本發(fā)明專利技術(shù)公開(kāi)了一種多盤容錯(cuò)的二維混合盤RAID4系統(tǒng)和體系結(jié)構(gòu)，包括RAID4控制器和盤陣，盤陣包括磁盤陣列和作為校驗(yàn)盤的固態(tài)硬盤，磁盤陣列和固態(tài)硬盤組成二維陣列結(jié)構(gòu)，固態(tài)硬盤的控制器中增設(shè)緩存模塊以及異或模塊，緩存模塊用于數(shù)據(jù)的緩沖，異或模塊是在固態(tài)硬盤中的現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列中實(shí)現(xiàn)，用于處理RAID4校驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算，有效的提高計(jì)算的處理速度。本發(fā)明專利技術(shù)通過(guò)簡(jiǎn)化IO操作流程、建立將固態(tài)硬盤作為校驗(yàn)盤的二維混合盤RAID4體系架構(gòu)，至少可以糾正3盤錯(cuò)誤，并透明完成數(shù)據(jù)校驗(yàn)計(jì)算，同時(shí)大幅減少讀寫檢驗(yàn)盤的IO操作數(shù)，有效消除校驗(yàn)盤的讀寫瓶頸，提高系統(tǒng)的性能。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于存儲(chǔ)
，更具體地，涉及一種多盤容錯(cuò)的二維混合盤RAID4系統(tǒng)架構(gòu)及其讀寫方法。
技術(shù)介紹
獨(dú)立冗余磁盤陣列(RedundantAccess Independent Disk,簡(jiǎn)稱 RAID)技術(shù)已經(jīng)作為一種成熟的技術(shù)廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中。RAID技術(shù)具有從RAIDO到RAID6七種基本的RAID級(jí)別，不同的級(jí)別代表著不同的存儲(chǔ)性能、數(shù)據(jù)安全性和存儲(chǔ)成本。其中RAID4是在RAID3的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)。如圖1所示，在RAID4模式中，磁盤陣列包含N個(gè)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的磁盤(簡(jiǎn)稱數(shù)據(jù)盤)以及一個(gè)專門用于存儲(chǔ)奇偶校驗(yàn)信息的磁盤(簡(jiǎn)稱校驗(yàn)盤)，它一條帶(Datastriping)為基礎(chǔ)，在把文件數(shù)據(jù)分塊后寫進(jìn)一個(gè)數(shù)據(jù)盤的同時(shí)，對(duì)其它數(shù)據(jù)盤內(nèi)與該數(shù)據(jù)塊相同盤內(nèi)位置的所有數(shù)據(jù)塊計(jì)算出它們的奇偶校驗(yàn)值(X0R操作完成)，最終形成一個(gè)由奇偶校驗(yàn)值組成的信息塊，并將其寫入校驗(yàn)盤，這被稱為數(shù)據(jù)保護(hù)(Dataguarding)。它只能容忍一個(gè)磁盤出現(xiàn)故障，如何提高磁盤陣列的容錯(cuò)能力是我們要解決的問(wèn)題。另外，由于磁盤的每秒處理IO操作能力有限，新的讀寫請(qǐng)求必須等待舊的讀寫完成之后才能處理。也就是說(shuō)對(duì)于RAID4系統(tǒng)而言，只能實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)盤讀操作的并發(fā)，不能實(shí)現(xiàn)陣列寫操作的并發(fā)。同時(shí)，為了有效解決大規(guī)模存儲(chǔ)系統(tǒng)當(dāng)多盤失效的時(shí)候，一維的RAID結(jié)構(gòu)，只能容一盤錯(cuò)的情況。如何解決校驗(yàn)盤的瓶頸和多盤失效的問(wèn)題，從而提高陣列的性能和陣列的可靠性是我們要解決的問(wèn)題。此外，隨著磁盤陣列在各個(gè)領(lǐng)域的中高低端的廣泛應(yīng)用，磁盤陣列的能耗也成為廣泛關(guān)注的問(wèn)題，如何降低陣列能耗同樣是我們要解決的另一個(gè)問(wèn)題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本專利技術(shù)的目的在于提供一種多盤容錯(cuò)的二維混合盤RAID4系統(tǒng)架構(gòu)，本專利技術(shù)通過(guò)簡(jiǎn)化IO操作流程、建立將固態(tài)硬盤作為校驗(yàn)盤的二維混合盤RAID4體系架構(gòu)，至少可以糾正3盤錯(cuò)誤，并透明完成數(shù)據(jù)校驗(yàn)計(jì)算，同時(shí)大幅減少讀寫檢驗(yàn)盤的IO操作數(shù)，有效消除校驗(yàn)盤的讀寫瓶頸，提高系統(tǒng)的性能。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)提供了一種多盤容錯(cuò)的二維混合盤RAID4系統(tǒng)架構(gòu)，包括RAID4控制器和盤陣，盤陣包括磁盤陣列和作為校驗(yàn)盤的固態(tài)硬盤，磁盤陣列和固態(tài)硬盤組成二維陣列結(jié)構(gòu)，固態(tài)硬盤的控制器中增設(shè)緩存模塊以及異或模塊，緩存模塊用于數(shù)據(jù)的緩沖，異或模塊是在固態(tài)硬盤中的現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列中實(shí)現(xiàn)，用于處理RAID4校驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算。本專利技術(shù)還提供了一種多盤容錯(cuò)的二維混合盤RAID4系統(tǒng)架構(gòu)的讀操作方法，包括以下步驟(I)步驟701，RAID控制器核心模塊的處理線程首先從SCSI命令隊(duì)列中取出讀請(qǐng)求；(2)步驟702，對(duì)該讀請(qǐng)求的讀地址空間按照行優(yōu)先原則，對(duì)條帶進(jìn)行拆分，屬于同一個(gè)讀請(qǐng)求的條帶用隊(duì)列管理起來(lái)；(3)步驟703，RAID控制器的處理線程為每一個(gè)條帶構(gòu)造一個(gè)目標(biāo)端和緩存模塊之間通信的讀命令，并且將命令發(fā)送到緩存模塊；(4)步驟704，接收讀數(shù)據(jù)條帶1、數(shù)據(jù)條帶2、數(shù)據(jù)條帶3的命令，分別從數(shù)據(jù)盤1，數(shù)據(jù)盤2，數(shù)據(jù)盤3中讀出條帶1、條帶2、條帶3，并將條帶數(shù)據(jù)緩沖在緩存模塊中；(5)步驟705，通過(guò)DMA對(duì)主機(jī)端進(jìn)行傳輸。本專利技術(shù)還提供了一種多盤容錯(cuò)的二維混合盤RAID4系統(tǒng)架構(gòu)的寫操作方法，包括以下步驟(I)步驟801，RAID控制器核心模塊的處理線程首先從SCSI命令隊(duì)列取出該寫命令；(2)步驟802，對(duì)該寫命令的讀地址空間按照條帶進(jìn)行拆分，屬于同一個(gè)寫命令的縱向條帶和橫向條帶分別用隊(duì)列管理起來(lái)；(3)步驟803，RAID控制器的處理線程為每一個(gè)條帶構(gòu)造一個(gè)目標(biāo)端和緩存模塊之間通信的寫命令，并且將命令發(fā)送到緩存模塊；(4)步驟804，為RAID4系統(tǒng)中的特殊固態(tài)硬盤新增自定義命令“異或?qū)憽保?5)步驟805，在異或模塊中進(jìn)行異或運(yùn)！1-1 ’ .SP=F(其中數(shù)據(jù)P為原始的校驗(yàn)數(shù)據(jù))，得到新的校驗(yàn)數(shù)據(jù)條帶P’ ;(6)步驟806，再將條帶P’寫入作為校驗(yàn)盤的固態(tài)硬盤中，同時(shí)將條帶I’寫入相應(yīng)的數(shù)據(jù)盤中。步驟(4 )中，對(duì)于寫操作，是采用新數(shù)據(jù)和老數(shù)據(jù)在校驗(yàn)盤的內(nèi)部邏輯進(jìn)行異或之后產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行寫入。通過(guò)本專利技術(shù)所構(gòu)思的以上技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)具有以下的有益效果1、由于采用了二維陣列結(jié)構(gòu)，有效的解決了多盤失效的問(wèn)題，顯著地提高了 RAID4系統(tǒng)的可靠性。2、由于采用了固態(tài)硬盤作為校驗(yàn)盤，顯著提高了 RAID4系統(tǒng)的響應(yīng)速度，同時(shí)也降低了系統(tǒng)的功耗。3、由于將傳統(tǒng)的RAID控制器中的校驗(yàn)更新模塊放在固態(tài)硬盤中實(shí)現(xiàn)，大幅減少了讀寫數(shù)據(jù)時(shí)檢驗(yàn)盤的IO操作數(shù)，大大提高了系統(tǒng)的性能。4、由于校驗(yàn)更新模塊在固態(tài)硬盤中實(shí)現(xiàn)，大大降低了 RAID控制器的設(shè)計(jì)難度和成本。附圖說(shuō)明圖1是現(xiàn)有RAID4系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本專利技術(shù)多盤容錯(cuò)的二維混合盤RAID4系統(tǒng)架構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。圖3是現(xiàn)有RAID4系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本專利技術(shù)多盤容錯(cuò)的二維混合盤RAID4系統(tǒng)架構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是本專利技術(shù)中的固態(tài)硬盤整體結(jié)構(gòu)示意圖。圖6是本專利技術(shù)中的多盤容錯(cuò)的二維混合盤RAID4檢錯(cuò)糾錯(cuò)示意圖。圖7是本專利技術(shù)多盤容錯(cuò)的二維混合盤RAID4系統(tǒng)的讀操作方法的流程圖。圖8是本專利技術(shù)多盤容錯(cuò)的二維混合盤RAID4系統(tǒng)的寫操作方法的流程圖。具體實(shí)施例方式為了使本專利技術(shù)的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本專利技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本專利技術(shù)，并不用于限定本專利技術(shù)。圖2為本專利技術(shù)多盤容錯(cuò)的二維混合盤RAID4系統(tǒng)架構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖，傳統(tǒng)的機(jī)械磁盤201和本專利技術(shù)的固態(tài)盤202構(gòu)成一個(gè)二維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本專利技術(shù)提供的多盤容錯(cuò)的二維混合盤RAID4系統(tǒng)如圖4所示，與現(xiàn)有的RAID4系統(tǒng)一樣，均包括RAID4控制器403和盤陣，其中盤陣包括磁盤陣列404和作為校驗(yàn)盤的固態(tài)硬盤405，它們組成一個(gè)二維陣列結(jié)構(gòu)。主機(jī)端服務(wù)器401、302通過(guò)光纖通道406和iSCSI通道407和RAID控制器403相連。對(duì)比圖3，可以發(fā)現(xiàn)本專利技術(shù)中的系統(tǒng)與現(xiàn)有技術(shù)的RAID4系統(tǒng)不同，本專利技術(shù)采用的二維陣列結(jié)構(gòu)具有高容錯(cuò)功能，最少可以容忍同時(shí)三個(gè)磁盤發(fā)生故障。如圖6所示，最壞的情況為三個(gè)出故障的磁盤排成了十字形。其中標(biāo)號(hào)601為出故障的磁盤，602為正常的磁盤，603為本專利技術(shù)中使用的固態(tài)硬盤校驗(yàn)盤。當(dāng)發(fā)現(xiàn)有磁盤出現(xiàn)故障時(shí)，由于奇偶校驗(yàn)的對(duì)稱性，可以先根據(jù)校驗(yàn)盤Cl和I列磁盤其他磁盤數(shù)據(jù)恢復(fù)磁盤01，然后根據(jù)校驗(yàn)盤rl和I行其他詞哦按數(shù)據(jù)恢復(fù)磁盤10，最后根據(jù)校驗(yàn)盤CO或者r0恢復(fù)磁盤00，保證數(shù)據(jù)不丟失。此外本專利技術(shù)中的固態(tài)硬盤具有簡(jiǎn)化IO操作的功能。如圖5所示，改造后的固態(tài)硬盤是在現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)的固態(tài)硬盤控制器中加入了兩個(gè)功能模塊緩存模塊(Data Buffer)4093以及異或模塊4091，其中緩存模塊4093除了作為數(shù)據(jù)的緩沖之外，由于固態(tài)硬盤的寫壽命問(wèn)題，使用性能較好的緩存硬件以及較優(yōu)的寫策略，可以減少對(duì)固態(tài)硬盤的閃存介質(zhì)的寫次數(shù)(在主機(jī)對(duì)相同地址多次寫操作時(shí)，可以在緩存里最終合并成一個(gè)操作并發(fā)送到閃存介質(zhì))，從而延長(zhǎng)固態(tài)硬盤的壽命。另外異或模塊4091是將原來(lái)設(shè)置在RAID控制器中的校驗(yàn)更新模塊改為在固態(tài)硬盤中的現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種多盤容錯(cuò)的二維混合盤RAID4系統(tǒng)架構(gòu)，包括RAID4控制器和盤陣，盤陣包括磁盤陣列和作為校驗(yàn)盤的固態(tài)硬盤，其特征在于，磁盤陣列和固態(tài)硬盤組成二維陣列體系結(jié)構(gòu)，固態(tài)硬盤的控制器中增設(shè)緩存模塊以及異或模塊，緩存模塊用于數(shù)據(jù)的緩沖，異或模塊是在固態(tài)硬盤中的現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列中實(shí)現(xiàn)，用于處理RAID4校驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算。
【技術(shù)特征摘要】
1.一種多盤容錯(cuò)的二維混合盤RAID4系統(tǒng)架構(gòu)，包括RAID4控制器和盤陣，盤陣包括磁盤陣列和作為校驗(yàn)盤的固態(tài)硬盤，其特征在于，磁盤陣列和固態(tài)硬盤組成二維陣列體系結(jié)構(gòu)，固態(tài)硬盤的控制器中增設(shè)緩存模塊以及異或模塊，緩存模塊用于數(shù)據(jù)的緩沖，異或模塊是在固態(tài)硬盤中的現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列中實(shí)現(xiàn)，用于處理RAID4校驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算。2.—種權(quán)利要求1所述的多盤容錯(cuò)的二維混合盤RAID4系統(tǒng)架構(gòu)的讀操作方法，其特征在于，包括以下步驟(1)步驟701，RAID控制器核心模塊的處理線程首先從SCSI命令隊(duì)列中取出讀請(qǐng)求；(2)步驟702，對(duì)該讀請(qǐng)求的讀地址空間按照行優(yōu)先原則，對(duì)條帶進(jìn)行拆分，屬于同一個(gè)讀請(qǐng)求的條帶用隊(duì)列管理起來(lái)；(3)步驟703，RAID控制器的處理線程為每一個(gè)條帶構(gòu)造一個(gè)目標(biāo)端和緩存模塊之間通信的讀命令，并且將命令發(fā)送到緩存模塊；(4)步驟704，接收讀數(shù)據(jù)條帶1、數(shù)據(jù)條帶2、數(shù)據(jù)條帶3的命令，分別從數(shù)據(jù)盤1，數(shù)據(jù)盤2，數(shù)據(jù)盤3中讀出條帶1、條帶2、條帶3，并將條帶數(shù)據(jù)緩沖在緩存模塊中；...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：吳非，謝長(zhǎng)生，周健，周游，陳克，朱勝本，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：華中科技大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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