CN101482802A - 独立磁盘冗余阵列5扩展方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了独立磁盘冗余阵列5扩展方法及装置。方法包括：发现有新磁盘插入RAID5，为该新磁盘的每个条带的分块分配地址，该地址在RAID5的原磁盘的所有分块的地址之后；当新磁盘的分块有数据时，重新计算该分块所在条带的奇偶校验数据。本发明降低了RAID5扩展时的系统资源消耗。

Description

独立磁盘冗余阵列5扩展方法及装置

技术领域

本发明涉及独立磁盘冗余阵列(RAID，Redundant Array of IndependentDisks)技术领域，具体涉及RAID5扩展方法及装置。

背景技术

RAID简称为“磁盘阵列”，RAID技术已广泛应用于数据存储的各种场合，它的原理是利用多个硬盘的组合连成一个阵列，实现以快速、准确和安全的方式来读写磁盘数据，从而达到提高数据读写速度和安全性的一种手段；当一块或多块磁盘出现故障时，数据能够依靠其它的磁盘计算出来，从而不会造成数据的丢失。

其中RAID5最为常见，RAID5阵列是由不少于3块磁盘组成的一个阵列，它以条带的方式向阵列中的磁盘写数据，以XOR检验为冗余方式，奇偶校验数据均匀存放在阵列中的各个磁盘上，对各个数据磁盘的访问为异步操作。这样，任何一个硬盘损坏，都可以根据其它硬盘上的奇偶校验位来重建损坏的数据。其中，奇偶校验数据由每个条带中的数据位使用XOR运算得出，这样在一个磁盘发生损坏时，可以通过条带中的数据位和奇偶校验位使用XOR运算来还原丢失的数据。

以下对RAID中常用的几个概念进行说明：

条带：又称为Stripe；是阵列的不同分区上的位置相关的分块的集合，是组织不同分区上条块的单位。

分区：又称为Extent；是一个磁盘上的地址连续的存储块。一个磁盘可以划分为多个分区，每个分区可以大小不等，有时也称为逻辑磁盘。

分块：又称为Strip；将一个分区分成多个大小相等的、地址相邻的块，这些块称为分块。分块通常被认为是条带的元素。虚拟磁盘以分块为单位将虚拟磁盘的地址映射到成员磁盘的地址。

XOR运算：即异或运算，用于奇偶校验，通常用符号

表示，其运算规则为：

$0\⊕0=0,$ 0同0异或，结果为0

$0\⊕1=1,$ 0同1异或，结果为1

$1\⊕0=1,$ 1同0异或，结果为1

$1\⊕1=0,$ 1同1异或，结果为0

另： $A\&CirclePlus;B=C<=>A\&CirclePlus;C=B<=>B\&CirclePlus;C=A$

图1给出了现有的RAID5阵列存储数据的过程，如图1所示，RAID5阵列由3块磁盘Disk1～3组成，有6个数据块需要写入RAID5，数据块分成3个条带写入磁盘中，其中P1、P2、P3数据块是奇偶校验数据，分别由每个条带中的数据块使用XOR运算得出： $P1=A\&CirclePlus;B,$ $P2=C\&CirclePlus;D,$ $P3=E\&CirclePlus;F.$ 假设Disk1损坏，那么条带1中的数据块A，可以由

得出；条带3中的数据块E，可以由

得出。

由以上可以得知，若RAID5阵列中有n块硬盘，则硬盘的利用率为(n-1)/n，因为：校验数据需要使用一块硬盘的空间。

目前，扩展RAID5阵列的存储空间需要插入硬盘，且需要对整个阵列上的数据进行数据迁移和数据同步。数据迁移是由RAID的性质决定的，一旦插入新磁盘，由于重新生成条带、重新分配地址，所以也必须重新进行数据迁移；需要进行数据同步是因为新条带的数据迁移完成之后，每个条带中原有的校验数据还没有更新，所以需要重新对每个新条带进行校验数据计算，对整个RAID阵列重新计算校验数据的过程也称为同步。图2给出了RAID5阵列扩展时的数据迁移和数据同步过程，如图2所示，设原始RAID5阵列如图1所示，现在需要将硬盘Disk4插入该RAID5阵列中，则：

首先，重新计算条带，原来每个条带由3个分块组成，插入Disk4后，每个条带变为四个分块，相应地，需要对每个条带中的数据块进行迁移，需要迁移的数据块有：C、D、E、F，其中，数据块C由条带2中的Disk2迁移至条带1的Disk4，数据块D由条带2中的Disk3迁移至Disk1，数据块E由条带3中的Disk1迁移至条带2中的Disk2，数据块F由条带3中的Disk3迁移至条带2中的Disk3。

其次，数据块迁移完成后，需要重新计算每个条带的奇偶校验数据P’，如：条带1的 ${P1}^{,}=A\&CirclePlus;B\&CirclePlus;C,$ 条带2的 ${P2}^{,}=D\&CirclePlus;E\&CirclePlus;F.$

现有的RAID5阵列扩展时的数据迁移和数据同步机制的缺点如下：

一、数据迁移和同步速度慢，时间长，影响业务的运行。由于迁移时需要对整个RAID5中的数据进行迁移，时间要比重新建阵列的时间长很多。

二、对存储系统性能影响大。迁移时，需要对每个条带上的数据进行迁移操作，迁移完成之后还需要对每个新条带进行XOR运算来进行同步，严重影响系统性能。

发明内容

本发明提供RAID5扩展方法及装置，以避免RAID5扩展时的数据迁移过程，降低RAID5扩展时的系统资源消耗。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种RAID5扩展方法，该方法包括：

发现有新磁盘插入RAID5，为该新磁盘的每个条带的分块分配地址，该地址在RAID5的原磁盘的所有分块的地址之后，以使得数据先被写入原磁盘，原磁盘写满后再写入新磁盘；

当新磁盘的分块有数据时，重新计算该分块所在条带的奇偶校验数据。

所述当新磁盘的分块有数据时，重新计算该分块所在条带的奇偶校验数据包括：

当发现有新磁盘插入RAID5时，重新计算RAID5的每个条带的奇偶校验数据；且，

当有数据写入新磁盘的分块时，重新计算该分块所在条带的奇偶校验数据。

所述当新磁盘的分块有数据时，重新计算该分块所在条带的奇偶校验数据包括：

当发现有新磁盘插入RAID5时，对于RAID5的每个条带，若该条带中至少有一个原磁盘分块已写入数据，则重新计算该条带的奇偶校验数据；且，

当有数据写入新磁盘的分块时，重新计算该分块所在条带的奇偶校验数据。

所述为该新磁盘的每个条带的分块分配地址进一步包括：将该新磁盘的所有分块都初始化为0；

所述当新磁盘的分块有数据时，重新计算该分块所在条带的奇偶校验数据包括：当有数据写入新磁盘的分块时，重新计算该分块所在条带的奇偶校验数据。

一种RAID5扩展装置，该装置包括：

数据同步模块，发现有新磁盘插入RAID5，为该新磁盘的每个条带的分块分配地址，该地址在RAID5的原磁盘的所有分块的地址之后，以使得数据先被写入原磁盘，原磁盘写满后再写入新磁盘；

奇偶校验模块，当新磁盘的分块有数据时，重新计算该分块所在条带的奇偶校验数据。

所述数据同步模块包括：地址分配模块和初始化模块，其中：

地址分配模块，发现有新磁盘插入RAID5，为该新磁盘的每个条带的分块分配地址，该地址在RAID5的原磁盘的所有分块的地址之后；

初始化模块，发现有新磁盘插入RAID5，将该新磁盘的所有分块都初始化为0；

且，所述奇偶校验模块在发现有数据写入新磁盘的分块时，重新计算该分块所在条带的奇偶校验数据。

与现有技术相比，本发明中，发现有新磁盘插入RAID5时，为该新磁盘的每个条带的分块分配地址，该地址在RAID5的原磁盘的所有分块的地址之后，以使得数据先被写入原磁盘，原磁盘写满后再写入新磁盘；当新磁盘的分块有数据时，重新计算该分块所在条带的奇偶校验数据。本发明在扩展RAID5时，优先保证了业务的连续性，可以实现即插即用；无需进行数据迁移，降低了系统资源消耗。

另外，本发明实施例中，发现有新磁盘插入RAID5时，进一步将该新磁盘的所有分块都初始化为0，这样无需重新计算各条带的奇偶校验数据，不会对系统性能产生影响，且兼具冗余性。

附图说明

图1为现有的RAID5阵列存储数据的过程图；

图2为现有的RAID5阵列扩展时的数据迁移和数据同步过程示例图；

图3为本发明实施例一提供的RAID5扩展流程图；

图4为本发明实施例二提供的RAID5扩展流程图；

图5-1为本发明实施例提供的RAID5扩展应用示例图一；

图5-2为本发明实施例提供的RAID5扩展应用示例图二；

图5-3为本发明实施例提供的RAID5扩展应用示例图三。

具体实施方式

本发明的核心思想是：当有新磁盘插入RAID5时，数据先写入RAID5的原磁盘中，原磁盘写满后再写入新磁盘中，以避免数据迁移。

下面结合附图及具体实施例对本发明再作进一步详细的说明。

图3为本发明实施例一提供的RAID5扩展流程图，如图3所示，其具体步骤如下：

步骤301：发现在RAID5中插入新磁盘，为该新磁盘的每个条带的分块分配地址，每个分块的地址在RAID5的原磁盘的所有分块的地址之后。

例如：新磁盘的第一个分块地址为原磁盘的最后一个分块的地址+N获得，N为正整数，新磁盘的后续分块的地址依次递加。将新磁盘的每个条带的分块的地址设置在原磁盘的所有分块的地址之后，是为了使得：当有数据写入时，若原磁盘未满，该数据会被先写入原磁盘，原磁盘满后，数据才会被写入新磁盘。

步骤302：发现有数据块写入新磁盘的分块中，重新计算该分块所在条带的奇偶校验数据。

在本实施例中，当发现RAID5中插入新磁盘时，由于新磁盘中的每个分块通常都不为0，因此，可对RAID5的每个条带的奇偶校验数据进行更新，更新方法有两种：

一种是，当发现RAID5中插入新磁盘时，对RAID5的所有条带都重新计算一次奇偶校验数据。此后，当有数据写入某个条带时，无论是写入该条带的原磁盘分块还是新磁盘分块，都需要重新计算该条带的奇偶校验数据。

另一种是，当发现RAID5中插入新磁盘时，对于RAID5的每个条带，判断该条带的所有原磁盘分块中，是否至少有一个分块已有数据写入，若是，重新计算该条带的奇偶校验数据；否则，不需重新计算该条带的奇偶校验数据。且，此后，当有数据写入某个条带时，无论是写入该条带的原磁盘分块还是新磁盘分块，都需要重新计算该条带的奇偶校验数据。

图4为本发明实施例二提供的RAID5扩展流程图，如图4所示，其具体步骤如下：

步骤401：发现在RAID5中插入新磁盘，为该新磁盘的每个条带的分块分配地址，每个分块的地址在RAID5的原磁盘的所有分块的地址之后。

步骤402：将新磁盘的所有分块都初始化为0。

将新磁盘的所有分块都初始化为0，这是利用了XOR的一个特性：0与任何数的异或结果都为该数本身。这样，在插入新磁盘后，在没有数据写入新磁盘的分块时，就无需对该分块所在条带的奇偶校验数据进行修改。

通过步骤401～402，RAID5的数据同步已经完成，之后，若有新数据写入，则若原磁盘未满，该数据会写入原磁盘中，若原磁盘已满，则该数据会写入新磁盘中。

步骤403：发现有数据块写入新磁盘的分块中，重新计算该分块所在条带的奇偶校验数据。

图3所示步骤301～302、图4所述步骤401～403的执行主体可为RAID5中的磁盘控制单元。

图5为应用本发明实施例二的一个具体例子：

如图5-1所示，初始时，RAID5由3块磁盘disk1～3组成，有两个数据块A、B被写入条带1，其中，A被写入Disk1，B被写入Disk2，条带1的校验块P1位于Disk3上，设Disk1～3的最后一个分块的地址为12。

之后，如图5-2所示，新磁盘Disk4被插入RAID5，为Disk4的每个条带的分块分配地址，其中，条带1的分块的地址为100，条带2的分块的地址为101，依此类推。然后，将Disk4的所有条带的分块都初始化为0。

如图5-3所示，当此后有数据块要写入时，按照分块的地址，该数据块会先被写入Disk1～3，Disk1～3写满后，再写入Disk4，且当数据块写入Disk4的分块后，要重新计算该分块所在条带的奇偶校验数据如：P1’＝A⊕B⊕I。

以下给出本发明实施例一提供的RAID5扩展装置，该装置主要包括：数据同步模块和奇偶校验模块，其中：

数据同步模块：当发现有新磁盘插入RAID5时，为该新磁盘的每个条带的分块分配地址，该地址在RAID5的原磁盘的所有分块的地址之后，以使得数据先被写入原磁盘，原磁盘写满后再写入新磁盘。

奇偶校验模块：当发现有新磁盘插入RAID5时，重新计算RAID5的每个条带的奇偶校验数据；且，当有数据写入新磁盘的分块时，重新计算该分块所在条带的奇偶校验数据。或者，

当发现有新磁盘插入RAID5时，对于RAID5的每个条带，若该条带中至少有一个原磁盘分块已写入数据，则重新计算该条带的奇偶校验数据；且，当有数据写入新磁盘的分块时，重新计算该分块所在条带的奇偶校验数据。

以下给出本发明实施例二提供的RAID5扩展装置，该装置也主要包括：数据同步模块和奇偶校验模块，其中：数据同步模块又可包括：地址分配模块和初始化模块，各模块的功能如下：

地址分配模块：发现有新磁盘插入RAID5，为该新磁盘的每个条带的分块分配地址，该地址在RAID5的原磁盘的所有分块的地址之后。

初始化模块：发现有新磁盘插入RAID5，将该新磁盘的所有分块都初始化为0。

奇偶校验模块：当有数据写入新磁盘的分块时，重新计算该分块所在条带的奇偶校验数据。

以上所述仅为本发明的过程及方法实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1、一种独立磁盘冗余阵列RAID5扩展方法，其特征在于，该方法包括：

发现有新磁盘插入RAID5，为该新磁盘的每个条带的分块分配地址，该地址在RAID5的原磁盘的所有分块的地址之后，以使得数据先被写入原磁盘，原磁盘写满后再写入新磁盘；

当新磁盘的分块有数据时，重新计算该分块所在条带的奇偶校验数据。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述当新磁盘的分块有数据时，重新计算该分块所在条带的奇偶校验数据包括：

当发现有新磁盘插入RAID5时，重新计算RAID5的每个条带的奇偶校验数据；且，

当有数据写入新磁盘的分块时，重新计算该分块所在条带的奇偶校验数据。

3、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述当新磁盘的分块有数据时，重新计算该分块所在条带的奇偶校验数据包括：

当发现有新磁盘插入RAID5时，对于RAID5的每个条带，若该条带中至少有一个原磁盘分块已写入数据，则重新计算该条带的奇偶校验数据；且，

当有数据写入新磁盘的分块时，重新计算该分块所在条带的奇偶校验数据。

4、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述为该新磁盘的每个条带的分块分配地址进一步包括：将该新磁盘的所有分块都初始化为0；

所述当新磁盘的分块有数据时，重新计算该分块所在条带的奇偶校验数据包括：当有数据写入新磁盘的分块时，重新计算该分块所在条带的奇偶校验数据。

5、一种RAID5扩展装置，其特征在于，该装置包括：

数据同步模块，发现有新磁盘插入RAID5，为该新磁盘的每个条带的分块分配地址，该地址在RAID5的原磁盘的所有分块的地址之后，以使得数据先被写入原磁盘，原磁盘写满后再写入新磁盘；

奇偶校验模块，当新磁盘的分块有数据时，重新计算该分块所在条带的奇偶校验数据。

6、如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述数据同步模块包括：地址分配模块和初始化模块，其中：

地址分配模块，发现有新磁盘插入RAID5，为该新磁盘的每个条带的分块分配地址，该地址在RAID5的原磁盘的所有分块的地址之后；

初始化模块，发现有新磁盘插入RAID5，将该新磁盘的所有分块都初始化为0；

且，所述奇偶校验模块在发现有数据写入新磁盘的分块时，重新计算该分块所在条带的奇偶校验数据。

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