于设定阈值时，从特征表里选择一个表象对应的文件索 引找到该文件，调用DNA存储模块进行编码； S4、文件系统根据DNA存储模块返回对应的地址码，标识该文件不在磁盘存储上，释放 该文件存储空间，并记录该文件的DNA存储的地址码； S5、删除特征表中该文件表项，并在文件系统中搜索特征值最大对应的文件插入特征 表中。 7.根据权利要求6所述的基于DNA存储的计算机架构，其特征在于，所述基于DNA存储的 计算机架构中，在有数据访问读出时，文件系统根据存储标识判断文件是否在磁盘存储上， 若在，则按照记录地址获取数据并更新文件访问时间属性；若不在，则获取文件对应DNA存 储地址码，将地址码给到DNA存储模块，触发其进行DNA测序，解码出需要的数据写回硬盘， 更新文件的访问时间属性。 8.根据权利要求7所述的基于DNA存储的计算机架构，其特征在于，所述DNA测序单元将 解码出的数据直接同步送入随机存储模块中。 2 2 CN 114896217 A 说明书 1/6页 一种基于DNA存储的计算机架构 技术领域 [0001] 本发明属于信息存储技术改进领域，尤其涉及一种基于DNA存储的计算机架构。 背景技术 [0002] DNA存储技术是利用DNA作为存储介质，将文件数字化后的二进制编码转化成由4 个碱基构成的DNA编码，从而制成相应的DNA序列，获得储存有数据信息的DNA片段。DNA作为 存储介质，具有存储密度高、存储时间长、功耗低以及易获取且免维护的优点。 [0003] 比如1000万块硬盘的数据用50克DNA就可以存下来，随身带走，全世界44个ZB（1TB x 2^30）的数据200公斤DNA就可以存下来。传统硬盘的存储寿命一般是10年，超过期限，数 据就可能损坏，而DNA的存储寿命可以达到上百年甚至更长时间，只要存储的温度等环境合 适。但目前DNA存储要普及还存在不小的挑战，读写速度和成本等都有待提高。尽管如此，这 仍然是一个前景非常明朗的技术。 [0004] 对于影视公司，档案存储单位或者云厂商等BG大游官方网站企业或者机构，都可能面临着存储数 据巨大的问题，其中有些数据可能很长时间都不会用到，但也不能丢弃。对于个人硬盘存储 的数据，基本满足二八定律，即20%的硬盘文件会经常访问，而有80%的文件却很少访问。有 些甚至好几年才访问1次，但却很重要，不能删除，比如图片和视频等。也因此，个人网盘才 得以流行。随着DNA存储技术的成熟，后续这么多的数据完全可以由DNA来存储。 [0005] 因为此技术的应用前景广阔，而且带来的是颠覆性的变化，目前有很多研究是针 对DNA存储的可靠性。读写速度和成本因素短期内尚不能达到跟硬盘或者闪存同等的级别。 发明内容 [0006] 本发明的目的在于提供一种基于DNA存储的计算机架构及存储方法，旨在解决上 述的技术问题。 [0007] 本发明是这样实现的，一种基于DNA存储的计算机架构，所述基于DNA存储的计算 机架构包括处理器、随机存储模块、磁盘存储模块及DNA存储模块，所述处理器双向通信连 接所述随机存储模块，所述随机存储模块双向通信连接所述磁盘存储模块，所述磁盘存储 模块双向通信连接所述DNA存储模块，所述DNA存储模块包括DNA合成单元及DNA测序单元， 所述DNA测序单元的输出端连接所述随机存储模块的输入端。 [0008] 本发明的进一步技术方案是：所述基于DNA存储的计算机架构中，在文件写入磁盘 存储模块时，由文件系统判断磁盘存储模块的可用空间，在文件系统里的相关字段记录该 文件的大小和访问时间戳。 [0009] 本发明的进一步技术方案是：在判断磁盘存储模块中，当磁盘存储空间充足，使用 率低于设定阈值，文件直接存入磁盘，并记录文件的访问时间及文件大小，不需要对链表进 行操作。 [0010] 本发明的进一步技术方案是：在判断磁盘存储模块中当磁盘存储模块使用率高于 设定阈值时，文件存入磁盘存储模块，同时需要把链表头指向的文件获取其文件数据转存 3 3 CN 114896217 A 说明书 2/6页 到DNA存储模块，DNA存储模块返回文件存放的地址码，在文件系统中标识该文件在DNA存储 模块上并记录地址码，对链表表头节点进行删除释放空间，HEAD指向下一个节点，链表长度 减1。 [0011] 本发明的进一步技术方案是：所述DNA存储模块存储的调出策略根据时间和文件 大小结合做判断的改进LRU算法。 [0012] 本发明的进一步技术方案是：所述改进LRU算法包括以下步骤： S1、间隔设定周期计算文件访问时间到当前时间的差值，根据差值乘以文件大小 获得结果作为该文件的特征值； S2、在文件系统中维护一张链表，该链表中记录各个文件的索引ID和特征值，并按 照特征值大小进行排序； S3、在磁盘存储模块使用率高于设定阈值时，从特征表里选择一个表象对应的文 件索引找到该文件，调用DNA存储模块进行编码； S4、文件系统根据DNA存储模块返回对应的地址码，标识该文件不在磁盘存储上， 释放该文件存储空间并记录该文件的DNA存储的地址码； S5、删除特征表中该文件表项，并在文件系统中搜索特征值最大对应的文件插入 特征表中。 [0013] 本发明的进一步技术方案是：所述基于DNA存储的计算机架构中在有数据访问读 出时，文件系统根据存储标识判断文件是否在磁盘存储上，若在，则按照记录地址获取数据 并更新文件访问时间属性，若不在，则获取文件对应DNA存储地址码，将地址码给到DNA存储 模块，触发其进行DNA测序，解码出需要的数据写回硬盘，更新文件的访问时间属性。 [0014] 本发明的进一步技术方案是：所述DNA测序单元将解码出的数据直接同步送入随 机存储模块中。 [0015] 本发明的有益效果是：对现有计算机架构模型的有效扩展，对于经常访问的文件 或数据，其读写速度和成本不会有损失；基本兼容现有的计算机操作系统或者文件系统，改 动较小。对于大容量数据，且长时间不会访问的，能够合理利用DNA存储的优势，即能够有效 节省物理空间，降低功耗，以及减少数据的维护成本等。 附图说明 [0016] 图1是本发明实施例提供的基于DNA存储的计算机架构的示意图。 [0017] 图2是本发明实施例提供的表１文件遍历到第２个文件时的链表结构的示意图； 图3是本发明实施例提供的表１文件遍历到第３个文件时，节点插入链表中的示意 图。 [0018] 图4是本发明实施例提供的表１文件遍历到第６个文件时，需要把末尾的文件２删除 的示意图。 [0019] 图5是本发明实施例提供的表1文件遍历完成后形成的链表结构的示意图。 [0020] 图6是本发明实施例提供的文件系统中记录文件的存储地址的示意图。 具体实施方式 [0021] 如图1‑6所示，本发明提供的基于DNA存储的计算机架构，所述基于DNA存储的计算 4 4 CN 114896217 A 说明书 3/6页 机架构包括处理器、随机存储模块、磁盘存储模块及DNA存储模块，所述处理器双向通信连 接所述随机存储模块，所述随机存储模块双向通信连接所述磁盘存储模块，所述磁盘存储 模块双向通信连接所述DNA存储模块，所述DNA存储模块包括DNA合成单元及DNA测序单元， 所述DNA测序单元的输出端连接所述随机存储模块的输入端。 [0022] 所述基于DNA存储的计算机架构中在文件写入磁盘存储模块时，由文件系统判断 磁盘存储模块的可用空间，在文件系统里的相关字段记录该文件的大小和访问时间戳。 [0023] 在判断磁盘存储模块中，当磁盘存储空间充足，使用率低于设定阈值，文件直接存 入磁盘，并记录文件的访问时间及文件大小，不需要对链表进行操作。 [0024] 在判断磁盘存储模块中，当磁盘存储模块使用率高于设定阈值时，文件存入磁盘 存储模块，同时需要把链表头指向的文件获取其文件数据转存到DNA存储模块，DNA存储模 块返回文件存放的地址码，在文件系统中标识该文件在DNA存储模块上并记录地址码，对链 表表头节点进行删除释放空间，HEAD指向下一个节点，链表长度减1。 [0025] 所述DNA存储模块存储的调出策略根据时间和文件大小结合做判断的改进LRU算 法。 [0026] 所述改进LRU算法包括以下步骤： S1、间隔设定周期计算文件访问时间到当前时间的差值，根据差值乘以文件大小 获得结果作为该文件的特征值； S2、在文件系统中维护一张链表，该链表中记录各个文件的索引ID和特征值并按 照特征值大小进行排序； S3、在磁盘存储模块使用率高于设定阈值时，从特征表里选择一个表象对应的文 件索引找到该文件，调用DNA存储模块进行编码； S4、文件系统根据DNA存储模块返回对应的地址码，标识该文件不在磁盘存储上释 放该文件存储空间，并记录该文件的DNA存储的地址码； S5、删除特征表中该文件表项，并在文件系统中搜索特征值最大对应的文件插入 特征表中。 [0027] 所述基于DNA存储的计算机架构中在有数据访问读出时，文件系统根据存储标识 判断文件是否在磁盘存储上，若在，则按照记录地址获取数据并更新文件访问时间属性，若 不在，则获取文件对应DNA存储地址码，将地址码给到DNA存储模块，触发其进行DNA测序，解 码出需要的数据写回硬盘，更新文件的访问时间属性。 [0028] 所述DNA测序单元将解码出的数据直接同步送入随机存储模块中。 [0029] DNA存储 的计算机架构是在传统的计算机模型的末端，即硬盘后面再增加一级 DNA存储 ，如图1所示，这样可以把大量长时间未访问的数据存放于此。因为目前依靠DNA存 储技术的基因合成和测序速度还比较慢，成本也很高，所以上一级的传统硬盘存储还不能 省略。平常相对比较频繁访问的数据可以存储在硬盘上。而当硬盘空间不够，可以将长时间 未访问的数据调出到最末端的DNA存储。 [0030] DNA有四种碱基A、T、C和G。一段DNA就包含了由各种碱基组成的系列。可以规定A表 示二进制00，T表示二进制01，C表示二进制10，而G就表示二进制11。这样一条DNA就相当于 存储了一串二进制数据。 [0031] 因为增加了最后一级存储，所以现有的硬盘文件系统无法使用，需要增加字段标 5 5 CN 114896217 A 说明书 4/6页 识某个数据块是否在硬盘上。如果在，记录其位置；如果不在，则需要给出地址索引，触发后 端DNA存储模块进行测序，读出数据。 [0032] 1当有文件需要写入磁盘时，由文件系统判断磁盘的可用空间。 [0033] 1.1 当可用空间充足，使用率低于某个设定阈值时，将文件正常写入磁盘，修改并 记录文件的访问时间、文件大小。 [0034] 1.2 当磁盘使用率高于设定阈值时，同样进行1.1操作，但是同时需要将某些文件 调出到DNA存储。调出到DNA存储采用改进的LRU（Least Recent Used）算法 ，因为调出策略 是根据时间和文件大小结合做判断的，所以称为改进的LRU算法。具体如下。 [0035] 1.3 每隔一定周期，假设半年，计算文件访问时间到当前时间点的差值，由此差值 乘以文件大小得到的结果也存储下来，作为文件的一个属性值，这里为了后文描述方便，暂 且称为特征值。 [0036] 假设文件系统中有10个文件，当前时间为2022.2年，访问时间和文件大小如表1所 示。 文件索引 访问时间(单位：年) 距离当前时间（单位：年）文件大小（单位：MB）特征值 1 2020.0 2.2 50 110 2 2022.1 0.1 70 7 3 2018.5 3.7 20 74 4 2019.2 3 300 900 5 2020.3 1.9 350 665 6 2021.7 0.5 100 50 7 2022.0 0.2 50 10 8 2018.8 3.4 200 680 9 2019.7 2.5 70 175 10 2021.0 1.2 230 276 [0037] 表1 文件特征值计算。 [0038] 1.4 文件系统需要专门维护一张表，表中记录了各文件的索引ID和特征值，并且 按照特征值从大到小排序。为了节省空间，并不需要每个文件都记录一个表项，这里记录了 前5个文件，如表2所示。 文件索引 特征值 4 900 8 680 5 665 10 276 9 175 [0039] 表2 按照文件特征值排序 1.5 当满足1.2时，从特征表里选择第一个表项对应的文件索引，找到该文件，调 用DNA存储模块，进行编码。 [0040] 1.6 DNA存储模块返回对应的地址码，文件系统获取到地址码后，标识该文件不在 磁盘上，释放这部分空间，并记录此文件对应的DNA存储所在的地址码。 [0041] 1.7 删除特征表中此表项。在文件系统里搜索特征值最大对应的文件，将其插入 6 6 CN 114896217 A 说明书 5/6页 特征表中。 [0042] 2. 当有数据需要访问读出时，文件系统根据存储标识判断文件是否在硬盘上。 [0043] 2.1 如果在，按照记录的地址获取数据，更新文件的访问时间属性。 [0044] 2.2 如果不在，获取文件对应DNA存储的地址码。将地址码给到DNA存储模块，触发 其进行DNA测序，解码出需要的数据写回硬盘，更新文件的访问时间属性。 [0045] 2.3 同时考虑到如果写入硬盘，再从硬盘读出到RAM的速度太慢，可以由DNA测序 直接将数据同步送给RAM。 [0046] 对现有计算机架构模型的有效扩展，对于经常访问的文件或数据，其读写速度和 成本不会有损失；基本兼容现有的计算机操作系统或者文件系统，改动较小。对于大容量数 据，且长时间不会访问的，能够合理利用DNA存储的优势，即能够有效节省物理空间，降低功 耗，以及减少数据的维护成本等。 [0047] 1. 当有文件写请求时，首先将文件写入磁盘。在文件系统里面的相关字段记录该 文件的大小和访问时间戳。 [0048] 2. 间隔半年周期对磁盘中的文件进行遍历。 [0049] 2.1 如果文件大小大于20MB（20MB为预设的阈值，可以调整，太小的文件，调出到 DNA存储的意义不大，因此可以忽略），则对其统计跟踪； 2.2 对跟踪的文件，由系统当前时间减去文件的访问时间得出文件未活跃的时间 t[id],其中id为对应的文件索引。 [0050] 2.3 计算文件的特征值E[id]=t[id]*s[id]；其中s[id]为文件的大小，单位MB。 [0051] 2.4 用链表结构存储特征表，定义链表的长度，即节点数Ｌ，针对特征表２，Ｌ就为 ５。构造链表。 [0052] 2.5 创建链表节点，存储文件的索引id值以及链接到下一个节点的指针。使得构 造的链表对应的文件特征值是从大到小顺序排列的，其中链表头HEAD始终指向文件特征值 最大的文件，链表尾TAIL始终指向文件特征值最小的文件。如图2为根据表1文件列表，遍历 到第2个文件时的链表架构。 [0053] 2.6 当有新的文件需要加入链表时，从链表头遍历整个链表，比较当前链表节点 对应的特征值和当前文件的特征值，如果当前文件的特征值大，则新的文件需要插在前面， 如果当前文件的特征值小，则进行下一个链接节点的比较，直到链表尾。如图3为根据表1文 件列表，遍历到第3个文件时，因为文件3的特征值为74，超过文件2的特征值7，因此需要插 在两个节点之间。 [0054] 2.7 每插入一个节点，链表现有长度增１。 [0055] 当链表长度超过Ｌ时，需要把最末尾的节点删除，让TAIL重新指向。如图4所示。 [0056] 2.8 遍历完所有文件，最终形成的链表如图5所示。 [0057] 3. 当磁盘空间充足，使用率低于某个设定阈值，如80%时，文件直接存入磁盘，不 需要对链表进行操作。 [0058] 4. 当磁盘空间不足，文件存入磁盘。 [0059] 4.1 同时需要把链表头指向的文件，获取其文件数据，转储到DNA。DNA存储模块返 回文件存放的地址码，文件系统中标识该文件在DNA存储模块上，并记录地址码。 [0060] 4.2 对链表表头节点进行删除，释放空间，HEAD指向下一个节点。链表长度减1。 7 7 CN 114896217 A 说明书 6/6页 [0061] 5. 当有文件读取请求时，通过文件系统判断文件是否在磁盘上。如图6所示。 [0062] 5.1 当标识字段为1时，文件在磁盘上，通过文件索引ID找到文件，读取出来。 [0063] 5.2 当标识字段为0时，文件在DNA存储模块上，通过DNA存储地址码，给到DNA存储 模块，由后者返回数据。 [0064] 5.3 更新此文件的访问时间戳，并重新计算特征值。 [0065] 5.4 遍历链表中的节点，如果存在此文件索引，则删除此链表节点。链表长度减1。 [0066] DNA存储技术是利用人工合成的脱氧核糖核酸（DNA）作为存储介质，能够存储文 本、图片、声音和视频等各类数据，随后完整读取的技术。 [0067] LRU（Least Recent Used）即最近最少使用算法，它会将最近最久未使用的数据予 以淘汰。与本发明结合，可理解成，哪些数据最久没有访问，就会被调出到DNA存储装置中， 从而腾出磁盘空间。 [0068] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 8 8 CN 114896217 A 说明书附图 1/2页 图1 图2 图3 9 9 CN 114896217 A 说明书附图 2/2页 图4 图5 图6 10 10
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