CN102033716A - 一种双磁盘容错的节能型磁盘阵列的构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双磁盘容错的节能型磁盘阵列的构建方法，适用于连续数据存储，属于独立磁盘冗余阵列技术领域。本发明针对连续数据存储的特点，设计实现一种双磁盘容错的节能型磁盘阵列S-RAID 6，主要包括：对磁盘阵列进行条带、数据块、校验块和数据子块的划分和布局；磁盘工作状态转换调度策略；写数据时的优化处理方法；故障磁盘处理方法等。磁盘阵列S-RAID 6不但具有优良的冗余数据保护机制，而且能显著降低功耗，延长磁盘使用寿命。

Description

一种双磁盘容错的节能型磁盘阵列的构建方法

技术领域

本发明涉及一种独立磁盘冗余阵列(Redundant Arrays of IndependentDisks，RAID)的构建方法，特别涉及一种双磁盘容错的节能型磁盘阵列的构建方法，适用于连续数据存储，属于独立磁盘冗余阵列技术领域。

背景技术

在现代存储领域，为了提高存储数据的可靠性和改善存储系统的输入、输出性能，人们设计了多种数据存储方案，这些数据存储方案通常是各种类型的独立磁盘冗余阵列(Redundant Arrays of Independent Disks，RAID)。通过使用特定的硬件或软件，RAID把多个物理存储设备如磁盘，联合起来，形成一个统一的逻辑存储设备。

下面对RAID中常用的技术术语进行解释：

条带：又称为Stripe；是磁盘阵列的不同磁盘上的位置相关的分块的集合，是组织不同磁盘上条块的单位。

条带化：又称为Striping；是指把一段连续数据分割成相同大小的数据块，把每段数据分别写入到磁盘阵列的不同磁盘上的方法。

磁盘镜像是指复制源数据到一个或更多的磁盘上。

错误修正是指利用某种运算，如异或运算，生成并保存冗余数据，可利用冗余数据，再生磁盘上丢失或出错的数据。

比较常用的RAID有RAID 0、RAID 1、RAID 5、RAID 6、RAID 10等。其中RAID 0不具有冗余能力，RAID 1只是对磁盘做了镜像，其它3种阵列分别由多个磁盘组成，它们以条带的方式向阵列中的磁盘写数据，校验数据存放在阵列中的各个磁盘上。RAID 5的每个条带含有1个校验块，支持任意损坏其中一个磁盘、通过其它磁盘上的校验块来重建数据；RAID 6的每个条带含有2个校验块，支持任意损坏其中两个磁盘、通过其它磁盘上的校验块来恢复数据；RAID 10是先对磁盘组进行镜像，再对磁盘进行条带化，所以其不含奇偶校验块，当一个磁盘损坏后通过其对应的镜像盘恢复数据，理想状态下最多允许不同位置下50％的磁盘损坏，最糟糕的情况是同一对镜像磁盘同时损坏。

P+Q方式的RAID 6对同条带内的数据块进行异或运算，生成本条带的校验数据P，利用伽罗华域(GF)的乘法和加法(异或运算)，生成本条带的校验数据Q，假设条带内的数据块为D₀和D₁，可用式1、式2分别生成校验块P和Q：

$P=D_0\⊕D_1---\left(1\right)$

$Q=(A_0*D_0)\⊕(A_1*D_1)---\left(2\right)$

其中

表示异或运算，*表示伽罗华域乘法，A₀、A₁为互异的伽罗华域乘法系数。

当阵列中任意两块磁盘出现故障时，都可以通过式1与式2，实现数据恢复，具体实现如下：

1、若校验块P、Q所在磁盘出现故障，只需由同条带内的数据块，分别按照生成P、Q的式1、式2，计算出P、Q即可；

2、若校验块Q与任一数据块所在磁盘出现故障，不妨设该数据块为D₁，首先利用校验块P恢复D₁，由式1推导得：

$D_1=P\⊕D_0$ (异或运算性质：

)D₁恢复后，再利用式2恢复校验块Q；

3、若校验块P与任一数据块所在磁盘出现故障，不妨设该数据块为D₁，首先利用校验块Q恢复D₁，由式2推导得：

$(A_1*D_1)=(A_0*D_0)\⊕Q$

所以恢复D₁如下：

$D_1=(A_1*D_1)/A_1=[(A_0*D_0)\⊕Q]/A_1$

其中/为伽罗华除法，D₁成功恢复后，再利用式1恢复检验块P；

4、若任意两个数据块所在磁盘出现故障，不妨设这两个数据块为D₀和D₁，

由式1得把D₁代入到式2得：

$Q=(A_0*D_0)\⊕[A_1*(P\⊕D_0)]=[(A_0\⊕A_1)*D_0]\⊕(A_1*P)$ (*对

满足分配律)该式与D₀相关，并且不包含D₁，利用该式求解D₀如下：

$(A_0\⊕A_1)*D_0=(A_1*P)\⊕Q$

$D_0=[(A_1*P)\⊕Q]/(A_0\⊕A_1)$

D₀恢复后，再利用公式1恢复D₁。

对于P+Q方式的RAID 6，一个条带内的数据块及校验块P和Q，分散存储在阵列中不同的存储设备上，并且数据块较大，保证了大部分I/O操作都能落入到一个磁盘的数据块内，校验数据也是分布存储的，这样大大增加了多个I/O并发的可能性，并且由于多个磁盘联合使用两个磁盘容量的冗余数据，所以单位有效数据所需的冗余数据量较少，尤其当RAID 6中包含多个磁盘时，这种优势更明显。如10个磁盘构成的RAID 6，冗余数据占2个磁盘容量，为全部存储数据的1/5。由于RAID 6具有双磁盘容错特性，并且具有良好的综合性能，所以在对数据安全性要求很高，同时对性能要求也较高的领域，得到了广泛应用。

磁盘工作状态包括：停止、运行、就绪三种状态。

磁盘停止状态时，磁盘转轴停止旋转、磁头停止寻道；

磁盘运行状态时，磁盘正在执行读写操作，包括转轴旋转、磁头寻道；

磁盘就绪状态时，表示将要被读写，此时磁盘转轴旋转、磁头不寻道。

常用的磁盘阵列，为了提高数据访问速度和满足I/O并发需求，通常调度所有磁盘并行工作以满足高性能。然而，对于连续数据存储，如视频监控、虚拟磁带库、连续数据保护等应用中，连续数据流顺序写入到磁盘中，进行的是顺序存储，即存储数据的地址是连续的，满足存储空间访问的局部性原理，因此不存在I/O并发需求。而常用的磁盘阵列，包括P+Q方式的RAID 6，为了提高数据访问速度和满足I/O并发需求，把连续数据分散存储到不同的磁盘上，RAID的成员磁盘始终保持工作状态，这些磁盘并行工作所提供的高I/O吞吐能力和I/O并发性并不能完全被连续数据存储的应用所利用。在连续数据存储应用中，所有成员磁盘同时处于工作状态，不仅浪费大量的能源，磁盘保持连续运行状态，缩短了磁盘的使用寿命。

随着磁盘技术的进步，单块磁盘的连续读写带宽已经得到了显著提高，对于连续数据存储，如果能够在具有冗余数据保护机制的同时，根据实际应用的需求，充分利用单块磁盘的传输带宽，使阵列中的一部分磁盘工作，完成存储任务，把其它空闲磁盘调度到停止状态。处于工作状态的磁盘数据空间被用尽后，调度到停止状态，而原先的空闲磁盘则进入工作状态。磁盘转轴和磁头电机停止工作，不仅能够节约了大量能源，而且由于磁盘不必保持连续运行，延长了磁盘的使用寿命。

磁盘在不同工作状态下的能量消耗见表1。

表1磁盘在不同工作状态下的能量消耗

磁盘工作状态	读写操作	空转状态	停止状态
				平均功耗	11.5W	8.5W	约为0W

发明内容

本发明的目的是克服已有技术存在的不足，在满足设定存储性能的前提下，提出一种适于连续数据存储的节能型磁盘阵列的构建方法。

本发明提供了一种双磁盘容错的节能型磁盘阵列的构建方法，双磁盘容错的节能型磁盘阵列简称为磁盘阵列S-RAID 6。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种磁盘阵列S-RAID 6的构建方法，包括以下步骤：

一、对磁盘阵列进行条带、数据块、校验块和数据子块的划分和布局，具体方法为：在磁盘阵列包含N个磁盘的场景中，其中N≥4且N为正整数；将N个磁盘构造成1行×N列的磁盘矩阵；对全部磁盘进行条带划分，分成N个条带并为每个条带顺序编号，每个条带上有N个存储块，其中1个为P校验块，1个为Q校验块，另外N-2个为数据块，校验块P由相同条带内的N-2个数据块进行异或运算得出，校验块Q由相同条带内的N-2个数据块进行伽罗华域乘法和加法运算得出，校验块P和Q的生成公式如下：

$P=D_0\⊕D_1\⊕\·\·\·\⊕D_{N-2}---\left(3\right)$

$Q=(A_0*D_0)\⊕(A_1*D_1)\⊕\·\·\·\⊕(A_{N-2}*D_{N-2})---\left(4\right)$

其中D₁、D₂、......，D_N-2为同一条带内的N-2个数据块，

表示异或运算，A₁、A₂、......，A_N-2为互异的伽罗华域乘法系数，*表示伽罗华域乘法。

用X(i，j)表示磁盘阵列中的一个存储块，其中i表示该存储块所在磁盘的序号，存储块X(i，j)位于磁盘i上；j表示该存储块所在条带的序号，1≤i，j≤N，第j条带内的校验块P，用P(j)表示，与存储块X(i，j)具有如下关系：

$P\left(j\right)=\left\{\begin{array}{cc}X(N-j,j)& j\≠N\\ X(N,N)& j=N\end{array}\right.---\left(5\right)$

第j条带内的校验块Q，用Q(j)表示，与存储块X(i，j)具有如下关系：

Q(j)＝X(N+1-j，j)(6)

其它存储块为数据块，用D(p，q)表示，其中p表示数据块所在磁盘的序号，1≤p≤N，q表示该数据块在所属磁盘内的数据块的序号(忽略校验块P和Q)，编号从1开始，1≤q≤N-2，数据块D(p，q)对应的存储块为：

$D(p,q)=\left\{\begin{array}{cc}X(p,q)& p+q<N\\ X(p,q+2)& p+q\&GreaterEqual;N\\ X(p,q+1)& p=N\end{array}\right.$ 且p≠N    (7)

相同磁盘内，序号相邻的数据块逻辑地址相邻，不同磁盘内，前一磁盘中最后一个数据块与后一磁盘中第一个数据块逻辑地址相邻，称逻辑地址相邻的数据块为相邻数据块。

每个数据块分成K个数据子块，K≥2且K为正整数，物理位置相邻的数据子块，其逻辑地址相邻；每个校验块P、校验块Q也分成K个校验子块，物理位置相邻的校验子块的逻辑地址也是相邻的。然后按照逻辑地址顺序，分别对数据子块和校验子块编号。校验块P、Q中的校验子块由所在条带中偏移位置相同的N-2个数据子块分别通过异或运算、伽罗华域运算(乘法和加法)得出，这N-2数据子块及其生成的校验子块，构成一个校验条。

二、按照以下策略，调度磁盘进行工作状态转换：

为每个磁盘设置一个信号量(用Sem i表示，1≤i≤N)，设置信号量Sem i的初始值均为0。

第1步：根据访问数据的逻辑地址(用LBA表示)，计算出访问数据所在的数据块的p、q值。通过公式8得到：

其中，单块磁盘数据量为磁盘上的有效数据量，不包括磁盘上的校验数据，MOD表示模运算，加1表示p、q的值从1开始计数。

然后，使用公式7得到访问数据所在数据块的所在磁盘(用i′表示)和所在条带(用j′表示)，并由式5确定第j′条带内的校验块P(j)的所在磁盘为N-j′(或N)，由6式确定第j′条带内的校验块Q(j)的所在磁盘为N+1-j′，对以上磁盘分别处理：若磁盘处于停止状态，则调度到就绪状态。条带序号j′和磁盘序号i′分别用于记录当前访问的条带序号和磁盘序号。

第2步：当磁盘i′、磁盘N-j′(或N)、磁盘N+1-j′处于就绪状态时，开始并行访问这3个磁盘，被访问的磁盘由就绪状态转为运行状态；

第3步：如果本次访问在数据块X(i ′，j ′)内结束，则本次访问结束后，磁盘i′、磁盘N-j′(或N)、磁盘N+1-j′由运行状态转为就绪状态，然后退出本次调度；否则，在数据块X(i′，j′)访问结束前t时刻(t为磁盘由停止状态转为就绪状态所需要的时间)，判断数据块X(i′，j′)的相邻数据块X(I，J)(I、J为正整数，I为相邻数据块的所在磁盘编号，J为相邻数据块的所在条带编号)所在磁盘I，第J条带内的校验块P、Q所在的磁盘N-J(或N)、N+1-J的工作状态，并分别处理：如果磁盘处于运行状态，则使该磁盘的信号量加1，如果处于停止状态，则使其转入就绪状态；在数据块X(i′，j′)访问结束后，磁盘i′、磁盘N-j′(或N)、磁盘N+1-j′的信号量减1，并分别处理：如果磁盘的信号量小于零，则将该磁盘由运行状态转为停止状态，并重新初始该磁盘的信号量为零；如果磁盘的信号量不小于零，则将该磁盘由运行状态转为就绪状态。

第4步：把记录当前访问所在磁盘序号的i′值更新为I，将记录当前访问所在条带序号的j′的值更新为J，重复执行第2步到第4步。

按照以上策略，进行连续读写操作时，绝大部分时间里，只有3个磁盘(1个数据块所在磁盘和2个校验块所在磁盘)处于运行状态，其余暂时没有任务的磁盘被调度到停止状态，以达到节能的目的。

优选的，进行连续读操作时，校验块P、Q所在的磁盘停止工作。

对于每次写操作，由于只更新一个数据块和同条带内校验块P、Q所在磁盘上的数据，执行的是读改写，即写入新数据D时，需用公式9、10生成新校验数据P、Q：

$P=D\&CirclePlus;D^{\&prime;}\&CirclePlus;P^{\&prime;}---\left(9\right)$

$Q=(A_d*D)\&CirclePlus;(A_d*D^{\&prime;})\&CirclePlus;Q^{\&prime;}---\left(10\right)$

其中D′为磁盘中新数据D待写入位置上的旧数据，P′、Q′是旧数据D′所在校验条上的旧校验数据，也就是新校验数据P、Q待写入位置上的旧校验数据，A_d为数据D的伽罗华乘法系数。

为了生成新校验数据P、Q，除了进行异或运算、伽罗华乘法(硬件实现时时间很短，可以忽略)外，必须先读出旧数据D′及旧校验数据P′、Q′，对单个磁盘而言，每次写操作都包括先读旧数据与再写新数据两个操作，为了减少磁头读、写数据的切换次数，充分利用磁盘带宽，所述方法进一步包括：写操作的优化处理方法，具体为：

设立一个新数据缓冲区，缓存应用程序写入阵列的新数据；两个新校验数据缓冲区，分别缓存生成的两类新校验数据；一个旧数据预读区，存放从阵列中预读的旧数据；两个旧校验数据预读区，分别存放从阵列中预读的两类旧校验数据。各预读区大小相等，并且远大于新数据缓冲区。

新数据子块对应的旧数据子块、相同校验条的两种旧校验数据子块在写操作前，已经被预读到对应的预读区。

进行以下操作步骤生成新校验数据P：

第2.1步：当新数据缓冲区不为空时，从新数据缓冲区中取出数据子块D，写入对应数据磁盘，同时送往异或器。

第2.2步：旧数据预读区中对应的旧数据子块D′送往异或器，与第2.1步送来的写数据子块D进行异或运算，生成数据子块X，

第2.3步：数据子块X送往异或器，旧校验数据预读区1中对应的旧校验数据子块P′，送往异或器，异或运算生成新校验数据子块P，暂存到新校验数据缓冲区1；

第2.4步：更新对应校验条中的旧校验数据子块P′为新校验数据子块P。

进行以下操作步骤生成新校验数据Q：

第3.1步：当新数据缓冲区不为空时，从新数据缓冲区中取出数据子块D，乘以(伽罗华乘)系数A_d后，积A_d*D送往异或器。

第3.2步：旧数据预读区中对应的旧数据子块D′，乘以(伽罗华乘)系数A_d后，积A_d*D′送往异或器，与第3.1步送来的积A_d*D进行异或运算，生成数据子块X^*，

第3.3步：数据子块X^*送往异或器，旧校验数据预读区2中对应的旧校验数据子块Q′，送往异或器，与X^*异或生成新校验数据子块Q，暂存到新校验数据缓冲区2；

第3.4步：更新对应校验条中的旧校验数据子块Q′为新校验数据子块Q。

由于可以从预读区直接读取旧数据与旧校验数据，磁盘就可以连续执行写操作，只有预读区中的数据用完后，才进行一次预读来填满预读区，通过预读，多个分散的读操作被转换为一个连续的读操作，减少了磁头的寻道移动次数，预读区越大，越能提高磁盘阵列S-RAID 6的写性能，预读区的极限就是存储块X(i，j)的大小，可以根据实际情况设置预读区为足够大。

根据以上分析，当预读区足够大时，容易估算磁盘阵列S-RAID 6的连续写带宽约为单块磁盘连续写带宽的一半。

所述方法进一步包括：对故障磁盘进行数据读写的处理方法，具体为：

当有磁盘出现故障，无法进行正常数据读写时，此时令磁盘阵列S-RAID 6中所有磁盘进入就绪状态，暂停使用所述磁盘工作状态控制方法控制磁盘阵列S-RAID 6的工作状态。

以条带为单位，讨论条带中存储块出现故障时的处理方法，因为磁盘故障，表现为磁盘阵列分布在该故障磁盘上的所有存储块故障，对磁盘故障的处理，可通过分别处理阵列中每个条带上的存储块故障实现。

一个条带中的存储块出现故障时，可分为以下3种情况进行处理：

情况1：如果仅校验块出现故障，继续读写数据块上的数据，但此时处于单重冗余数据校验状态(1个校验块故障)或无冗余数据校验状态(2个校验块故障)；更换故障校验块所在磁盘后，重新生成校验块。

情况2：如果仅数据块(1个或2个)出现故障，对读、写操作分别处理：

读操作：利用同条带的其它数据块与本条带的校验块P或Q(1个数据块故障)运算，或与P和Q(2个数据块故障)运算，生成该数据块上被读出的数据；更换故障数据块所在磁盘后，使用相同的方法恢复故障数据块。

写操作：有2种处理方式：

第1种处理方式：直接将写数据写到本条带的P或Q(1个数据块故障)上，或P和Q(2个数据块故障)上，并记录写入的校验块，更换故障数据块所在磁盘后，进行数据还原和再生校验数据。数据还原即把寄存在校验块中的数据块移回到原来位置，再生校验数据是重新生成记录的写入校验块。

第2种处理方式：使用备用盘来暂存写往故障磁盘上的数据，当更换故障磁盘后，再把寄存在备用盘中的数据块移回到原来位置。

情况3：如果1个数据块和1个校验块出现故障，故障数据块的处理方法与仅1个数据块出现故障时相同，只是此时处于单重冗余数据保护状态；故障数据块恢复后，对于故障校验块的处理方法，与仅1个校验块出现故障时相同。

当转入正常状态后，再次启用所述磁盘工作状态控制方法对磁盘阵列S-RAID 6的工作状态进行控制。

有益效果

本发明的一种双磁盘容错的节能型磁盘阵列，与已有技术比较，具有以下优点：

1、显著降低能源消耗。其数据布局具有双重冗余数据保护机制的同时，令阵列中多数磁盘处于停止状态，节能效果非常显著。

2、具有较高的连续带宽。通过预读处理，多个旧数据块和旧校验数据块被连续地读入到缓冲区中，减少了磁盘寻道次数，有效提高磁盘阵列S-RAID 6的连续写带宽，其连续写带宽约为单块磁盘连续写带宽的一半，连续读带宽等于单块磁盘的连续读带宽，由于现代磁盘都具有较高的连续带宽，使其能够满足绝大多数对带宽没有苛刻要求的连续存储系统。

3、充分延长使用寿命。由于阵列中多数磁盘处于非工作状态，而被调度到停止状态，减少了磁盘转轴的高速旋转和磁头的频繁移动，并且磁盘启动与停止的时间间隔充分长，所以能够充分延长磁盘阵列的使用寿命。

附图说明

图1为本发明的具体实施方式中的磁盘阵列S-RAID 6中的磁盘、条带、数据块、校验块编号示意图；

图2为本发明的具体实施方式中的磁盘阵列S-RAID 6中数据子块及校验子块编号示意图；

图3为本发明的具体实施方式中的磁盘工作状态转移示意图；

图4为本发明的具体实施方式中写操作时生成新校验数据P的优化示意图；

图5为本发明的具体实施方式中写操作时生成新校验数据Q的优化示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。

本实施例中，磁盘阵列S-RAID 6由5块Seagate Cheetah 10K磁盘组成，单块磁盘的容量为300GB，其相关参数见表2。如图1所示，对5块磁盘进行条带划分，分成5个条带，编号为1～5。第1条带中的数据块的编号为11，21，31；第2条带中的数据块的编号为12，22，52；第3条带中的数据块的编号为13，43，53；第4条带中的数据块的编号为34，44，54；第5条带中的数据块的编号为25，35，45。同一条带内的3个数据块进行异或运算，生成本条带的校验块P，进行伽罗华域乘法和异或运算，生成本条带的校验块Q，计算如下：

$Q\left(\mathrm{11,21,31}\right)=(A_0*11)\&CirclePlus;(A_1*21)\&CirclePlus;(A_2*31)$

其中

为异或运算，*为伽罗华域乘法，A₀、A₁、A₂为互异的伽罗华域乘法系数，对于伽罗华域GF(2⁸)，不妨取A₀＝1，A₁＝2，A₂＝4。同理得：

$Q\left(\mathrm{12,22,52}\right)=(A_0*12)\&CirclePlus;(A_1*22)\&CirclePlus;(A_2*52)$

$Q\left(\mathrm{13,43,53}\right)=(A_0*13)\&CirclePlus;(A_1*43)\&CirclePlus;(A_2*53)$

$Q\left(\mathrm{34,44,54}\right)=(A_0*34)\&CirclePlus;(A_1*44)\&CirclePlus;(A_2*54)$

$Q\left(\mathrm{25,35,45}\right)=(A_0*25)\&CirclePlus;(A_1*35)\&CirclePlus;(A_2*45)$

将数据子块设计为4KB，因此每个数据块分成K＝15，728，640个数据子块，位置相邻的数据子块的逻辑地址是相邻的；每个磁盘有M＝3×K个数据子块；每个校验块也分成15，728，640个校验子块，相邻的校验子块的逻辑地址也是相邻的。然后按照逻辑地址顺序，对全部数据子块编号。

所述校验子块P(1，1)、……、P(1，K)、……、P(5，1)、……、P(5，K)由所在条带的各个数据块中偏移位置相同的3个数据子块通过异或运算得出，所述校验子块Q(1，1)、……、Q(1，K)、……、Q(5，1)、……、Q(5，K)由所在条带的各个数据块中偏移位置相同的3个数据子块分别乘以(伽罗华乘法)系数A₀、A₁、A₂后，再进行异或运算得出，如数据子块2、3×K+2、6×K+2及其生成的校验子块P(1，2)、Q(1，2)组成一个校验条，如图2所示。

表2Seagate Cheetah 10K磁盘的相关参数

为每个磁盘设置一个信号量Sem i，1≤i≤5，初始值均为0，正常的连续数据访问时，磁盘工作状态调度实例如下：

实例1：某次访问起始地址在数据块12内，结束地址也在数据块12内。

根据访问数据的逻辑地址，求出所在的数据块12，数据块12在磁盘1上，与数据块12位于相同条带的校验块在的磁盘3和磁盘4上，如果磁盘1、3和4处于停止状态，则转到就绪状态；开始读写磁盘1、3和4上的数据时，磁盘1、3和4由就绪状态转到运行状态；由于本次访问在数据块12内结束，则本次访问结束后，磁盘1、3、4由运行状态转为就绪状态，然后退出本次调度。

实例2：某次访问起始地址在数据块13内，结束地址在数据块21内。

根据访问数据的逻辑地址，求出所在的数据块13，数据块13在磁盘1上，与数据块13位于相同条带的校验块在的磁盘2、磁盘3上，如果磁盘1、2、3处于停止状态，则转到就绪状态；开始读写磁盘1、2、3上的数据时，磁盘1、2、3由就绪状态转到运行状态；由于本次访问在数据块21内结束，在数据块13访问结束前t时刻，判断数据块13的相邻数据块21所在磁盘2，及数据块21同条带校验块所在磁盘4、5的工作状态，由于磁盘2处于运行状态，其信号量加1，得Sem 2＝1，磁盘4、5处于停止状态，所以转入就绪状态；在数据块13访问结束后，磁盘1、2、3的信号量减1，得Sem 1＝Sem 3＝-1，Sem 2＝0，所以磁盘1、3由运行状态转为停止状态，并恢复Sem 1＝Sem 3＝0，磁盘2由运行状态转为就绪状态。

开始读写磁盘2、4、5上的数据时，磁盘2、4、5由就绪状态转到运行状态；由于本次访问在数据块21内结束，则本次访问结束后，磁盘2、4、5由运行状态转为就绪状态，然后退出本次调度。

对于正常的连续数据访问，在绝大部分时间里，磁盘阵列S-RAID 6只有3块磁盘工作，只在极短时间内，最多5块磁盘处于读写或空转状态(加上最多2块提前启动的磁盘)，因此其功耗约为相同盘数RAID 6的3/N，其中N为构成阵列的磁盘数，本实例由5块磁盘构成，故可节省大约40％的功耗。

如果磁盘阵列由磁盘Seagate Cheetah 10K构成，相关参数见表2，磁盘的容量为300GB，计算得单块磁盘启动的最小间隔为访问300GB/5＝60GB数据所需的时间，所以磁盘的启动间隔及次数对磁盘寿命的影响，可以忽略。

设立一个新数据缓冲区，缓存应用程序写入阵列的新数据；两个新校验数据缓冲区，分别缓存生成的两类新校验数据；一个旧数据预读区，存放从阵列中预读的旧数据；两个旧校验数据预读区，分别存放从阵列中预读的两类旧校验数据。各预读区大小相等，并且远大于新数据缓冲区。

新数据子块对应的旧数据子块、与旧数据子块相同校验条的两类旧校验数据子块在写操作前已经被预读到对应的预读区。

进行以下操作步骤生成新校验数据P：

第2.1步：当新数据缓冲区不为空时，从新数据缓冲区中取出数据子块D，写入对应磁盘，同时送往异或器，如图4中的①过程。

第2.2步：旧数据预读区中对应的旧数据子块D′送往异或器，如图4中的②过程，与第2.1步送来的写数据子块D进行异或运算，生成差异数据子块X；

第2.3步：差异数据子块X送往异或器，如图4中的③过程，旧校验数据预读区1中对应的旧校验数据子块P′，送往异或器，如图4中的④过程，异或运算生成新校验数据子块P，暂存到新校验数据缓冲区1，如图4中的⑤过程；

第2.4步：更新磁盘对应校验条中的旧校验数据子块P′为新校验数据子块P。

进行以下操作步骤生成新校验数据Q：

第3.1步：当新数据缓冲区不为空时，从新数据缓冲区中取出数据子块D，乘以(伽罗华乘)系数A_d后，积A_d*D送往异或器，如图5中的①过程。

第3.2步：旧数据预读区中对应的旧数据子块D′，乘以(伽罗华乘)系数A_d后，积A_d*D′送往异或器，图5中的②过程，与第3.1步送来的积A_d*D进行异或运算，生成差异数据子块X^*；

第3.3步：差异数据子块X^*送往异或器，如图5中的③过程，旧校验数据预读区2中对应的旧校验数据子块Q′，送往异或器，如图5中的④过程，与X^*异或生成新校验数据子块Q，暂存到新校验数据缓冲区2，如图5中的⑤过程；

第3.4步：更新磁盘对应校验条中的旧校验数据子块Q′为新校验数据子块Q。

由于可以从预读区直接读取旧数据与旧校验数据，磁盘就可以连续执行写操作，只有预读区中的数据用完后，才进行一次预读来填满预读区，通过预读，多个分散的读操作被转换为一个连续的读操作，减少了磁头的寻道移动次数，预读区越大，越能提高磁盘阵列S-RAID 6的写性能，预读区的极限就是存储块X(i，j)的大小，可以根据实际情况合理设置预读区的大小。

通过数据缓冲与预读处理，可使磁盘阵列S-RAID 6的连续写带宽接近单块磁盘连续写带宽的一半，连续读带宽等于单块磁盘的连续读带宽，如果该磁盘阵列S-RAID 6的构成磁盘为Seagate Cheetah 10K，其连续读带宽为85MB/s，连续写带宽为84MB/s。可得磁盘阵列S-RAID 6的连续写带宽约为42MB/s，连续读带宽约为85MB/s，能够满足21路2MB/s的高清视频流的同时写入，42路该类视频流的同时读出。

当有磁盘出现故障，无法进行正常数据读写时，令磁盘阵列S-RAID 6中所有磁盘进入就绪状态，暂停使用所述磁盘工作状态控制方法控制磁盘阵列S-RAID 6的工作状态。

当S-RAID 6中的任意两个磁盘同时出现故障时，处理方法相同，不妨以磁盘1、磁盘2同时出现故障为例，进行说明。

假设S-RAID 6中的磁盘1、磁盘2同时出现故障，表现为阵列中每个条带上的第1、2个存储块出现故障，每个条带存储块的故障类型如下：

第1、2条带上，2个数据块同时出现故障，处理方法如下：

读操作时，利用同条带的其它数据块与本条带的校验块P和Q运算，生成故障数据块上被读出的数据；更换故障磁盘后，用相同的方法恢复故障数据块。

写操作时，将写入两个故障数据块上的数据，分别写到本条带的P和Q上，并记录写入的校验块；更换磁盘后，进行数据还原和再生校验数据。数据还原即把寄存在校验块中的数据块移回到原来位置，再生校验数据是重新生成记录的写入校验块。

第3、5条带上，1个数据块和1个校验块同时出现故障，处理方法如下：

读操作时，利用本条带的其它数据块与另一个校验块运算，生成该故障数据块上被读出的数据；更换故障数据块磁盘后，用相同的方法恢复故障数据块。

写操作时，将写数据写到本条带的另一个校验块上，并记录写入的校验块，更换故障数据块磁盘后，把寄存在校验块中的数据块移回到原来位置，并重新生成记录的写入校验块。

故障数据块恢复后，并更换故障校验块磁盘后，重新生成故障校验块。

第4条带上，2个校验块同时出现故障，处理方法如下：

可继续读写本条带数据块上的数据，但此时处于无冗余数据校验状态；更换磁盘后，重新生成故障校验块上的数据。

当S-RAID 6中的任意1块磁盘出现故障时，处理方法相同，不妨以磁盘3出现故障为例，进行说明。

假设S-RAID 6中的磁盘3出现故障，表现为阵列中每个条带上的第3个存储块出现故障，每个条带存储块的故障类型如下：

第1、4、5条带上，1个数据块出现故障，处理方法如下：

读操作时，利用同条带的其它数据块与本条带的校验块P运算，生成故障数据块上被读出的数据；更换故障磁盘后，用相同的方法恢复故障数据块。

写操作时，将写入故障数据块上的数据，写到本条带的P上，并记录写入的校验块；更换磁盘后，把寄存在校验块P中的数据块移回到原来位置，并重新生成记录的写入校验块。

第2、3条带上，1个校验块出现故障，处理方法如下：

继续读写本条带数据块上的数据；更换磁盘后，重新生成校验块上的数据。

当转入正常状态后，再次启用所述磁盘工作状态控制方法对磁盘阵列S-RAID 6的工作状态进行控制。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，或者对其中部分技术特征进行等同替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种双磁盘容错的节能型磁盘阵列的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

一、对磁盘阵列进行条带、数据块、校验块和数据子块的划分和布局，具体方法为：在磁盘阵列包含N个磁盘的场景中，其中N≥4且N为正整数；将N个磁盘构造成1行×N列的磁盘矩阵；对全部磁盘进行条带划分，分成N个条带并为每个条带顺序编号，每个条带上有N个存储块，其中1个为P校验块，1个为Q校验块，另外N-2个为数据块，校验块P由相同条带内的N-2个数据块进行异或运算得出，校验块Q由相同条带内的N-2个数据块进行伽罗华域乘法和加法得出，校验块P和Q的生成公式如下：

$P=D_0\&CirclePlus;D_1\&CirclePlus;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CirclePlus;D_{N-2}---\left(1\right)$

$Q=(A_0*D_0)\&CirclePlus;(A_1*D_1)\&CirclePlus;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CirclePlus;(A_{N-2}*D_{N-2})---\left(2\right)$

其中D₁、D₂、......，D_N-2为同一条带内的N-2个数据块，表示异或运算，A₁、A₂、......，A_N-2为互异的伽罗华域乘法系数，*表示伽罗华域乘法；

用X(i，j)表示磁盘阵列中的一个存储块，其中i表示该存储块所在磁盘的序号，存储块X(i，j)位于磁盘i上；j表示该存储块所在条带的序号，1≤i，j≤N，第j条带内的校验块P，用P(j)表示，与存储块X(i，j)具有如下关系：

$P\left(j\right)=\left\{\begin{array}{cc}X(N-j,j)& j\&NotEqual;N\\ X(N,N)& j=N\end{array}\right.---\left(3\right)$

第j条带内的校验块Q，用Q(j)表示，与存储块X(i，j)具有如下关系：

Q(j)＝X(N+1-j，j)(4)

其它存储块为数据块，用D(p，q)表示，其中p表示数据块所在磁盘的序号，1≤p≤N，q表示忽略校验块P和Q时，该数据块在所属磁盘内的数据块的序号，编号从1开始，1≤q≤N-2，数据块D(p，q)对应的存储块为：

$D(p,q)=\left\{\begin{array}{cc}X(p,q)& p+q<N\\ X(p,q+2)& p+q\&GreaterEqual;N\\ X(p,q+1)& p=N\end{array}\right.$ 且p≠N    (5)

相同磁盘内，序号相邻的数据块逻辑地址相邻，不同磁盘内，前一磁盘中最后一个数据块与后一磁盘中第一个数据块逻辑地址相邻，称逻辑地址相邻的数据块为相邻数据块；

每个数据块分成K个数据子块，K≥2且K为正整数，物理位置相邻的数据子块，其逻辑地址相邻；每个校验块P、校验块Q也分成K个校验子块，物理位置相邻的校验子块的逻辑地址也是相邻的；然后按照逻辑地址顺序，分别对数据子块和校验子块编号；校验块P、Q中的校验子块由所在条带中偏移位置相同的N-2个数据子块分别通过异或运算、伽罗华域乘法和加法得出，这N-2数据子块及其生成的校验子块，构成一个校验条；

二、按照以下策略，调度磁盘进行工作状态转换：

为每个磁盘设置一个信号量，用Sem i表示，1≤i≤N，设置信号量Sem i的初始值均为0；

第1步：根据访问数据的逻辑地址，用LBA表示，计算出访问数据所在的数据块的p、q值；通过公式6得到：

其中，单块磁盘数据量为磁盘上的有效数据量，不包括磁盘上的校验数据，MOD表示模运算，加1表示p、q的值从1开始计数；

然后，使用公式5得到访问数据所在数据块的所在磁盘和所在条带，并由式3确定第j′条带内的校验块P(j)的所在磁盘为(N-j′)或N，由式4确定第j′条带内的校验块Q(j)的所在磁盘为N+1-j′，对以上磁盘分别处理：若磁盘处于停止状态，则调度到就绪状态；条带序号j′和磁盘序号i′分别用于记录当前访问操作的条带序号和磁盘序号；

第2步：当磁盘i′、磁盘(N-j ′)或N、磁盘N+1-j′处于就绪状态后，分别对其进行读写操作时，进行读写操作的磁盘由就绪状态转为运行状态；

第3步：如果本次访问在数据块X(i′，j′)内结束，则本次访问结束后，磁盘i′、磁盘(N-j′)或N、磁盘N+1-j′由运行状态转为就绪状态，然后退出本次调度；否则，在数据块X(i′，j′)访问结束前t时刻，判断数据块X(i′，j′)的相邻数据块X(I，J)所在磁盘I，第J条带内的校验块P、Q所在的磁盘(N-J)或N、N+1-J的工作状态，其中t为磁盘由停止状态转为就绪状态所需要的时间，I、J为正整数，I为相邻数据块的所在磁盘编号，J为相邻数据块的所在条带编号，并分别处理：如果磁盘处于运行状态，则使该磁盘的信号量加1，如果处于停止状态，则使其转入就绪状态；在数据块X(i′，j′)访问结束后，磁盘i′、磁盘(N-j′)或N、磁盘N+1-j′的信号量减1，并分别处理：如果磁盘的信号量小于零，则将该磁盘由运行状态转为停止状态，并重新初始该磁盘的信号量为零；如果磁盘的信号量不小于零，则将该磁盘由运行状态转为就绪状态；

第4步：把记录当前访问所在磁盘序号的i′值更新为I，将记录当前访问所在条带序号的j′的值更新为J，重复执行第2步到第4步。

2.如权利要求1所述的一种双磁盘容错的节能型磁盘阵列的构建方法，其特征在于：

仅进行连续读操作时，校验块P、Q所在磁盘停止工作。

3.如权利要求1所述的一种双磁盘容错的节能型磁盘阵列的构建方法，其特征在于：

所述方法进一步包括：写操作的优化处理方法，具体为：

设立一个新数据缓冲区，缓存应用程序写入阵列的新数据；两个新校验数据缓冲区，分别缓存生成的两类新校验数据；一个旧数据预读区，存放从阵列中预读的旧数据；两个旧校验数据预读区，分别存放从阵列中预读的两类旧校验数据，新数据子块对应的旧数据子块、相同校验条的两种旧校验数据子块在写操作前被预读到对应的预读区；

进行以下操作步骤生成新校验数据P：

第2.1步：当新数据缓冲区不为空时，从新数据缓冲区中取出数据子块D，写入对应数据磁盘，同时送往异或器；

第2.2步：旧数据预读区中对应的旧数据子块D′送往异或器，与第2.1步送来的写数据子块D进行异或运算，生成差异数据子块X；

第2.3步：差异数据子块X送往异或器，旧校验数据预读区1中对应的旧校验数据子块P′，送往异或器，异或运算生成新校验数据子块P，暂存到新校验数据缓冲区1；

第2.4步：更新对应校验条中的旧校验数据子块P′为新校验数据子块P；

进行以下操作步骤生成新校验数据Q：

第3.1步：当新数据缓冲区不为空时，从新数据缓冲区中取出数据子块D，伽罗华乘以对应的系数A_d后，积A_d*D送往异或器；

第3.2步：旧数据预读区中对应的旧数据子块D′，伽罗华乘以对应的系数A_d后，积A_d*D′送往异或器，与第3.1步送来的积A_d*D进行异或运算，生成差异数据子块X^*；

第3.3步：差异数据子块X^*送往异或器，旧校验数据预读区2中对应的旧校验数据子块Q′，送往异或器，与X^*异或生成新校验数据子块Q，暂存到新校验数据缓冲区2；

第3.4步：更新对应校验条中的旧校验数据子块Q′为新校验数据子块Q；

由于可以从预读区直接读取旧数据与旧校验数据，磁盘就可以连续执行写操作，只有预读区中的数据用完后，才进行一次预读来填满预读区，通过预读，多个分散的读操作被转换为一个连续的读操作，减少了磁头的寻道移动次数，预读区越大，越能提高磁盘阵列S-RAID 6的写性能，预读区的极限就是存储块X(i，j)的大小，可以根据实际情况设置预读区为足够大。

4.如权利要求3所述的一种双磁盘容错的节能型磁盘阵列的构建方法，其特征在于：

旧数据预读区和旧校验数据预读区大小相等，并且远大于新数据缓冲区。

5.如权利要求3所述的一种双磁盘容错的节能型磁盘阵列的构建方法，其特征在于：

新校验数据缓冲区和新数据缓冲区大小相等。

6.如权利要求1至5任一项所述的一种双磁盘容错的节能型磁盘阵列的构建方法，其特征在于：

所述方法进一步包括：对故障磁盘进行数据读写的处理方法；具体为：

当有磁盘出现故障，无法进行正常数据读写时，此时令磁盘阵列S-RAID 6中所有磁盘进入就绪状态，暂停使用所述磁盘工作状态控制方法控制磁盘阵列S-RAID 6的工作状态；

以条带为单位，讨论条带中存储块出现故障时的处理方法，因为磁盘故障，表现为磁盘阵列分布在该故障磁盘上的所有存储块故障，对磁盘故障的处理，可通过分别处理阵列中每个条带上的存储块故障实现；

一个条带中的存储块出现故障时，可分为以下3种情况进行处理：

情况1：如果仅校验块出现故障，继续读写数据块上的数据，但此时处于单重冗余数据校验状态即1个校验块故障或无冗余数据校验状态即2个校验块故障；更换故障校验块所在磁盘后，重新生成校验块；

情况2：如果仅1个或2个数据块出现故障，对读、写操作分别处理：

读操作：利用同条带的其它数据块在1个数据块故障时与本条带的校验块P或Q运算，或在2个数据块故障时与P和Q运算，生成该数据块上被读出的数据；更换故障数据块所在磁盘后，使用相同的方法恢复故障数据块；

写操作：有2种处理方式：

第1种处理方式：在1个数据块故障时，直接将写数据写到本条带的P或Q上；2个数据块故障时，将写数据写到本条带的P和Q上，并记录写入的校验块，更换故障数据块所在磁盘后，进行数据还原和再生校验数据；数据还原即把寄存在校验块中的数据块移回到原来位置，再生校验数据是重新生成记录的写入校验块；

第2种处理方式：使用备用盘来暂存写往故障磁盘上的数据，当更换故障磁盘后，再把寄存在备用盘中的数据块移回到原来位置；

情况3：如果1个数据块和1个校验块出现故障，故障数据块的处理方法与仅1个数据块出现故障时相同，只是此时处于单重冗余数据保护状态；故障数据块恢复后，对与故障校验块的处理方法，与仅1个校验块出现故障时相同；

当转入正常状态后，再次启用所述磁盘工作状态控制方法对磁盘阵列S-RAID 6的工作状态进行控制。

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