CN101840315B - 一种磁盘阵列的数据组织方法 - Google Patents
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Abstract
一种磁盘阵列的数据组织方法，属于计算机存储系统数据组织方法，用于降低RAID10磁盘阵列的能耗。解决现有固定日志方法和集中式同步过程方法所存在的单点失效、性能瓶颈、额外的硬件开销以及不能进一步降低磁盘存储系统能耗的问题。本发明顺序包括写操作请求数据写入主磁盘步骤、值日日志空间占用量判断步骤、选择值日日志磁盘步骤和写操作请求数据写入值日日志磁盘步骤。本发明将RAID10磁盘阵列中所有镜像磁盘作为日志磁盘，不但消除了现有固定日志和集中式同步方法所带来的单点失效、性能瓶颈和额外的硬件和能耗开销，而且进一步降低了磁盘存储系统能耗。
Description
技术领域
本发明属于计算机存储系统数据组织方法，具体涉及一种磁盘阵列的数据组织方法，用于降低RAID10磁盘阵列的能耗。
背景技术
最新的研究报告指出，在未来数年内，能耗在数据中心总拥有成本中所占的比例将由过去的10％增长到50％。存储子系统消耗的能量在数据中心总消耗能量中占据较大的比例。对于一个典型的数据中心来说，基于磁盘的存储子系统所消耗的能量占到了数据中心总消耗能量的27％，并且该比例随着每年以60％的速度增长的存储需求的增长而迅速增长。
现代存储系统大多采用分层存储架构来缓存大量的数据，从而提高存储系统的性能或降低存储系统的能耗；目前，RAID10磁盘阵列是最常用于分层存储架构的一种磁盘阵列形式，RAID10是采用镜像磁盘条带方式存储数据的一种磁盘阵列，包括若干个主磁盘以及与它们对应的若干个镜像磁盘，本申请将每个主磁盘和与其对应的镜像磁盘称为镜像磁盘对。大多数的读操作请求可通过缓存在多层存储架构中的数据得到响应，并且在写穿或者写回策略下，写操作请求最终都必须提交到磁盘，因此磁盘所服务的请求大部分是写操作请求。将写操作请求缓存起来是提高存储系统性能或降低存储系统能耗的一种常用方法。本发明将用于存储写操作请求数据的存储空间称为日志空间，将提供日志空间的磁盘称为日志磁盘，本申请将日志磁盘存储写操作请求数据的时间段称为日志周期，日志周期自日志磁盘开始为写操作请求提供日志空间开始，至日志磁盘不再为写操作请求提供日志空间结束。
通过将写操作请求临时定向到日志磁盘上，写操作请求原目标镜像磁盘就可以切换到低能耗状态，并且尽量保持在低能耗状态以节能。由于频繁的启停磁盘将缩短磁盘的寿命并增加磁盘存储系统的能耗，因此，只有当日志磁盘上的日志空间被写满之后才会将写操作请求原目标镜像磁盘从低能耗状态切换回高能耗状态，并且利用与其相对应的主磁盘上存储的数据，将该原目标镜像磁盘上与主磁盘存储的不一致的数据进行更新，本申请将该过程称为同步过程。本发明将写操作请求原目标镜像磁盘上的数据被更新的时间段称为同步周期，同步周期自写操作请求原目标镜像磁盘上的数据被更新开始，至写操作请求原目标镜像磁盘上的数据被更新完毕结束。
将写操作请求定向到非写操作请求原目标镜像磁盘的方法被广泛应用于分层存储体系结构中以提高存储系统性能或降低存储系统能耗。磁盘缓存磁盘(Disk Caching Disk，DCD)方法利用一个小的日志磁盘作为二级缓存来优化写操作请求性能，见Hu Y，Yang Q.DCD-Disk Caching Disk：A New Approach forBoosting I/O Performance.in Proceedings of the 23rd Annual InternationalSymposium on Computer Architecture(ISCA’1996)，Philadelphia，PA，USA，May22-24，1996，PP.169-178。日志磁盘阵列(Logging RAID)将多个数据量较小的写操作请求整合为一个数据量较大的写操作请求，以解决基于校验的磁盘阵列中的数据量较小的写操作请求性能瓶颈问题，见Chen Y，Hsu W W，Young H C.Logging RAID-An Approach to Fast，Reliable，and Low-Cost Disk Arrays.inProceedings of the 6th International Euro-Par Conference(EuroPar’2000)，Munich，Germany，Aug.29-Sep.1，2000，pp.1302-1312。绿色磁盘阵列(Green RAID，GRAID)将写操作请求数据的第二个副本以顺序磁盘I/O的方式全部集中在一个额外的日志磁盘上，以延长RAID10磁盘阵列中镜像磁盘的空闲等待时间以节能，见Mao B，Feng D，Wu S，et al.GRAID：A Green RAID Storage Architecture withImproved Energy Efficiency and Reliability.in Proceedings of the 16th InternationalSymposium on Modeling，Analysis，and Simulation of Computer andTelecommunication Systems(MASCOTS’2008)，Baltimore，Maryland，USA，September 8-10，2008，pp.113-120。磁盘成本的降低使得RAID10以其高可靠性、高峰值I/O吞吐量等优点被广泛应用于磁盘存储系统中。
磁盘的状态可分为活动、空闲和待机三种。当磁盘处于活动状态时，磁盘盘片高速旋转，磁头同时在寻道、定位或读写数据，此时磁盘的能耗最大；当磁盘处于空闲状态时，磁盘盘片保持旋转状态，但磁头臂停止运转，其他大多数电子器件处于关闭状态，此时磁盘的能耗较其处于活动状态时的能耗稍低；当磁盘处于待机状态时，除电子器件处于关闭状态外，磁盘盘片也停止旋转，磁头归位，此时磁盘的能耗最低。将磁盘由高耗能的活动状态或空闲状态切换到低耗能的待机状态，并尽可能长时间地将其保持在低耗能的待机状态是降低磁盘存储系统能耗的有效方法之一。
被重定向到日志空间中的写操作请求数据更新到写操作请求原目标镜像磁盘的方式是影响磁盘存储系统能耗的因素之一。由于将磁盘尽可能长时间地保持在低耗能的待机状态是降低磁盘存储系统能耗的有效方法，在设计用来降低磁盘存储系统能耗的方法中，被重定向到日志空间中的写操作请求数据大多在日志磁盘提供的日志空间即将被写满的时候在一段时间内集中地更新到写操作请求原目标镜像磁盘，本申请将此在一段时间内集中地更新写操作请求原目标镜像磁盘的方法称为集中式同步方法，而将采用固定的磁盘作为日志磁盘的方法称为固定日志方法。比如，绿色磁盘阵列采用一个额外的、固定的磁盘作为日志磁盘，并在日志磁盘提供的日志空间即将被写满时在一段时间内集中地更新写操作请求原目标镜像磁盘。
诸如绿色磁盘阵列等现有相关研究成果中所提及的固定日志和集中式同步方法存在如下几个潜在的缺点，第一、固定且专用的日志磁盘是存储系统的单点失效瓶颈，降低了存储系统的可靠性；第二、固定且专用的日志磁盘是存储系统的性能瓶颈；第三、额外的日志磁盘带来了额外的硬件和能耗开销；第四，集中式同步过程制约了磁盘存储系统的能耗的进一步降低。
发明内容
本发明提出一种磁盘阵列的数据组织方法，解决现有固定日志方法和集中式同步过程方法所存在的单点失效、性能瓶颈、额外的硬件开销以及不能进一步降低磁盘存储系统能耗的问题。
本申请将所有的镜像磁盘均视为日志磁盘，将所有镜像磁盘上的空闲存储空间视为日志磁盘可提供的日志空间；在任意时间段内仅将一个日志磁盘保持在活动状态，响应写操作请求；将被保持在活动状态的磁盘称为值日日志磁盘，将值日日志磁盘所提供的日志空间称为值日日志空间。
本发明的一种磁盘阵列的数据组织方法，应用在RAID10磁盘阵列上，将磁盘阵列的N个镜像磁盘均作为日志磁盘并依次编号，将编号最小的日志磁盘视为编号最大的日志磁盘的下一个日志磁盘，指定N个镜像磁盘中任意一个为值日日志磁盘，并设定值日日志空间占用量阈值T，T值为值日日志磁盘所提供日志空间的85％～95％，N为大于等于2的自然数；以下依次包括：
一.写操作请求数据写入主磁盘步骤：当写操作请求到达镜像磁盘对时，在主磁盘的写操作请求目标地址位置，写入写操作请求数据；
二.值日日志空间占用量判断步骤：判断值日日志磁盘上值日日志空间的占用量是否大于T，是则转步骤三，否则转步骤四；
三.选择值日日志磁盘步骤：选择下一个日志磁盘作为值日日志磁盘，同时利用与其相对应的主磁盘上存储的数据，将该值日日志磁盘上与主磁盘存储的不一致的数据进行更新，更新过程自值日日志磁盘上与主磁盘存储的第一个不一致的数据块开始，至值日日志磁盘上与主磁盘存储的最后一个不一致的数据块被更新完毕结束；本申请将不同的日志磁盘依次被选择作为值日日志磁盘的过程称为旋转日志，将旋转日志过程中，对值日日志磁盘所在镜像磁盘对之间同步的过程称为分散式同步；
四.写操作请求数据写入值日日志磁盘步骤：依值日日志磁盘内剩余值日日志空间的起始地址，将写操作请求数据顺序写到值日日志磁盘内。
本发明将镜像磁盘作为日志磁盘，并将日志磁盘上的空闲空间作为日志空间，从而避免了采用专用的额外的日志磁盘。本发明也不同于日志文件系统，因为本发明中数据最终被写到目标位置，而日志文件系统中数据仅以附加的方式写在磁盘上，而不会再被写到目标位置。本发明与写下放(Write Offloading)方法互相补充，因为写下放方法用于数据中心中多个存储卷之间，而本发明则用于由RAID10磁盘阵列构成的单个存储卷，写下放方法见Narayanan D，Donnelly A，Rowstron A.Write Off-Loading：Practical Power Management forEnterprise Storage.in Proceedings of the 6th USENIX Conference on File andStorage Technologies(FAST’2008)，San Jose，CA，USA，Feb.26-29，2008，pp.253-267。
何时同步数据、同步哪些数据是同步方法要解决的主要问题。本发明利用磁盘提供日志空间，其所能提供的日志空间的容量远大于昂贵而且容量小的非易失性随机存储器的容量。本发明与已有同步方法的相似之处在于，二者均将同步过程操作作为一个后台进程，同步过程操作利用空闲的磁盘带宽进行。
本发明所提出的数据组织方法与诸如动态多转速磁盘、磁盘内并行以及空闲空间文件系统等单个磁盘的能耗优化方法是相互补充的；本发明与这些方法结合，可进一步降低RAID10磁盘阵列的能耗。动态多转速磁盘(Dynamic RPM，DRPM)见Gurumurthi S，Sivasubramaniam A，Kandemir M，et al.DRPM：DynamicSpeed Control for Power Management in Server Class Disks.in：Proceedings of the30th International Symposium on Computer Architecture(ISCA’2003)，San Diego，California，USA，9-11 June 2003，New York，NY，USA，pp.169-181；磁盘内并行(Intra-Disk-Parallelism，IDP)见Sankar S，Gurumurthi S，Stan M R.Intra-DiskParallelism：An Idea Whose Time Has Come.In Proceedings of the 35th InternationalSymposium on Computer Architecture(ISCA’2008)，Beijing，China，June 21-25，2008，pp.303-314；空闲空间文件系统(Free Space File System，FS2)见Huang H，Hung W.G.Shin K.FS2：Dynamic Data Replication in Free Disk Space forImproving Disk Performance and Energy Consumption.in Proceedings of the 20thACM Symposium on Operating Systems Principles(SOSP’2005)，Brighton，UK，Oct.23-26，2005，pp.263-276。能耗感知的磁盘阵列(Power Aware RAID，PARAID)见Weddle C，Oldham M，Qian J，et al.PARAID：A Gear-Shifting Power-AwareRAID.in Proceedings of the 5th USENIX Conference on File and StorageTechnologies(FAST’2007)，San Jose，Feb.2007，pp.245-260，利用了磁盘上的空闲存储空间来降低磁盘阵列的能耗，其中能耗感知的磁盘阵列利用磁盘空闲存储空间将所有数据集中到一部分磁盘上，而本发明则将RAID10磁盘阵列中的所有的镜像磁盘的空闲存储空间作为日志空间，用于存储写操作请求数据。
本发明将RAID10磁盘阵列中所有镜像磁盘作为日志磁盘，不但消除了现有固定日志和集中式同步方法所带来的单点失效、性能瓶颈和额外的硬件和能耗开销，而且进一步降低了磁盘存储系统能耗。
附图说明
图1所示为本发明流程示意图；
图2为本发明所应用的RAID10磁盘阵列示意图；
图3(a)为为日志周期所占用时间与分散式同步所占用时间的关系示意图；
图3(b)为第0个日志周期T0结束时刻数据分布示意图；
图3(c)为第1个日志周期T1结束时刻数据分布示意图；
图3(d)为第2个日志周期T2结束时刻数据分布示意图。
具体实施方式
以下结合实例对本发明进一步说明。
如图1所示，本发明顺序包括写操作请求数据写入主磁盘步骤、值日日志空间占用量判断步骤、选择值日日志磁盘步骤和写操作请求数据写入值日日志磁盘步骤。
图2所示为由六个磁盘组成的RAID10磁盘阵列，其中P0，P1和P2为三个主磁盘，M0，M1和M2分别为以上三个主磁盘对应的镜像磁盘；其中圆柱体表示磁盘，圆柱体中黑色阴影部分表示磁盘中已被占用的存储空间，白色部分表示磁盘中尚未被占用的存储空间。假设M0，M1和M2这三个镜像磁盘上均各自有50％的空闲存储空间。
如图2所示，被带箭头的曲线连接起来的三个镜像磁盘M0，M1和M2被作为日志磁盘，该三个日志磁盘上的空闲空间，分别用散点和斜纹表示的部分，作为日志空间。用带箭头的曲线连接起来的散点和斜纹部分表示所有三个镜像磁盘的空闲空间构成的日志空间。散点所在的镜像磁盘为值日日志磁盘，而斜纹所在的磁盘为非值日日志磁盘。M0，M1和M2依次用作值日日志磁盘，即，在第0个日志周期，M0为值日日志磁盘；在第1个日志周期，M1为值日日志磁盘；在第2个日志周期，M2为值日日志磁盘；在第3个日志周期，M0重新为值日日志磁盘；依次类推。
如图3所示，在第0个日志周期T0内，M0被选择作为值日日志磁盘，由于T0之前，第0个镜像磁盘对(P0，M0)之间不存在不一致的数据，因此，在T0内，镜像磁盘对(P0，M0)之间无同步操作。在第1个日志周期T1内，M1被选择作为值日日志磁盘，由于T1之前，第1个镜像磁盘对(P1，M1)之间存在不一致的数据，因此，在T1开始时刻，镜像磁盘对(P1，M1)之间的同步过程被触发，并且该同步过程在T1结束之后才终止。依次类推，在第2个日志周期T2内，M2被选择作为值日日志磁盘，并且在T2开始时刻，第2个镜像磁盘对(P2，M2)之间的同步过程被触发，并且该同步过程的在T2结束之前终止。
图3(b)、图3(c)和图3(d)分别表示在T0、T1和T2三个日志周期结束时刻磁盘阵列上的数据分布。其中，DmTn代表在第个日志周期Tn内写入第m个镜像磁盘对(Pm，Mm)的所有数据，本实施例中，m为0、1或2，n为大于等于0的自然数，空白方格表示主磁盘和镜像盘上尚未被占用的存储空间，带斜纹的方格表示磁盘上该区域所表示的存储空间已经被释放，带竖条纹的方格表示主磁盘上该区域内的数据已经被同步更新到镜像磁盘的目标地址位置。
当一个新的日志磁盘被选择作为值日日志磁盘的时候，一个新的同步过程就被触发，并且该新的同步过程只有当值日日志磁盘上所有不一致数据被更新完毕之后才会被终止。如图3(b)所示，在第0个日志周期T0内，M0被选择作为值日日志磁盘，写操作请求到达镜像磁盘对(P0，M0)时，将写操作请求数据写到主磁盘P0的目标地址位置，经判断，如果T0内的值日日志磁盘M0上值日日志空间的占用量未超过预先设定的阈值T，此时依值日日志磁盘内剩余值日日志空间的起始地址，将写操作请求数据顺序写到值日日志磁盘M0内；如果T0内的值日日志磁盘M0上值日日志空间的占用量超过预先设定的阈值T，此时将M0切换到低能耗的待机状态，选择M1作为新的值日日志磁盘，将M1切换到高能耗的活动状态，触发镜像磁盘对(P1，M1)之间的同步过程。依次类推，图3(c)和图3(d)显示，在T1和T2内，依值日日志磁盘M1和M2内剩余值日日志空间的起始地址，将写操作请求数据顺序写到M1和M2内。在T1和T2结束时刻，日志磁盘M2和M0分别被选择作为新的值日日志磁盘。
图3(c)和图3(d)中带箭头的实线和带斜纹的矩形方框分别表示了分散式同步过程和日志空间释放示意图。当日志磁盘M1被选择作为值日日志磁盘时，触发镜像磁盘对(P1，M1)主磁盘P1和镜像盘M1之间的同步过程。如图3(c)所示，当镜像磁盘对(P1，M1)之间的同步过程结束之后，M0上的数据块D1T0所占用的存储空间被释放。类似地，镜像磁盘对(P2，M2)之间的同步过程在M2被选为值日日志磁盘时被触发。如图3(d)所示，当镜像磁盘对(P2，M2)之间的同步过程结束之后，M0上的数据块D2T0和M1上的数据块D2T1所占用的存储空间被释放。
由于日志磁盘M0上大部分已被占用的日志空间分别在日志周期T1和T2内随着镜像磁盘对(P1，M1)和镜像磁盘对(P2，M2)之间的同步过程被释放，日志磁盘M0能够再次被选择作为值日日志磁盘。依次类推，日志磁盘M1和M2上大部分已被占用的日志空间分别随着镜像磁盘对(P0，M0)、(P2，M2)和镜像磁盘对(P0，M0)、(P1，M1)之间的同步过程被释放，因此，M1和M2也能够再次被选择作为值日日志磁盘。
Claims (1)
1.一种磁盘阵列的数据组织方法，应用在RAID10磁盘阵列上，将磁盘阵列的N个镜像磁盘均作为日志磁盘并依次编号，将编号最小的日志磁盘视为编号最大的日志磁盘的下一个日志磁盘，指定N个镜像磁盘中任意一个为值日日志磁盘，并设定值日日志空间占用量阈值T，T值为值日日志磁盘所提供日志空间的85％～95％，N为大于等于2的自然数；以下依次包括：
一．写操作请求数据写入主磁盘步骤：当写操作请求到达镜像磁盘对时，在主磁盘的写操作请求目标地址位置，写入写操作请求数据；
二．值日日志空间占用量判断步骤：判断值日日志磁盘上值日日志空间的占用量是否大于T，是则转步骤三，否则转步骤四；
三．选择值日日志磁盘步骤：选择下一个日志磁盘作为值日日志磁盘，同时利用与其相对应的主磁盘上存储的数据，将该值日日志磁盘上与主磁盘存储的不一致的数据进行更新，更新过程自值日日志磁盘上与主磁盘存储的第一个不一致的数据块开始，至值日日志磁盘上与主磁盘存储的最后一个不一致的数据块被更新完毕结束；
四．写操作请求数据写入值日日志磁盘步骤：依值日日志磁盘内剩余值日日志空间的起始地址，将写操作请求数据顺序写到值日日志磁盘内。
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