CN101604226A - 一种基于虚拟raid构建动态缓存池提高存储系统性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于虚拟RAID构建动态缓存池提高存储系统性能的方法，该存储系统构成包括：物理存储设备，存储阵列，存储阵列管理台，虚拟RAID，虚拟缓存池。构建步骤包括：设定虚拟缓存池策略；创建虚拟RAID，创建块设备映射表。创建虚拟缓存池，创建虚拟RAID映射表。提取热点数据到缓存池，创建虚拟缓存池映射表；定时更新热点数据，修改热点数据映射表；清空虚拟缓存池。修改虚拟RAID，修改块设备映射表。修改虚拟缓存池，修改虚拟RAID映射表。本发明的方法优点是，在不占用系统有限设备槽位不增加硬件成本的前提下，有效解决缓存容量不足导致的系统性能下降问题。
Description
技术领域
本发明涉及计算机以及网络信息技术领域，特别涉及一种基于虚拟RAID构建动态缓存池提高存储系统性能和可靠性的方法。
技术背景
当前存储阵列一般都有2G-4G左右的系统缓存。通过Cache可以快速读写数据，能够有效提高系统的输入输出性能。Cache容量与下一级存储器即磁盘阵列的容量相比是很小的，一般不超过0.1％，它保存的只是下一级存储器内容的一个子集。缓存的性能虽然非常快，但其容量相对于多媒体数据来说并不足够大，在很快写满缓存以后，速度立即衰减到实际操作磁盘的速度。
当面临多媒体类业务时，存储阵列的性能将远远不能满足实际业务的需求。目前的解决办法是通过扩大系统物理内存暂时缓解性能瓶颈，此方法会大大增加硬件的整体成本，同时系统硬件设计上也不允许无限制的增加物理内存。此种方法在一般存储阵列上最大也只能扩展到64G左右。而业界单块SATA硬盘的存储容量已经到达1TB，单个阵列容量已经到达30TB左右，此种缓存扩展方法实现的缓存比率也只能到达0.2％左右。
鉴于现有技术的不足，人们希望有一种能够提高存储阵列缓存比率，并同时提高系统性能和可靠性的方法。
发明内容
本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，解决存储系统在大负载情况下缓存不足所带来的性能和可靠性问题，提供一种在不增加成本的前提下，大大提高系统性能，提高存储阵列的负载承受能力，同时保证频繁读写数据的可靠性测方法。
为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案。系统包括：存储阵列，存储阵列管理台，虚拟缓存池，块设备映射表，虚拟RAID映射表和热点数据映射表，由一个阵列控制器来控制多个物理存储设备的相互连接，使多个物理存储设备的读写同步进行，同时将物理存储设备的存储空间以一个或多个虚拟磁盘的形式提供给主机，其中：
物理存储设备，用于构建虚拟RAID的物理资源的单位，通常意义上是SATA磁盘或固态硬盘设备；
存储阵列管理台，是接受管理员指令进行阵列虚拟缓存管理的功能模块；
虚拟RAID，在每块物理存储设备上划分一个分区，由多个物理存储设备的分区创建虚拟的RAID，存储系统热点数据；
虚拟缓存池，利用系统物理存储设备构建的不同RAID等级的虚拟RAID空间；
块设备映射表，处于存储管理台内，是记录虚拟RAID与物理存储设备(磁盘)之间映射关系的对照表。一个虚拟RAID可包含多个物理存储设备；
虚拟RAID映射表，处于存储管理台内，是记录虚拟缓存池与虚拟RAID之间映射关系的对照表。虚拟缓存池在一个存储系统中只有一个，但一个虚拟缓存池可包含多个虚拟RAID；
热点数据映射表，处于存储管理台内，是记录缓存池空间与热点数据或分区之间映射关系的对照表；
构建虚拟RAID的动态虚拟缓存池及管理方法，包括如下步骤：
设定虚拟缓存池策略：管理员在管理台上指定虚拟RAID占用的物理存储设备空间比率，并选择期望的性能加速策略；
创建虚拟RAID，创建块设备映射表：管理台根据管理员设定，计算出最佳的虚拟RAID等级和空间大小，并在阵列现有的所有物理存储设备上划分一定空间创建指定级别的虚拟RAID，并在系统中建立块设备映射表；
创建虚拟缓存池，创建虚拟RAID映射表：管理台把所有的虚拟RAID纳入虚拟缓存池，并建立虚拟RAID映射表；
提取热点数据到缓存池，创建虚拟缓存池映射表；管理台根据访问频度把热点数据调入虚拟缓存池，并创建虚拟缓存池映射表；
更新热点数据，修改热点数据映射表；每隔一定时间管理台重新评定热点数据和分区，迁出非热点数据和分区，迁入新热点数据和分区，并更新热点数据映射表；
清空虚拟缓存池：当系统关机的时候，管理台自动把热点数据转移到实际物理存储单元。
当物理存储设备发生变化时：
修改虚拟RAID，修改块设备映射表：新加物理存储设备的时候，管理台把新加物理设备纳入管理范围，添加进虚拟RAID中，实现虚拟RAID扩容和性能加速，移除物理设备的时候则进行反向操作；
修改虚拟缓存池，修改虚拟RAID映射表，当创建新的虚拟RAID的时候，管理台更新虚拟RAID映射表，把新加虚拟RAID纳入虚拟缓存池，实现虚拟缓存池扩容和缓存性能加速，移除虚拟RAID的时候则进行反向操作。
与现有技术相比，本发明的优异效果是：
1)本发明无需增加硬件购置成本，即可大大提高现有存储阵列的性能。为保证性能而创建的虚拟RAID类型可靠性，通常高于用户用于存储数据的RAID等级，所以本方法可以在一定程度上提高数据可靠性。
2)本方法用到的物理存储设备可以是SATA、SAS物理磁盘，也可以是SSD固态硬盘，适应范围广。
3)本方法可以在线扩展虚拟RAID，扩展虚拟存储池的容量，具有很好的扩展性。
附图说明
附图1是基于虚拟RAID构建动态虚拟缓存池提高存储系统性能和可靠性的工作示意图；
具体实施方式
参照附图，对本发明的方法作以下详细的说明。
如附图1所示，本发明的一种基于虚拟RAID构建动态缓存池提高存储系统性能和可靠性的方法，系统结构包括：存储阵列，存储阵列管理台，虚拟缓存池，块设备映射表，虚拟RAID映射表和热点数据映射表，其中：
存储阵列，由一个阵列控制器来控制多个物理存储设备(如磁盘)的相互连接，使多个物理存储设备的读写同步，减少错误，增加效率和可靠度的存储设备，可将物理存储设备的存储空间以一个或多个虚拟磁盘的形式提供给主机。
物理存储设备，用于构建虚拟RAID的物理资源的单位，通常意义上是块设备；
存储阵列管理台，是接受管理员指令进行阵列虚拟缓存管理的功能模块；
虚拟RAID，在每块物理存储设备上划分一个分区，由多个物理存储设备的分区创建虚拟的RAID，存储系统热点数据；
虚拟缓存池，利用系统物理存储设备构建的不同RAID等级的虚拟RAID空间；
块设备映射表，处于存储管理台内，是记录虚拟RAID与物理存储设备(磁盘)之间映射关系的对照表；
虚拟RAID映射表，处于存储管理台内，是记录虚拟缓存池与虚拟RAID之间映射关系的对照表；
热点数据映射表，处于存储管理台内，是记录缓存池空间占用与热点数据或分区之间映射关系的对照表。
在本方案中，虚拟缓存池由至少一个虚拟RAID构成，并建立映射表；一个存储阵列只有一个缓存池，一个缓存池可以包含多个不同RAID等级的虚拟RAID。
在本方案中，进一步地，虚拟RAID是构建在系统中的物理磁盘的一个独立分区上，且至少由一个分区构成。
在本方案中，进一步地，系统自动计算热点数据或分区，并把热点数据自动迁入和迁出虚拟缓存。
构建基于虚拟RAID的动态虚拟缓存池及其管理方法，包括如下步骤：
1)设定虚拟缓存池策略：管理员在管理台上指定虚拟RAID占用的物理存储设备空间比率，并选择期望的性能加速策略；
2)创建虚拟RAID，创建块设备映射表：管理台根据管理员设定，计算出最佳的虚拟RAID等级和空间大小，并在阵列现有的所有物理存储设备上划分一定空间创建指定级别的虚拟RAID，并在系统中建立块设备映射表。
3)创建虚拟缓存池，创建虚拟RAID映射表：管理台把所有的虚拟RAID纳入虚拟缓存池，并建立虚拟RAID映射表。
4)提取热点数据到缓存池，创建虚拟缓存池映射表；管理台根据访问频度把热点数据调入虚拟缓存池，并创建虚拟缓存池映射表。
5)更新热点数据，修改热点数据映射表；每隔一定时间管理台重新评定热点数据和分区，迁出非热点数据和分区，迁入新热点数据和分区，并更新热点数据映射表。
6)清空虚拟缓存池：当系统关机的时候，管理台自动把热点数据转移到实际物理存储单元。
在本方案中，进一步地，如步骤1)中所述的性能加速策略包括随机读写加速、顺序读写加速等策略。对于随机读写加速，系统将可选创建虚拟RAID50，在提供更好随机读写性能的基础上，提供更好的可靠性，可以容忍两块磁盘失效，但并没有增加系统奇偶校验负担。对于顺序读写加速策略，系统将可选创建虚拟RAID10，多数情况下，RAID10能够承受多个磁盘出现故障的情况，因此更能保证系统的正常运行，且其数据丢失的几率最小。
在本方案中，进一步地，如步骤5)中所述的更新热点数据策略。系统间隔一定时间根据数据访问频度、重要性等级等参数，避免非热点数据长期驻留高速虚拟缓存池导致空间浪费，而同时新的热点数据却并没有进入虚拟缓存池而导致系统整体性能下降。热点数据更新时间等参数可以由管理员手动设定。
在本方案中，进一步地，如步骤6)，因为在系统关闭电源的之后，可能存在单个或一组物理存储设备被移除的情况，系统此处不可能保持虚拟缓存池的数据一致性，因此需要像普通内存一样刷新数据到物理存储单元。
当物理存储设备发生变化时：
1)修改虚拟RAID，修改块设备映射表：新加物理存储设备的时候，管理台把新加物理设备纳入管理范围，添加进虚拟RAID中，实现虚拟RAID扩容和性能加速。移除物理设备的时候则进行反向操作。
2)修改虚拟缓存池，修改虚拟RAID映射表。当创建新的虚拟RAID的时候，
3)管理台更新虚拟RAID映射表，把新加虚拟RAID纳入虚拟缓存池，实现虚拟缓存池扩容和缓存性能加速。移除虚拟RAID的时候则进行反向操作。
跨虚拟RAID的缓存多副本：
为了应对可能发生的超出虚拟RAID安全要求的物理存储设备数量失效，所有虚拟缓存数据是以跨虚拟RAID的多副本方式保存的。
默认设置下，单份缓存数据(D0)在一个虚拟RAID中保存一个副本，此虚拟RAID是D0数据的主存储单元。动态虚拟缓存系统还将在另一个虚拟RAID上维护一份即时同步的D0数据的副本。
当单个物理存储设备出现故障的时候，虚拟RAID本身即可保障数据不受任何影响。
当构成一个虚拟RAID的所有磁盘同时失效的时候，系统还保留一份完整的数据。如果此时还有另外一个虚拟RAID可以构建新的D0数据的多副本，系统将立即启动构建过程。如果系统已经没有多余的虚拟RAID，此份D0数据将强制换出动态虚拟缓存池，以保障数据的安全性。
Claims (4)
1、一种基于虚拟RAID构建动态缓存池提高存储系统性能的方法，包括：存储阵列，存储阵列管理台，虚拟缓存池，块设备映射表，虚拟RAID映射表和热点数据映射表，由一个阵列控制器来控制多个物理存储设备的相互连接，使多个物理存储设备的读写同步进行，同时将物理存储设备的存储空间以一个或多个虚拟磁盘的形式提供给主机，其中：
物理存储设备，用于构建虚拟RAID的物理资源的单位，通常意义上是SATA磁盘或固态硬盘设备；
存储阵列管理台，是接受管理员指令进行阵列虚拟缓存管理的功能模块；
虚拟RAID，在每块物理存储设备上划分一个分区，由多个物理存储设备的分区创建虚拟的RAID，存储系统热点数据；
虚拟缓存池，利用系统物理存储设备构建的不同RAID等级的虚拟RAID空间；
块设备映射表，处于存储管理台内，是记录虚拟RAID与物理存储设备(磁盘)之间映射关系的对照表。一个虚拟RAID可包含多个物理存储设备；
虚拟RAID映射表，处于存储管理台内，是记录虚拟缓存池与虚拟RAID之间映射关系的对照表。虚拟缓存池在一个存储系统中只有一个，但一个虚拟缓存池可包含多个虚拟RAID；
热点数据映射表，处于存储管理台内，是记录缓存池空间与热点数据或分区之间映射关系的对照表；
构建虚拟RAID的动态虚拟缓存池及管理方法，包括如下步骤：
设定虚拟缓存池策略：管理员在管理台上指定虚拟RAID占用的物理存储设备空间比率，并选择期望的性能加速策略；
创建虚拟RAID，创建块设备映射表：管理台根据管理员设定，计算出最佳的虚拟RAID等级和空间大小，并在阵列现有的所有物理存储设备上划分一定空间创建指定级别的虚拟RAID，并在系统中建立块设备映射表；
创建虚拟缓存池，创建虚拟RAID映射表：管理台把所有的虚拟RAID纳入虚拟缓存池，并建立虚拟RAID映射表；
提取热点数据到缓存池，创建虚拟缓存池映射表；管理台根据访问频度把热点数据调入虚拟缓存池，并创建虚拟缓存池映射表；
更新热点数据，修改热点数据映射表；每隔一定时间管理台重新评定热点数据和分区，迁出非热点数据和分区，迁入新热点数据和分区，并更新热点数据映射表；
清空虚拟缓存池：当系统关机的时候，管理台自动把热点数据转移到实际物理存储单元。
当物理存储设备发生变化时：
修改虚拟RAID，修改块设备映射表：新加物理存储设备的时候，管理台把新加物理设备纳入管理范围，添加进虚拟RAID中，实现虚拟RAID扩容和性能加速，移除物理设备的时候则进行反向操作；
修改虚拟缓存池，修改虚拟RAID映射表，当创建新的虚拟RAID的时候，管理台更新虚拟RAID映射表，把新加虚拟RAID纳入虚拟缓存池，实现虚拟缓存池扩容和缓存性能加速，移除虚拟RAID的时候则进行反向操作。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，虚拟缓存池由至少一个虚拟RAID构成，并建立映射表；一个存储阵列只有一个缓存池，一个缓存池可以包含多个不同RAID等级的虚拟RAID。
3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，虚拟RAID是构建在系统中的物理磁盘的一个独立分区上，且至少由一个分区构成。
4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，系统自动计算热点数据或分区，并把热点数据自动迁入和迁出虚拟缓存池。
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