CN102662607B - 一种raid6级别混合磁盘阵列及其性能加速和可靠性提高方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种RAID6级别混合磁盘阵列，包括数个固态盘，用于存储数据；两个磁盘，各磁盘中的部分空间作为校验盘空间，剩余空间作为镜像日志区，且镜像日志区中数据块的位置索引信息记录在一块日志链表中；和管理控制单元，用于控制上层应用程序对该阵列的访问，具体包括：监控模块、数据分发模块和数据回收模块，监控模块用于监控应用程序的I/O访问并识别出其中的写数据，数据分发模块用于将监控模块识别到的写数据分发到固态盘或镜像日志区中，数据回收模块用于将写数据从镜像日志区回收至固态盘。本发明还公开了一种上述阵列的性能加速和可靠性提高方法。本发明可用于各种负载突发的存储环境，适用于构建具有高性能、高可靠性的存储系统。
Description
技术领域
本发明属于磁盘阵列性能优化技术领域，具体涉及一种RAID6级别磁盘阵列及其性能优化方法。
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结构有以下几个典型标准。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，但安全系数最低。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具有最高的安全性，但磁盘利用率最低，仅50％。RAID5级：无独立校验盘的奇偶校验磁盘阵列。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级结构在存储系统中扮演着越来越重要的角色。目前的RAID6级阵列由于每次写操作都要计算校验并且写校验，影响了RAID6的写性能和可靠性，影响了磁盘的使用寿命，也不利于降低系统能耗。
发明内容
本发明的目的之一在于提出一种RAID6级别混合磁盘阵列，解决目前的RAID6级阵列写性能和可靠性不佳，寿命和系统能耗不理想的问题。
实现本发明该目的所采用的技术方案如下：
一种RAID6级别混合磁盘阵列，包括：
数个固态盘，作为数据盘，用于存储数据；
两个磁盘，各磁盘中的部分空间用作校验盘，剩余空间用作镜像日志区，用来暂时缓存写数据，且所述镜像日志区中数据块的位置索引信息记录在一个块日志链表中；和
管理控制单元，其用于控制上层应用程序对该阵列的访问，并管理RAID6混合磁盘阵列，具体包括：
其中，所述管理控制单元包括监控模块、数据分发模块和数据回收模块，其中，
监控模块用于监控应用程序的I/O访问，并识别出其中的写数据，同时计算I/O访问强度。
数据分发模块用于将监控模块识别到的写数据分发到固态盘或镜像日志区中。
数据回收模块用于在I/O访问强度低于预设阈值时，将写数据从镜像日志区回收至固态盘。
所述管理控制单元还包括管理模块和数据恢复模块，该预设阈值通过管理模块进行设定，该数据恢复模块用于在出现导致固态盘和磁盘数据丢失或者损坏时进行恢复处理。
所述块日志链表保存在RAID6混合磁盘阵列中的非易失性内存(NVRAM)中。
系统运行过程中，当监控模块识别到写数据后，由数据分发模块将该写数据写入镜像日志区，当监控模块监控到系统负载低或处于空闲状态时(即I/O访问强度低于预设阈值)，再由数据回收模块将写数据回写至固态盘中，并同步校验，恢复正常RAID6数据流程。
其中，预设阈值根据I/O负载的不同而不同，具体可以根据实际情况进行设定。
对镜像日志区的写操作以及数据的改写和更新均采取顺序方式。镜像日志区还用来在校验盘发生故障时利用数据恢复模块进行数据恢复。
本发明还公开了一种上述RAID6级别混合磁盘阵列的性能加速和可靠性提高方法，以解决现有的磁盘阵列RAID6级别在负载较大时写性能不好的问题，该方法具体包括如下步骤：
(1)数据读写处理步骤：
(1.1)写请求处理
接收到写请求时，首先检查该请求是否与之前的请求是顺序的。如果是，将该请求与其前面的请求合并，由数据分发模块将数据写入镜像日志区，同时，一个新的针对该请求的块日志条目被创建并加入到块日志链表中；若请求是随机的，数据同样被写入镜像日志区，一个新的针对该请求的块日志条目被创建并加入到块日志链表中。
(1.2)读请求处理方法
当接收到读请求时，首先检查块日志链表中是否有对应该请求的条目。若有，则将数据从镜像日志区中读取；否则，到固态盘中读取所请求的数据。
(2)校验重新同步处理步骤，具体包括：
(2.1)I/O负载低于预设阈值时的校验重新同步处理
当I/O负载低于预设阈值时，顺序遍历所述块日志链表，对于链表中的每一个条目，找到该条目对应的数据块所在的校验条带，读取出校验条带上所有的数据块，通过数据块计算出新的校验块，再将新的校验块写入校验盘。然后，在块日志链表中删除所有该校验条带上的数据块所对应的条目。当块日志链表中的所有数据条目都被删除时，即完成校验同步。
(2.2)一块固态盘和一块校验盘失效后的校验重新同步处理
当一块固态盘和一块校验盘失效时，首先将固态盘上失效的数据块恢复，然后根据该恢复的数据块计算出新的校验块，将该新的校验块写入校验盘，即完成校验重新同步，RAID6阵列恢复到一致状态。
(2.3)镜像日志区写满后的校验重新同步处理
如果镜像日志区被写满，则不能再向其中添加新的日志记录，此时直接将写数据回收到固态盘中，并进行校验同步。
(3)元数据更新和一致性检验处理步骤
(3.1)元数据更新
采用异步方式对元数据进行更新，可以是周期性更新或在系统处于空闲状态时进行更新。
(3.2)一致性检验
确定块日志校验和，若校验和为零，表示元数据无误；若校验和不为零，则表明元数据有误。
(4)固态盘或磁盘失效后的数据恢复步骤，包括：
(4.1)一个校验盘失效的数据恢复
如果一个校验盘失效，根据块日志链表将写数据回收至固态盘，同时校验数据通过RAID6恢复算法得以恢复；数据回收过程完成后，新添加校验盘的部分空间和未失效校验盘的日志空间重新组合成镜像日志区。
(4.2)一个固态盘和一个校验盘失效的数据恢复
一个固态盘和一个校验盘失效，意味着每个校验条带丢失一个数据块和一个校验块。如果丢失的数据块在块日志链表中有对应的条目，那么它可以直接从镜像日志区中读取；否则它可以通过RAID6恢复算法来得到恢复。丢失的数据块复原后，通过校验条带上所有的数据块计算并更新校验块，将该更新的校验块写入校验盘，完成校验同步操作，使RAID6阵列恢复到一致状态。
(4.3)两个固态盘失效的数据恢复
在两个固态盘失效的情况下，RAID6阵列中每个校验条带丢失了两个数据块。首先，查询丢失的数据块在块日志链表中的对应条目，如果条目存在，则直接从镜像日志区中读出数据即可恢复该数据块；如果丢失的数据块在块日志链表中不存在对应条目，说明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，其初始数据可以从固态盘中读出。读出校验条带上每个未丢失的数据块的初始数据后，结合校验块的初始数据，利用RAID6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。
本发明构建了一种新的结合镜像日志的混合磁盘阵列架构，并通过数据读写、元数据更新和一致性检验、校验重新同步以及硬盘失效后数据恢复对阵列进行优化，利用固态盘快速的读性能和低能耗的优点，以及磁盘持久、可靠、顺序写速度快的写性能优点，结合镜像日志，从而大大提高了该RAID6混合阵列的写性能和可靠性，并延长了固态盘的使用寿命，降低了系统能耗。
附图说明
图1为本发明系统架构示意图；
图2为本发明的块日志链表结构示意图；
图3为本发明的写请求处理示意图；
图4为本发明的读请求处理示意图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步详细说明。
如图1所示，RAID6混合磁盘阵列210由固态盘210.1、210.2...210.n和两块磁盘的部分空间210.n+1、210.n+2组成，210.1、210.2...210.n用作数据盘，210.n+1、210.n+2用作校验盘，磁盘的剩余部分220.1、220.2组成了镜像日志区220，用来吸收写数据，镜像日志区220中数据块的位置索引信息记录在块日志链表230中，该链表保存在RAID6混合磁盘阵列210中的非易失性内存(NVRAM)中。
RAID6混合磁盘阵列210还包括管理控制单元。
该管理控制单元包括管理模块110、监控模块120、数据分发模块130、数据回收模块140和数据恢复模块150。
管理模块110为系统管理员提供一个配置参数的界面，以进行I/O访问预设阈值的设定。
监控模块120负责监控应用程序的I/O访问，识别随机的写访问并计算I/O强度。
数据分发模块130负责将I/O请求分发到阵列或镜像日志区中。
数据回收模块140负责将写数据从镜像日志区回收至阵列。
数据恢复模块150在出现导致硬盘数据丢失或者损坏的中断时进行恢复处理。
监控模块120负责监控应用程序的I/O访问，当识别到写数据后，由数据分发模块130将该写数据写入镜像日志区220。当监控模块120监控到系统负载低或处于空闲状态时，再由数据回收模块140将写数据回写至固态盘210.1、210.2...或210.n中，并同步校验，恢复正常RAID6数据流程。
对镜像日志区220的写操作以及数据的改写和更新均采取顺序方式。
镜像日志区220还用来在校验盘210.n+1或210.n+2发生故障时利用数据恢复模块150进行数据恢复。
图2显示了本发明的块日志链表结构示意图。块日志链表230由若干个条目230.1、230.2、230.3...230.n组成，每个条目包含若干项，以条目230.3为例：LBA 230.31表示数据块在RAID6阵列210中的偏移量；buf_log_LBA 230.32表示数据块在镜像日志区220中的偏移量；reclaim_flg 230.33代表一个标识，该变量的值在回收操作完成后进行设置；length 230.34表示数据块的长度；hash_pre 230.35和hash_next 230.36是用来连接链表的指针。
上述的RAID6混合磁盘阵列210的性能加速和可靠性提高方法，具体如下：
(1)数据读写处理步骤
(1.1)写请求处理
图3是本发明的写请求处理示意图。系统接收到写请求时，监控模块120首先检查该请求是否与之前的请求是顺序的。如果是，则监控模块120将该请求与其前面的请求合并，由数据分发器130将数据写入镜像日志区220，同时，一个新的针对该请求的块日志条目230.m被加入到块日志链表230中；若请求是随机的，数据同样被写入镜像日志区220，一个新的针对该请求的块日志条目230.n被创建并加入到块日志链表230中。
(1.2)读请求处理
本发明的读请求处理示意图如图4所示。当接收到读请求时，监控模块120首先检查块日志链表230中是否有对应该请求的条目。若有，则将数据从镜像日志区220中读取；否则，所请求的数据要到RAID6阵列210中的固态盘210.1、210.2...或210.n中去读取。
(2)校验重新同步处理步骤
在系统中，校验的重新同步操作可能发生在以下3种情况：应用负载从聚发变为空闲、一块数据盘210.1、210.2...或210.n和一块校验盘210.n+1或210.n+2失效、镜像日志区220写满。
(2.1)应用负载从聚发变为空闲时的校验重新同步
当系统检测到应用负载从聚发变为空闲时，系统顺序遍历块日志链表230，对于链表230中的每一个条目230.1、230.2...或230.n，系统找到该条目对应的数据块所在的校验条带，读取出校验条带上所有的数据块，通过数据块计算出新的校验块，再将新的校验块写入校验磁盘210.n+1或210.n+2。然后，系统在块日志链表230中删除所有该校验条带上的数据块所对应的条目。当块日志链表230中的所有数据条目都被删除时，系统的校验同步操作就完成了。
(2.2)一块数据盘和一块校验盘失效后的校验重新同步
当数据盘230.1和校验盘230.n+1失效时，系统需要立即进行校验同步操作，首先将失效的数据块恢复，然后启动校验重新同步操作，使RAID6阵列210恢复到一致状态。
(2.3)镜像日志区写满后的校验重新同步
如果镜像日志区220被写满，则不能再向其中添加新的日志记录。此时写数据要回收到RAID6阵列210中，系统在此时要进行校验同步。
(3)元数据更新和一致性检验处理步骤
(3.1)元数据更新
采用异步方式更新包括块日志链表230在内的HRAID6ML元数据，其策略是对元数据进行周期性更新或当系统处于空闲状态时进行更新；使用时钟来判断系统是否处于空闲状态；当系统调用I/O函数时时钟复位，当时钟时间出现超时(比如超过5秒)唤醒异步更新线程。
(3.2)一致性检验
使用校验和算法来保证元数据的低出错率。检验和计算方式为：，Ai表示第i条块日志，若校验和为零，表示元数据无误；若校验和不为零，则表明元数据有误。
(4)硬盘失效后的数据恢复处理步骤
硬盘失效一般是固态盘失效或者磁盘失效，具体情况有以下三种：
(4.1)一个校验磁盘失效
如果校验磁盘210.n+1失效，系统根据块日志链表230将写数据回收至RAID6阵列210，同时校验部分利用RAID6恢复算法得以恢复；数据回收过程完成后，新添加校验磁盘的部分空间和未失效校验磁盘的日志空间重新组合成镜像日志区220。
(4.2)一个固态盘和一个校验磁盘失效
固态盘210.1和校验磁盘210.n+1失效，意味着每个校验条带丢失一个数据块和一个校验块。如果丢失的数据块在块日志链表230中有对应的条目，那么它可以直接从镜像日志区220中读取；否则它可以通过RAID6恢复算法来得到恢复。丢失的数据块复原后，通过校验条带上所有的数据块计算并更新校验块，完成校验同步操作，使RAID6阵列210恢复到一致状态。
(4.3)两个固态盘失效
在两个固态盘210.1和210.2同时失效的情况下，RAID6阵列210中每个校验条带丢失了两个数据块。首先，查询丢失的数据块在块日志链表230中的对应条目，如果条目存在，则直接从镜像日志区220中读出数据即可恢复该数据块；如果丢失的数据块在块日志链表230中不存在对应条目，说明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，其初始数据可以从RAID6阵列210中读出。读出校验条带上每个未丢失的数据块的初始数据后，结合校验块的初始数据，利用RAID6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。
Claims (9)
1.一种RAID6级别混合磁盘阵列，包括：
数个固态盘，其作为数据盘，用于存储数据；
两个磁盘，各磁盘中的部分空间作为校验盘空间，剩余空间作为镜像日志区，用来暂时缓存写数据，且所述镜像日志区中数据块的位置索引信息记录在一个块日志链表中；和
管理控制单元，其用于控制上层应用程序对该阵列的访问，具体包括：监控模块、数据分发模块和数据回收模块，其中，所述监控模块用于监控应用程序的I/O访问，并识别出其中的写数据，同时计算I/O访问强度，所述数据分发模块用于将监控模块识别到的写数据分发到固态盘或镜像日志区中，所述数据回收模块用于在所述I/O访问强度低于预设阈值时将写数据从镜像日志区回收至固态盘。
2.根据权利要求1所述的一种RAID6级别混合磁盘阵列，其特征在于，所述的管理控制单元还包括管理模块和数据恢复模块，所述预设阈值通过该管理模块进行设定，所述数据恢复模块用于在出现导致固态盘和磁盘数据丢失或者损坏时进行数据恢复。
3.根据权利要求1或2所述的一种RAID6级别混合磁盘阵列，其特征在于，所述块日志链表保存在非易失性内存(NVRAM)中。
4.一种权利要求1-3之一所述的RAID6级别混合磁盘阵列的性能加速和可靠性提高方法，其特征在于，该方法具体包括：
(1)数据读写处理步骤，其包括写请求的处理和读请求的处理：对于写请求，由所述数据分发模块将写数据写入镜像日志区，同时创建针对该写请求的块日志条目并加入到所述块日志链表中；对于读请求，若所述日志链表中有对应该读请求的条目，则将数据从镜像日志区中读取；否则，到固态盘中读取所请求的数据；
(2)校验重新同步处理步骤；
(3)采用异步方式对元数据进行更新步骤；
(4)固态盘或磁盘失效后的数据恢复步骤。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)中固态盘或磁盘失效后的数据恢复步骤具体包括：
(4.1)一个校验盘失效的数据恢复：根据所述块日志链表将写数据回收至固态盘，同时恢复校验数据，并在数据回收过程完成后，新添加校验盘的部分空间和未失效校验盘的日志空间重新组合，作为镜像日志区；
(4.2)一个固态盘和一个校验盘失效的数据恢复：首先，若丢失的数据块在块日志链表中有对应的条目，从镜像日志区中读取恢复，否则进行直接恢复；丢失的数据块恢复后，通过校验条带上所有的数据块计算并更新校验块，将该更新的校验块写入校验盘，即完成校验同步操作；
(4.3)两个固态盘失效的数据恢复：首先，查询丢失的数据块在块日志链表中的对应条目，如果条目存在，则直接从镜像日志区中读出数据即可恢复该数据块；如果丢失的数据块在块日志链表中不存在对应条目，则首先读出校验条带上每个未丢失的数据块的初始数据，再结合校验块的初始数据，计算出丢失的数据块的初始数据，该初始数据便是待恢复数据。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中的校验重新同步具体包括：
(2.1)I/O负载低于预设阈值时的校验重新同步处理
首先，顺序遍历所述块日志链表，对于链表中的每一个条目，找到该条目对应的数据块所在的校验条带，读取出校验条带上所有的数据块，通过数据块计算出新的校验块，再将新的校验块写入校验盘；然后，在所述块日志链表中删除所有该校验条带上的数据块所对应的条目，当块日志链表中的所有数据条目都被删除时，即完成校验同步；
(2.2)一块固态盘和一块校验盘失效后的校验重新同步处理
首先，将固态盘上失效的数据块恢复，然后根据该恢复的数据块计算出新的校验块，将该新的校验块写入校验盘，即完成校验重新同步；
(2.3)镜像日志区写满后的校验重新同步处理：直接将写数据回收到固态盘中，并进行校验同步。
7.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，对元数据进行更新后还包括进行一致性检验的步骤，具体为：首先确定块日志校验和，若校验和为零，表示元数据无误；若校验和不为零，则表明元数据有误。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中对元数据的更新可以是周期性更新或在空闲状态时进行更新。
9.根据权利要求4，5和8之一所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)对写请求处理过程中，还包括对接收到的写请求进行检查的过程，即确定该写请求是否与其前面的写请求是顺序的，如果是，将先将该写请求与其前面的写请求合并，再由数据分发模块将数据写入镜像日志区。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |