CN101546249A - 磁盘阵列在线容量扩展方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种磁盘阵列在线容量扩展方法，包括：接收磁盘阵列容量扩展的信息；根据磁盘阵列容量扩展的信息的指示，将添加的磁盘绑定到原磁盘阵列中得到新的磁盘阵列，其中，保持原磁盘阵列的数据块分布方式，并且添加的磁盘的数据块接着原磁盘阵列的最后一个数据块进行编号；通过新的磁盘阵列的数据块分布方式计算新的磁盘阵列的数据块的逻辑地址到物理地址的映射。本发明实现了磁盘阵列在线扩展容量。

Description

磁盘阵列在线容量扩展方法

技术领域

本发明涉及计算机存储领域，具体而言，涉及一种磁盘阵列在线容量扩展方法。

背景技术

磁盘阵列容量扩展技术在磁盘阵列的应用中具有重要的实用价值。它能方便地扩展存储体-磁盘阵列的容量，而不用破坏原存储体上的数据。目前，磁盘阵列容量扩展技术被广泛地应用到各种磁盘阵列存储系统中。

磁盘阵列容量扩展分为在线扩展和离线扩展两种方法，其区别在于容量扩展的同时允不允许用户访问数据。保持原有磁盘存储的数据不被损坏是容量扩展的前提。通常用户会为RAID(RedundantArray of Independent Disk，独立磁盘冗余阵列)设备准备新的磁盘，绑定到磁盘阵列中，供磁盘阵列使用。由于磁盘阵列特殊的数据分布方式和容错机制，使得容量扩展不仅仅是将磁盘绑定到阵列中，还要求阵列能够按照一定的RAID算法实现数据分布。其次还要考虑到对于有容错能力的阵列容量扩展，有磁盘失效时，数据要仍然能够恢复出来，也就是说同一条带内的数据与校验要一致。对于有容错级别的阵列，容量扩展之前的阵列有D个磁盘组成，阵列系统会将这些磁盘按块大小分成相同个数的数据块，通常称为chunk。对于有冗余校验数据的级别阵列，阵列系统会将磁盘同一偏移位置的chunk组成条带stripe。一个条带是一组数据-校验组，该组的校验块由该组内所有数据计算生成。它是在各磁盘同一偏移位置的数据块组成一个数据-校验组，该组内一定数目的数据块失效时可以通过存储的数据和校验恢复出来。某一条带内的校验由该条带内各磁盘上的数据按照校验算法生成。对于RAID1，采用直接镜像存储数据；对于RAID5，则是同一条带内各数据块异或产生校验数据；对于RAID6的第二校验则有多种产生方法，熟知的为采用ReedSolomon编码的方法产生。这样当有数据块丢失时，通过剩余数据和校验，可以通过校验逆运算方法恢复数据。

鉴于容量扩展对于用户的重要性，目前存储系统都提供在线容量扩展功能，但是采用的方法主要是直接的数据搬移和利用空闲空间暂时存储数据达到搬移数据的目的。这两个过程都会集中产生大量与用户请求不相关的读写操作。对于磁盘阵列，这样大量的读写必然会对磁盘使用寿命产生影响。磁盘在这种高负荷情况下长时间工作，其损坏的概率大大增加。这对于磁盘阵列是非常不利的。常用的扩容方法是采用直接的数据搬移。如图1所示，为一种RAID5数据分布方式，在该方式下，磁盘被分为同样大小的条带，条带内每个数据块通常为4kB。磁盘上的一个块大小为用户指定的chunksize大小。数据块分布先按列再按行依次存放。磁盘上每个条带的第一个数据块从校验块后面的第一个块开始编号，依次存放逻辑块。校验在各磁盘中螺旋分布，数据块按照空闲块依次编号，每一条带的第一个数据块从校验块后面的第一个块开始的编号，依次编完同一行的数据块。校验块是同一条带数据异或的值。按照图1所示的数据块分布方式，当需要容量扩展时，其采用的方法是依次读出各数据块，按照新的数据分布方式计算其该写入的位置，然后写到相应的磁盘扇区上。

图2示出了一种RAID5容量扩展方法。容量扩展时，按照图中所示数据分布，将原阵列的所有数据块读出来，条带搬移数据块重新组成条带，计算校验。然后将组成的新条带写入磁盘对应位置。该方法是比较基本的容量扩展思想，按照原来数据的分布方法重新分布数据，将数据按照新的配置搬移到相应的位置。但是此方法在容量扩展进行时，系统发起大量的读写请求，磁盘I/O带宽基本上被全部占用，用户的数据请求速度受到严重影响。系统响应速度变得很慢，数据请求时间变长，效率低下。

在一种现有技术中，并且为了保证数据迁移过程中条带数据、校验不一致的区域数据安全，将数据校验不一致区域拷贝到原阵列和新磁盘尾端暂存，加强了实施条件。

在另一种现有技术中，通过配置一个不小于原阵列的新阵列，读取数据写到临时阵列上去，然后调整阵列，释放临时阵列，进行容量扩展；其次还提出了解决正常读写与迁移数据读写冲突解决办法。

在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：在容量扩展中都需要数据迁移，并且需要分配空间临时存储磁盘数据，造成了用户请求响应速度慢的问题。

发明内容

本发明旨在提供一种磁盘阵列在线容量扩展方法，以解决现有技术中容量扩展效率较低的问题。

在本发明的实施例中，提供了一种磁盘阵列在线容量扩展方法，包括：接收磁盘阵列容量扩展的信息；根据磁盘阵列容量扩展的信息的指示，将添加的磁盘绑定到原磁盘阵列中得到新的磁盘阵列，其中，保持原磁盘阵列的数据块分布方式，并且添加的磁盘的数据块接着原磁盘阵列的最后一个数据块进行编号；通过新的磁盘阵列的数据块分布方式计算新的磁盘阵列的数据块的逻辑地址到物理地址的映射。

优选的，该方法还包括：根据新的磁盘阵列的数据块的逻辑地址到物理地址的映射关系处理数据的读/写操作请求。

优选的，该方法还包括：创建对应于新的磁盘阵列的条带的位图，所有的位图构成位图组，位图的初始值为0；位图的值为0表示位图对应的数据和校验为不一致状态，生成条带校验块的数据块为原磁盘阵列数据块；位图的值为1表示位图对应的数据和校验为一致状态，生成条带校验块的数据块为新的磁盘阵列数据块；其中，校验块设置于原磁盘阵列中。

优选的，如果在容量扩展时没有磁盘失效，该方法进一步包括：如果位图的值为0，在写操作时计算校验数据，并将校验数据写入相对应的校验块，修改写操作所在条带对应的位图的值为1，其中，校验数据由写操作所在的条带对应的数据块以及所写的数据生成。

优选的，如果在容量扩展时有磁盘失效，该方法进一步包括：如果失效磁盘的条带对应的位图值为0，则根据原磁盘阵列配置参数和条带内的原磁盘阵列的数据块以及校验块恢复条带内丢失的数据；以及如果失效磁盘的条带对应的位图值为1，则根据新的磁盘阵列配置参数和条带内有效的所有数据块和校验块恢复条带内丢失的数据。

优选的，如果在容量扩展时有磁盘失效，该方法进一步包括：记录失效磁盘在磁盘阵列中的位置，当进行读/写操作或者有备用磁盘时，恢复丢失的数据块。

优选的，该方法进一步包括：如果位图组不是所有值都为1，则维持容量扩展的状态，按容量扩展状态处理读/写操作请求；

优选的，当新的磁盘阵列空闲时，重新计算不为1的位图值所对应的条带的校验数据，将校验数据写入相对应的校验块，并修改条带对应的位图的值为1。

优选的，该方法进一步包括：如果位图组的所有值为1，则容量扩展完成，释放位图组所占资源。

上述实施例的磁盘阵列在线容量扩展方法因为采用了在线扩展磁盘容量的方式，所以克服了现有技术中容量扩展效率较低的问题，进而提高了磁盘容量扩展速度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了现有技术一种基于RAID5的数据、校验分布方式示意图；

图2示出了现有技术一种基于RAID5容量扩展后的数据分布方式示意图；

图3示出了根据本发明实施例的磁盘阵列在线容量扩展方法的流程图；

图4示出了根据本发明实施例的容量扩展后的数据分布方式示意图；

图5示出了根据本发明实施例的容量扩展时的位图组示意图；

图6示出了根据本发明实施例的基于RAID5按照本发明容量扩展后的数据分布方式；

图7示出了根据本发明实施例的容量扩展时没有磁盘失效读数据流程图；

图8示出了根据本发明实施例的容量扩展时没有磁盘失效写数据流程图；

图9示出了根据本发明实施例的容量扩展时有磁盘失效读写数据流程图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

本发明的实施例提出了一种磁盘阵列在线容量扩展方法，如图3所示，包括：

步骤S302，接收磁盘阵列容量扩展的信息；

步骤S304，根据磁盘阵列容量扩展的信息的指示，将添加的磁盘绑定到原磁盘阵列中得到新的磁盘阵列，其中，保持原磁盘阵列的数据块分布方式，并且添加的磁盘的数据块接着原磁盘阵列的最后一个数据块进行编号；

步骤S306，通过新的磁盘阵列的数据块分布方式计算新的磁盘阵列的数据块的逻辑地址到物理地址的映射。

优选的，该方法还包括：根据新的磁盘阵列的数据块的逻辑地址到物理地址的映射关系处理数据的读/写操作请求。

优选的，该方法还包括：创建对应于新的磁盘阵列的条带的位图，所有的位图构成位图组，位图的初始值为0；位图的值为0表示位图对应的数据和校验为不一致状态，生成条带校验块的数据块为原磁盘阵列数据块；位图的值为1表示位图对应的数据和校验为一致状态，生成条带校验块的数据块为新的磁盘阵列数据块；其中，校验块设置于原磁盘阵列中。

优选的，如果在容量扩展时没有磁盘失效，该方法进一步包括：如果位图的值为0，在写操作时计算校验数据，并将校验数据写入相对应的校验块，修改写操作所在条带对应的位图的值为1，其中，校验数据由写操作所在的条带对应的数据块以及所写的数据生成。

优选的，如果在容量扩展时有磁盘失效，该方法进一步包括：如果失效磁盘的条带对应的位图值为0，则根据原磁盘阵列配置参数和条带内的原磁盘阵列的数据块以及校验块恢复条带内丢失的数据；以及如果失效磁盘的条带对应的位图值为1，则根据新的磁盘阵列配置参数和条带内有效的所有数据块和校验块恢复条带内丢失的数据。

优选的，如果在容量扩展时有磁盘失效，该方法进一步包括：记录失效磁盘在磁盘阵列中的位置，当进行读/写操作或者有备用磁盘时，恢复丢失的数据块。

优选的，该方法进一步包括：如果位图组不是所有值都为1，则维持容量扩展的状态，按容量扩展状态处理读/写操作请求；

优选的，当新的磁盘阵列空闲时，重新计算不为1的位图值所对应的条带的校验数据，将校验数据写入相对应的校验块，并修改条带对应的位图的值为1。

优选的，该方法进一步包括：如果位图组的所有值为1，则容量扩展完成，释放位图组所占资源。

图4示出了根据本发明实施例的容量扩展后的数据分布方式，如图所示，原磁盘阵列磁盘个数为D个，校验块个数为n个，容量扩展新添加的磁盘个数为X个，共有k个条带。原磁盘阵列的最后一个数据块编号为C。容量扩展时，使新加磁盘的第一个数据块紧接着原阵列最后一个数据块进行编号，所有新磁盘上的数据块依次分散存放到各个新加磁盘上。新添加的磁盘的第一个数据块为C+1，第二个磁盘第一个数据块为C+2，第X个磁盘第一个数据块为C+X，这样新磁盘阵列的第0个条带的数据块为第0号数据块，第1号数据块，......，第D-Np-1号数据块，第C+1号数据块，第C+2号，......，第C+X号数据块，生成校验块P1，P2，......，Pn个校验块。依次类推。按照本发明所示的数据分布方法，原磁盘的最后一个数据块编号为C，它是第D-1块磁盘偏移量为k的数据块，也是第D-1个磁盘的最后一个数据块。容量扩展之后新添加的磁盘从第C+1个数据块205到最后一个第C+(k+1)X个数据块，共(k+1)X个数据块分布在新添加的磁盘上。

图5示出了根据本发明实施例的容量扩展时的位图组示意图，在容量扩展命令启动时，为所有条带创建一组位图。位图中每一个bit(位)对应一个条带。磁盘阵列初始化时，该位图中所有的值设置为0。

位图值为0则表示该位图所对应的条带校验处于不一致状态，其校验值为原磁盘阵列的条带数据块计算所得，即原阵列条带数据和校验处于一致；位图值为1则表示容量扩展后的磁盘阵列的条带(第4条带)数据、校验处于一致状态，校验由新条带所有数据计算得到。

图6示出了根据本发明实施例的基于RAID5的容量扩展后的数据分布方式，RAID5校验个数为一个异或校验。容量扩展添加两个磁盘。对于原阵列第0条带601包含第0数据块，第1数据块，第2数据块和P校验数据块。而容量扩展后的第0条带602除了包含原第0条带的所有数据块和校验块外还包括第C数据块和第C+1数据块。每个条带对应于位图组中的一位，该位标识当前该条带是原条带数据-校验组有效，或者是新条带数据-校验组有效。

图7示出了根据本发明实施例的容量扩展时没有磁盘失效的情况读数据流程，包括以下步骤：

步骤S702，判断所读扇区位于原阵列数据区域还是新阵列数据区域，不同区域所使用的逻辑地址到物理地址映射关系不同。

步骤S704至S706，所读扇区位于新磁盘阵列，按照新数据区域逻辑地址到物理地址的映射方法读数据，对于在新添加磁盘上的数据，编号为R的逻辑扇区，其所在的磁盘序号为D-1+(R-C)％X，所在磁盘的偏移位置为[(R-C)/X]。

步骤S708，所读扇区位于原磁盘阵列，按照原磁盘阵列映射方式读数据。

图8示出了根据本发明实施例的容量扩展时没有磁盘失效的情况写数据流程。图中对于写，不论是写原阵列数据还是写新区域的数据，都按新条带数据-校验重新计算该条带校验块。这样有利于达到所有条带校验、数据一致。该流程包括以下步骤：

步骤S802，判断所写扇区位于原阵列数据区域还是新阵列数据区域，不同区域所使用的逻辑地址到物理地址映射关系不同。

步骤S804，所写扇区位于新磁盘阵列，按照新数据区域逻辑地址到物理地址的映射方法读数据。

步骤S806，所写扇区位于原磁盘阵列，按照原数据区域逻辑地址到物理地址的映射方法读数据。

步骤S808，读出该条带内除所写磁盘外其他所有磁盘上的数据。

步骤S810，以所写磁盘数据和读出的数据计算生成新的效验。

步骤S812，将要写的数据，生成的效验数据写入对应磁盘。

步骤S814，在写完数据更新校验后，置该条带对应的位图值为1。

图9示出了根据本发明实施例的容量扩展时有磁盘失效的情况读写数据流程。恢复数据使用一致的条带数据。根据条带位图值，确定是原条带数据-校验一致，还是新条带数据-校验一致。在数据-校验一致的条带中，n个校验最多可以恢复n个数据块。恢复丢失数据使用校验和剩余数据参与计算，仿照解方程的方式解出丢失的数据值。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述实施例的优点在于：

1)在容量扩展时维持原磁盘阵列数据分布方式不变，容量扩展过程中不需要搬移数据。对于容量扩展过程中的读写，能迅速做出响应，提高磁盘阵列在容量扩展过程中的读写性能。

2)在不需要搬移数据的同时，对于新写入的数据仍然保持一定程度上的分散存放，磁盘阵列读写新写入数据时仍然能够并行操作，保持磁盘阵列的高I/O速度。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种磁盘阵列在线容量扩展方法，其特征在于，包括以下步骤：

接收磁盘阵列容量扩展的信息；

根据所述磁盘阵列容量扩展的信息的指示，将添加的磁盘绑定到原磁盘阵列中得到新的磁盘阵列，其中，保持所述原磁盘阵列的数据块分布方式，并且所述添加的磁盘的数据块接着所述原磁盘阵列的最后一个数据块进行编号；

通过所述新的磁盘阵列的数据块分布方式计算所述新的磁盘阵列的数据块的逻辑地址到物理地址的映射。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

根据所述新的磁盘阵列的数据块的逻辑地址到物理地址的映射关系处理数据的读/写操作请求。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括：

创建对应于所述新的磁盘阵列的条带的位图，所有的位图构成位图组，所述位图的初始值为0；

所述位图的值为0表示所述位图对应的数据和校验为不一致状态，生成所述条带校验块的数据块为所述原磁盘阵列数据块；

所述位图的值为1表示所述位图对应的数据和校验为一致状态，生成所述条带校验块的数据块为所述新的磁盘阵列数据块；

其中，所述校验块设置于所述原磁盘阵列中。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，如果在容量扩展时没有磁盘失效，所述方法进一步包括：

如果所述位图的值为0，在写操作时计算校验数据，并将所述校验数据写入相对应的校验块，修改所述写操作所在条带对应的位图的值为1，其中，所述校验数据由所述写操作所在的条带对应的数据块以及所写的数据生成。

5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，如果在容量扩展时有磁盘失效，所述方法进一步包括：

如果失效磁盘的条带对应的位图值为0，则根据所述原磁盘阵列配置参数和所述条带内的所述原磁盘阵列的数据块以及校验块恢复所述条带内丢失的数据；以及

如果失效磁盘的条带对应的位图值为1，则根据所述新的磁盘阵列配置参数和条带内有效的所有数据块和校验块恢复所述条带内丢失的数据。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，如果在容量扩展时有磁盘失效，所述方法进一步包括：

记录失效磁盘在磁盘阵列中的位置，当进行读/写操作或者有备用磁盘时，恢复丢失的数据块。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：

如果所述位图组不是所有值都为1，则维持容量扩展的状态，按容量扩展状态处理读/写操作请求；

当所述新的磁盘阵列空闲时，重新计算不为1的位图值所对应的条带的校验数据，将所述校验数据写入相对应的校验块，并修改所述条带对应的位图的值为1。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：

如果位图组的所有值为1，则容量扩展完成，释放位图组所占资源。

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