CN102270102A

CN102270102A - 一种raid6磁盘阵列写性能的优化方法

Info

Publication number: CN102270102A
Application number: CN2011101118149A
Authority: CN
Inventors: 冯丹; 刘景宁; 金超; 陈俭喜; 沙睿彬; 刘建平
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2011-04-29
Filing date: 2011-04-29
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2031-04-29
Also published as: CN102270102B

Abstract

一种RAID6磁盘阵列写性能的优化方法，具体包括如下步骤：（1）在RAID6磁盘阵列结构外设置日志盘，用于记录RAID6磁盘阵列中的数据块对应的日志记录，同时设置一个Hash链表，用于记录所述日志记录在日志盘中的位置地址信息；（2）读写请求处理，包括（I）预读原始数据阶段和（II）写新数据阶段；（3）发生双盘失效时的数据恢复，包括（I）如果两个校验磁盘失效（II）如果两个数据磁盘失效和（III）一个数据盘和一个校验盘失效的分别的处理过程。本发明通过采用一种RAID6磁盘阵列结合日志盘的新架构，解决了RAID6磁盘阵列写性能不好的问题，大大提升了RAID6磁盘阵列的写性能。

Description

一种RAID6磁盘阵列写性能的优化方法

技术领域

本发明属于计算机数据存储领域，具体涉及一种RAID6级别磁盘阵列的写性能优化方法。

背景技术

随着计算机技术和网络通信技术的发展，信息化程度越来越高，人们对数据可靠性的要求也越来越高。磁盘阵列RAID(RedundantArray of Independent Disks)是可靠存储系统领域中的一个典型装置，磁盘阵列的工作原理与特征：RAID的基本结构特征就是组合(Striping)，捆绑2个或多个物理磁盘成组，形成一个单独的逻辑盘。

RAID结构被划分为以下几个级别。RAID0级：无冗余无校验的磁盘阵列。数据同时分布在各个磁盘驱动器上，没有容错能力，读写速度在RAID中最快，但因为任何一个磁盘驱动器损坏都会使整个RAID系统失效，所以安全系数反倒比单个的磁盘驱动器还要低。RAID1级：镜象磁盘阵列。每一个磁盘驱动器都有一个镜像磁盘驱动器，镜像磁盘驱动器随时保持与原磁盘驱动器的内容一致。RAID1具有较高的安全性，但只有一半磁盘空间被用来存储数据。RAID5级：无独立校验盘的奇偶校验磁盘阵列。同样采用奇偶校验来检查错误，但没有独立的校验盘，校验信息分布在各个磁盘驱动器上。RAID6级和RAID5级很相似，但是RAID6级可以恢复任意双盘出错。

RAID6具有容忍阵列中双盘同时出错的能力，因此跟其它磁盘阵列级别相比，RAID6能够提供更高的数据可靠性。但是，RAID6在写性能方面的开销也是最大的。比如，RAID6磁盘阵列的一个校验条带中存在P和Q两个校验块，每更新一个数据块都会导致同校验条带的两个校验块同时更新，对一个数据块的写请求会导致RAID6磁盘阵列进行至少三次磁盘读操作和三次磁盘写操作。显然，RAID6阵列的写代价是非常高的，这也是限制它在实际环境中应用的重要原因。

传统的RAID6磁盘阵列都是基于Reed-Solomon编码的，每个校验条带中的Q校验块是采用有限域运算而得到的，因此传统的基于异或运算的写性能优化方法如Parity Logging则不能直接运用于Reed-Solomon编码的RAID6磁盘阵列。目前也没见其它针对RAID6磁盘阵列的写性能优化方法。

发明内容

本发明提出一种RAID6磁盘阵列写性能的优化方法，采用一种结合日志盘的架构，使得RAID6的写性能得到提升，尤其是在写请求密集的时候作用更加明显，解决现有的RAID6级别磁盘阵列写性能不高的问题。

为实现本发明的目的所采用的技术方案如下：

一种RAID6磁盘阵列写性能的优化方法，包括如下步骤：

(1)在传统RAID6磁盘阵列结构外加一个日志盘，同时在内存中设置一个Hash链表，用于记录RAID6磁盘阵列中的数据块对应的日志记录在日志盘中的位置地址信息。

(2)读写请求处理

读请求的处理与传统的RAID6磁盘阵列相同，写请求的处理分为以下两个阶段：

(I)预读原始数据阶段

针对每个校验条带，系统分别统计此次将被更新的数据块的集合和不被更新的数据块的集合在Hash链表中对应Hash条目的数目，如果将被更新的数据块的集合对应Hash条目的数目少，则采用读改写的方式；反之，则采用重构写的方式。

在读改写方式下，针对校验条带上此次将被更新的数据块的集合中的每个数据块，首先查询该数据块在Hash链表中是否存在对应Hash条目。如果条目不存在，则需要读取出该数据块对应的原始数据并放入日志缓冲区，然后在Hash链表中创建一个该数据块对应的Hash条目，并在Hash条目的“初始数据地址”字段中记录刚才读出的原始数据写入到日志盘中的地址。反之，如果该数据块的对应Hash条目已经存在，则无需读取并记录该数据块的原始数据。

在重构写方式下，针对校验条带上此次不被更新的数据块的集合中的每一个数据块，查询该数据块在Hash链表中是否存在对应Hash条目。接下来的处理步骤跟读改写方式下相同：如果Hash条目不存在则读取并记录该数据块对应的原始数据到日志盘中，并且为其在Hash链表中创建对应Hash条目，并在Hash条目的“初始数据地址”字段中记录刚才读出的原始数据写入到日志盘中的地址；如果Hash条目存在则无需读取并记录该数据块的原始数据。

(II)写新数据阶段

针对校验条带上每一个此次将被更新的数据块，系统首先将其要写入的新数据放入到日志缓冲区中。然后，如果该数据块在Hash链表中已经存在对应的Hash条目，则将条目的“最新数据地址”栏更新为刚才写入日志盘的新数据在日志盘中的地址；如果该数据块在Hash链表中不存在对应的Hash条目，则先在Hash链表中创建该数据块对应的Hash条目，然后再将刚才写入日志盘的新数据在日志盘中的地址记录在条目的“最新数据地址”栏中。接下来，系统将数据块的写请求下发到磁盘，在磁盘写操作完成之后，该次写请求即成功返回。

(3)发生双盘失效时恢复数据的步骤

(I)如果两个校验磁盘失效

通过数据磁盘直接计算出最新的校验数据，恢复校验磁盘。

(II)两个数据磁盘失效

查询丢失的数据块在Hash链表中的对应Hash条目。

如果Hash条目存在，再查看Hash条目的“最新数据地址”字段是否为空。如果“最新数据地址”字段不为空，则按照“最新数据地址”直接从日志盘中读出最新数据便可以恢复该数据块。如果“最新数据地址”字段为空，则按照“初始数据地址”从日志盘中读出初始数据便可以恢复该数据块。

如果不存在对应Hash条目，则该数据块未被更新过。针对校验条带上每个未丢失的数据块，查询其在Hash链表中的对应Hash条目。如果Hash条目不存在，在数据磁盘上的数据就是该数据块的初始数据；如果Hash条目存在，则按照条目中“初始数据地址”字段从日志盘中读出该数据块的初始数据。读出了校验条带上每个未丢失的数据块的初始数据后，再结合校验块的初始数据，利用RAID6校验算法便可以计算出丢失的数据块的初始数据。其初始数据便是恢复数据。

(III)一个数据盘和一个校验盘失效

类似于情况II，首先查询丢失的数据块在Hash链表中的对应Hash条目。如果Hash条目存在，则可以从日志盘中直接恢复数据；如果Hash条目不存在，则可以读取校验条带上的其它未丢失的数据块和校验块的原始数据，然后按照RAID6校验算法恢复数据。待丢失的数据块恢复后，通过校验条带上所有的数据块计算出校验块的最新数据。

本发明基于一个普遍存在的现象，即RAID6磁盘阵列的写性能不高。本发明通过采用一种RAID6磁盘阵列结合日志盘的新架构，包括存储系统构建方法、数据读写方法和磁盘失效后的数据恢复方法这三个具体方法，解决了RAID6磁盘阵列写性能不好的问题，大大提升了RAID6磁盘阵列的写性能。

附图说明

图1为本发明系统架构示意图；

图2为本发明的Hash链表结构示意图；

图3为本发明的写请求处理示意图；

图4为本发明的恢复双数据盘失效示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进一步详细说明。

本发明的一种RAID6磁盘阵列写性能的优化方法，包括存储系统构建方法、数据读写方法和磁盘失效后的数据恢复方法这三个具体方法，具体如下：

(1)存储系统构建方法，组成架构如图1所示：

(1.1)该存储系统由传统的RAID6阵列结构外加一个日志盘组成。写操作到来时，把相应数据块的原始数据或更新数据记录到日志盘中。

(1.2)在内存中设置有一个Hash链表，如图2所示。该Hash链表记录了RAID6阵列中数据块的更新状态以及数据块在日志盘中对应记录位置的索引信息。LAB字段：数据块在RAID6阵列中的逻辑地址。Ori_Ad字段：该数据块的初始数据在日志盘中的地址。若数据块的初始数据未记录在日志盘中，则该字段的值为NULL。Cur_Ad字段：该数据块的最新数据在日志盘中的地址。若数据块的最新数据未记录在日志盘中，则该字段的值为NULL。Next字段：指向条目录列表中下一个条目的指针。若当前条目为列表中最后一个条目，则该字段的值为NULL。当在Hash链表中查询某个数据块对应的条目时，首先将该数据块的逻辑地址(LBA)进行Hash得到一个整数，再将该整数作为数组下标找到数据块条目所对应的Hash槽，然后顺序遍历挂在该Hash槽上的条目链表，如果链表上某个条目的LBA字段的数值与数据块的逻辑地址相等，则该条目即为数据块所对应的条目。反之，如果遍历完条目链表仍未找到满足条件的条目，则该数据块在Hash链表中不存在对应条目。同理，当在Hash链表中为某个数据块添加对应的条目时，也要先对数据块的逻辑地址(LBA)进行Hash找到对应的Hash槽，然后再将数据块的对应条目添加到该Hash槽所指向的条目链表中。

(1.3)对日志盘的写操作采取顺序追加的方式。

(2)数据读写方法

(2.1)系统处理读请求的流程与RAID6磁盘阵列相同。

(2.2)写请求处理方法，如图3所示：

首先，跟传统的RAID6阵列一样，系统将上层发下来的写请求按照阵列结构进行分解，再将针对同一校验条带的写请求用条带缓冲区组织起来。接下来，针对每个校验条带，系统分别统计此次将被更新的数据块的集合和不被更新的数据块的集合在Hash链表中对应Hash条目的数目，如果将被更新的数据块的集合对应Hash条目的数目少，则采用读改写的方式；反之，则采用重构写的方式。

在读改写方式下，针对校验条带上每一个此次将被更新的数据块，首先查询该数据块在Hash链表中是否存在对应条目。如果条目不存在，则说明该数据块尚未更新过，其初始数据也未曾记录到日志盘中。此时，需要读取出该数据块对应的原始数据并放入日志缓冲区，然后在Hash链表中创建一个该数据块对应的条目，并在条目的“初始数据地址”字段(Ori_Ad)中记录刚才读出的原始数据写入到日志盘中的地址。反之，如果该数据块的对应条目已经存在，则说明该数据块曾经被更新过，或者其初始数据已经被读出并记录到日志盘中。此时无需读取并记录该数据块的原始数据。

在重构写方式下，针对校验条带上每一个此次不被更新的数据块，查询该数据块在Hash链表中是否存在对应条目。接下来的处理步骤跟读改写方式下相同：如果Hash条目不存在则读取并记录该数据块对应的原始数据到日志盘中，并且为其在Hash链表中创建对应Hash条目，并在Hash条目的“初始数据地址”字段(Ori_Ad)中记录刚才读出的原始数据写入到日志盘中的地址；如果Hash条目存在则无需读取并记录该数据块的原始数据。

在读原始数据阶段完成之后，系统进入写新数据阶段。在这个阶段，如果新数据块在Hash链表中已经存在对应的条目，则将条目的“最新数据地址”栏(Cur_Ad)更新为刚才写入日志盘的新数据在日志盘中的地址；如果该数据块在Hash链表中不存在对应的条目，则先在Hash链表中创建该数据块对应的条目，然后再将刚才写入日志盘的新数据在日志盘中的地址记录在条目的“最新数据地址”(Cur_Ad)栏中。接下来，系统将数据块的写请求下发到磁盘，在磁盘写操作完成之后，该次写请求即成功返回。

(3)磁盘失效后的数据恢复方法

阵列中发生双盘失效的情况具体分为三种：

(3.1)两个校验磁盘失效。

因为校验磁盘上的数据不是最新的，我们无需恢复出校验盘上的初始数据。由于数据磁盘都没有失效，因此可以通过数据磁盘直接计算出最新的校验数据。

(3.2)两个数据磁盘失效，如图4所示：

系统阵列中发生双盘失效意味着每个校验条带上丢失了两个数据块。首先，查询丢失的数据块在Hash链表中的对应条目。如果条目存在，再查看条目的“最新数据地址”字段(Cur_Ad)是否为空。如果“最新数据地址”字段不为空，则说明该数据块被更新过，按照“最新数据地址”(Cur_Ad)直接从日志盘中读出最新数据便可以恢复该数据块。如果“最新数据地址”字段(Cur_Ad)为空，则“初始数据地址”字段(Ori_Ad)必不为空，说明该数据块未被更新过，但其初始数据已被记录到日志盘中，因此，按照“初始数据地址”(Ori_Ad)从日志盘中读出初始数据便可以恢复该数据块。

如果某个丢失的数据块在Hash链表中不存在对应条目，则该数据块未更新过，针对校验条带上每个未丢失的数据块，查询其在Hash链表中的对应条目。如果条目不存在，说明该数据块未更新过，在数据磁盘上的数据就是该数据块的初始数据；如果条目存在，则按照条目中“初始数据地址”字段(Ori_Ad)从日志盘中读出该数据块的初始数据。读出了校验条带上每个未丢失的数据块的初始数据后，再结合校验块的初始数据，利用RAID6校验算法便可以计算出丢失的数据块的初始数据。由于该数据块未被更新过，其初始数据便是恢复数据。

(3.3)一个数据盘和一个校验盘失效。

RAID6阵列中的每个校验条带上丢失了一个数据块和一个校验块。其数据恢复过程与两个数据磁盘失效情况类似。首先恢复丢失的数据块的数据。查询丢失的数据块在Hash链表中的对应Hash条目。如果Hash条目存在，则可以从日志盘中直接恢复数据；如果条目不存在，则可以读取校验条带上的其他数据块的原始数据，然后按照RAID6校验算法恢复数据。待丢失数据块的数据恢复之后，按照RAID6校验算法计算出校验块的最新数据。

Claims

1.一种RAID6磁盘阵列写性能的优化方法，具体包括如下步骤：

(1)在RAID6磁盘阵列结构外设置日志盘，用于记录RAID6磁盘阵列中的数据块对应的日志记录，同时设置一个Hash链表，用于记录所述日志记录在日志盘中的位置地址信息；

(2)读写请求处理，其中写请求的处理包括：

(I)预读原始数据阶段

首先，针对每个校验条带，分别统计此次将被更新的数据块的集合和不被更新的数据块的集合在Hash链表中对应Hash条目的数目；

其次，根据所述将被更新或不被更新的数据块的集合对应Hash条目的数目，采用读改写或重构写的方式对数据块进行预读处理；

(II)写新数据阶段

针对校验条带上每一个此次将被更新的数据块，首先将其要写入的新数据放入到日志盘的日志缓冲区中，然后，如果该数据块在Hash链表中已经存在对应的Hash条目，则将该Hash条目的“最新数据地址”字段更新为刚才写入日志盘的新数据在日志盘中的地址；如果该数据块在Hash链表中不存在对应的Hash条目，则先在Hash链表中创建该数据块对应的Hash条目，然后再将刚才写入日志盘的新数据在日志盘中的地址记录在条目的“最新数据地址”栏中；接下来，将数据块的写请求下发到磁盘，在磁盘写操作完成之后，该次写请求即成功返回；

(3)发生双盘失效时的数据恢复

(I)如果两个校验磁盘失效

通过数据磁盘直接计算出最新的校验数据，恢复校验磁盘；

(II)如果两个数据磁盘失效

(A)查询丢失的数据块在Hash链表中的对应Hash条目；

(B)如果Hash条目存在，再查看Hash条目的“最新数据地址”字段是否为空，如果不为空，则直接从日志盘中读出最新数据便可以恢复该数据块，如果为空，则从日志盘中读出初始数据便可以恢复该数据块；

(C)如果不存在对应Hash条目，则该数据块未被更新过，针对校验条带上每个未丢失的数据块，查询其在Hash链表中的对应Hash条目，如果对应Hash条目不存在，在数据磁盘上的数据就是该数据块的初始数据；如果对应Hash条目存在，则按照该对应Hash条目中“初始数据地址”字段从日志盘中读出该数据块的初始数据；

(D)读出了校验条带上每个未丢失的数据块的初始数据后，再结合校验块的初始数据，即可计算出丢失的数据块的初始数据，该初始数据即为恢复数据；

(III)一个数据盘和一个校验盘失效

首先查询丢失的数据块在Hash链表中的对应Hash条目，如果对应的Hash条目存在，则从日志盘中直接恢复数据；如果Hash条目不存在，则读取校验条带上的其它未丢失的数据块和校验块的原始数据，然后按照RAID6校验算法恢复数据；

然后，在待丢失的数据块恢复后，通过校验条带上所有的数据块计算出校验块的最新数据。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤(2)中，如果校验条带上将被更新的数据块的集合比不被更新的数据块的集合对应Hash条目的数目少，则采用读改写的方式对数据块进行预读处理；否则，采用重构写的方式对数据块进行预读处理。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述采用读改写方式对数据块进行预读处理的具体过程为：

针对校验条带上此次将被更新的数据块的集合中的每个数据块，首先查询该数据块在Hash链表中是否存在对应Hash条目，如果条目不存在，则需要读取出该数据块对应的原始数据并放入日志盘的日志缓冲区，然后在Hash链表中创建一个该数据块对应的Hash条目，并在Hash条目的“初始数据地址”字段中记录刚才读出的原始数据写入到日志盘中的地址；反之，如果该数据块的对应Hash条目已经存在，则无需读取并记录该数据块的原始数据。

4.根据权利要求1-3之一所述的方法，其特征在于，所述采用重构写方式对数据块进行预读处理的具体过程为：

针对校验条带上此次不被更新的数据块的集合中的每一个数据块，查询该数据块在Hash链表中是否存在对应Hash条目，接下来的处理步骤跟读改写方式下相同：即如果Hash条目不存在则读取并记录该数据块对应的原始数据到日志盘中，并且为其在Hash链表中创建对应Hash条目，并在Hash条目的“初始数据地址”字段中记录刚才读出的原始数据写入到日志盘中的地址；如果Hash条目存在则无需读取并记录该数据块的原始数据。