CN103019622B - 一种数据的存储控制方法、控制器、物理硬盘，及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种数据的存储控制方法、控制器、物理硬盘，及系统。本发明实施例方法包括：控制器接收输入输出I/O请求；控制器依据获取的逻辑设备编号LUN与物理硬盘的对应关系，确定所述I/O请求中指示的LUN对应的物理硬盘；控制器将所述I/O请求发送给所述物理硬盘，使所述物理硬盘执行所述I/O请求。采用物理硬盘来处理I/O请求，控制器的处理器作为管理和转发寻址的功能设备，该方案利用分布式处理的思路，替代集中式处理，提供了实现单台高性能存储阵列的存储控制方案；该方案随着物理硬盘的增加，整个系统的处理能力也随之增加，可以实现存储阵列性能和容量的线性增加，提高存储阵列的性能。
Description
技术领域
本发明涉及电学技术领域，特别涉及一种数据的存储控制方法、装置，物理硬盘及系统。
背景技术
随着闪存价格的不断下降，以及人们对闪存可靠性疑虑的打消，以闪存为存储介质的固态硬盘（SolidStateDevice/SolidStateDrive，SSD）逐步得到应用。目前，SSD在外观形态以及接口规范上，大多数都从机械硬盘进行继承，例如2.5寸的大小、串行高级技术附件/串行小型计算机系统（SerialAdvancedTechnologyAttachment，SerialAttachedSCSI，SATA/SAS）接口等。这种做法的好处是，SSD可以直接插入到现有的存储阵列中，作为高性能存储资源为整个存储阵列进行加速，或者直接替代SATA/SAS硬盘以构建高性能存储阵列。
从已有的各种实践和数据来看，SATA/SAS接口并不能充分发挥闪存的性能。原因是：基于快捷外设互联标准（PeripheralComponentInterconnectExpress，PCIe）总线接口的SSD性能明显优于相同容量SATA/SAS接口的SSD。一些组织，例如高速非易失记忆（NonVolatileMemoryExpress，NVMe），已经在PCIeSSD接口规范上做了很大的努力，也取得了很大的成绩。PCIe接口的SSD，将会成为高性能存储的发展趋势。
目前的存储阵列系统进行数据存储控制，采用集中式管理，依靠具有强大的中央处理器（CentralProcessingUnit，CPU）的控制器来实现。
如图1所示，左右两边所示为两个控制器A和控制器B，高性能的CPU与大容量的内存可通信连接，CPU与PCIe软件（Software，SW）连接并通过PCIeSW和PCIeSW与DISK之间的PCIe总线与硬盘（DISK）连接，现场可编程门阵列（Field－ProgrammableGateArray，FPGA）或者专用集成电路（ApplicationSpecificIntegratedCircuit，ASIC）与PCIeSW连接，PCIeSW通过PCIe主机接口与主机连接。图1中所示为硬盘为DISK0~DISK11。
具体的数据存储控制方案为：1、高性能的通过PCIeSW和PCIe主机接口接收来自主机的读/写（InputandOutput，I/O）请求；2、高性能的将来自主机的I/O请求转换为对硬盘的I/O请求；还可能会依靠FPGA或者ASIC芯片，来协助处理I/O，例如协助处理独立硬盘冗余阵列（RedundantArrayofIndependentDisks，RAID）计算等；RAID是指将多个独立的硬盘组成一个硬盘组，同时将数据分割成多块，分别存在在该硬盘组的不同硬盘上，从而提升性能；不同硬盘上的数据采取复制或者校验的方法来提供冗余，能够在一块或者多块硬盘发生故障时保证数据不丢失。3、高性能的CPU执行对硬盘的I/O请求的具体内容，从而实现数据存储控制。
该方案是一种集中式的架构，由高性能CPU（还可搭配FPGA/ASIC）来驱动每块SSD的性能发挥，在后端SSD数量不多的情况下，可以充分发挥每一块SSD的性能，但是随着SSD的增加，控制器的计算能力很快会被耗尽，从而形成性能瓶颈。因此存储阵列内部无法做到性能和容量的线性增加。
发明内容
本发明实施例提供了一种数据的存储控制方法、装置，硬盘及系统，用于提供一种分布式的存储控制方法，来实现存储阵列性能和容量的线性增加，提高存储阵列的性能。
一种数据的存储控制方法，包括：
控制器接收输入输出I/O请求；
控制器依据获取的逻辑设备编号LUN与物理硬盘的对应关系，确定所述I/O请求中指示的LUN对应的物理硬盘；
控制器将所述I/O请求发送给所述物理硬盘，使所述物理硬盘执行所述I/O请求。
一种数据的存储控制方法，包括：
物理硬盘中的处理器接收来自控制器的I/O请求；所述物理硬盘由控制器依据所述I/O请求中指示的LUN以及获取的逻辑设备编号LUN与物理硬盘的对应关系确定；
物理硬盘中的处理器处理所述I/O请求，得到处理结果。
一种控制器，包括：
第一接收单元，用于接收输入输出I/O请求；
第一处理器，用于依据获取的逻辑设备编号LUN与物理硬盘的对应关系，确定所述第一接收单元接收的I/O请求中指示的LUN对应的物理硬盘；
发送单元，用于将所述I/O请求发送给所述第一处理器确定的物理硬盘，使所述物理硬盘执行所述I/O请求。
一种物理硬盘，包括：
第二接收单元，用于接收来自控制器的I/O请求，并转发给第二处理器；所述物理硬盘由控制器依据所述I/O请求中指示的LUN以及获取的逻辑设备编号LUN与物理硬盘的对应关系确定；
第二处理器，用于处理所述I/O请求，得到处理结果。
一种数据的存储控制系统，包括：
本发明实施例提供的控制器和本发明实施例提供的物理硬盘。
从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：采用物理硬盘来处理I/O请求，控制器的处理器作为管理和转发寻址的功能设备，该方案利用分布式处理的思路，替代集中式处理，提供了实现单台高性能存储阵列的存储控制方案；该方案随着物理硬盘的增加，整个系统的处理能力也随之增加，可以实现存储阵列性能和容量的线性增加，提高存储阵列的性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术采用集中式管理的装置结构图；
图2为本发明实施例方法流程示意图；
图3为本发明实施例另一方法流程示意图；
图4为本发明实施例采用分布式管理的结构示意图；
图5为本发明实施例数据架构示意图；
图6为本发明实施例控制器结构示意图；
图7为本发明实施例物理硬盘结构示意图；
图8为本发明实施例系统结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部份实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种数据的存储控制方法，如图2所示，包括：
201：控制器接收输入输出I/O请求；
上述I/O请求的来源可以是主机也可以是其他总线的I/O设备，其具体来源并不影响本发明实施例的实现，本发明实施例对此不予限定。
202：控制器依据获取的逻辑设备编号（logicalunitnumber，LUN）与物理硬盘的对应关系，确定上述I/O请求中指示的LUN对应的物理硬盘；
LUN与物理硬盘的对应关系的获得方式可能有很多种，例如：
控制器将接入的物理硬盘进行拆分，得到一个或一个以上的逻辑硬盘，将两个或两个以上的逻辑硬盘组成独立硬盘冗余阵列RAID，并建立LUN与RAID的对应关系，和LUN与物理硬盘的对应关系；或者，获取预先配置的对应关系，上述对应关系包括：物理硬盘与由其拆分得到的逻辑硬盘的对应关系，逻辑硬盘与两个或两个以上的逻辑硬盘组成的RAID的对应关系，LUN与RAID的对应关系，和LUN与物理硬盘的对应关系。后续实施例将就第一种方式进行更详细的说明。
LUN对应的物理硬盘可能为一个物理硬盘或者一个硬盘组，如果是硬盘组那么本发明实施例还提供了选择物理硬盘进行发送的策略：
若LUN对应的物理硬盘为物理硬盘组，上述确定上述I/O请求中指示的LUN对应的物理硬盘包括：控制器将上述物理硬盘组中当前更具处理能力的物理硬盘确定为上述I/O请求中指示的LUN对应的物理硬盘。
需要说明的是“当前更具处理能力的物理硬盘”是指更能及时处理该I/O请求的物理硬盘，其表现形式可以是出于空闲状态的物理硬盘，或者处理队列的等待时间更短的物理硬盘等，具体表现形式本发明实施例不予限定。
另外，物理硬盘可以是机械硬盘也可以是SSD，本发明实施例优选使用SSD，物理硬盘具体采用何种表现形式本发明实施例不予限定。
203：控制器将上述I/O请求发送给上述物理硬盘，使上述物理硬盘执行上述I/O请求。
以上实施例，采用物理硬盘来处理I/O请求，控制器的处理器作为管理和转发寻址的功能设备，该方案利用分布式处理的思路，替代集中式处理，提供了实现单台高性能存储阵列的存储控制方案；该方案随着物理硬盘的增加，整个系统的处理能力也随之增加，可以实现存储阵列性能和容量的线性增加，提高存储阵列的性能。
进一步地，上述方法还包括：控制器统计并记录各物理硬盘的工作状态。记录物理硬盘的工作状态，以后这些参数可以被提供给维护人员、运营商等，用于对存储阵列进行优化或者获知服务的提供质量以及服务的访问量等，这些数据最终的用途，本发明实施例不予限定。
本发明实施例还提供了一种数据的存储控制方法，如图3所示，包括：
301：物理硬盘中的处理器接收来自控制器的I/O请求；上述物理硬盘由控制器依据上述I/O请求中指示的LUN以及获取的逻辑设备编号LUN与物理硬盘的对应关系确定；
302：物理硬盘中的处理器处理上述I/O请求，得到处理结果。
以上实施例，采用物理硬盘来处理I/O请求，控制器的处理器作为管理和转发寻址的功能设备，该方案利用分布式处理的思路，替代集中式处理，提供了实现单台高性能存储阵列的存储控制方案；该方案随着物理硬盘的增加，整个系统的处理能力也随之增加，可以实现存储阵列性能和容量的线性增加，提高存储阵列的性能。
由于I/O请求对应的处理数据可能在很多个逻辑硬盘上，接收到I/O请求的物理硬盘可以直接处理，也可以将其发送给其它物理硬盘进一步实现更加彻底的分布式处理，具体方案如下：上述处理上述I/O请求包括：获取上述I/O请求中指示的逻辑设备编号LUN；获取上述LUN对应的RAID；获取组成上述RAID的逻辑硬盘所在的物理硬盘；按照上述I/O请求对应的处理数据对应逻辑硬盘所在的物理硬盘将上述I/O请求进行拆分，然后将各拆分后的I/O请求发送给拆分后的I/O请求对应的物理硬盘，使接收到拆分后的I/O请求物理硬盘处理各自接收到的拆分后的I/O请求。
上述确定物理硬盘的方案可能有很多，本发明实施例给出了一个可选的方案，具体为：上述获取上述LUN对应的RAID；获取组成上述RAID的逻辑硬盘所在的物理硬盘，包括：获取由上述控制器生成的上述LUN对应的RAID，以及组成上述RAID的逻辑硬盘所在的物理硬盘。
本发明实施例提供的方案，基于图4所示的全PCIe交换架构，可以一并参阅图1，PCIeSW通过主机接口与主机连接，图4所示的硬盘为DISK0~DISKn，去掉了FPGA/ASIC；图4中的总线可以是任意总线，将这么一台全PCIe交换架构的存储阵列，看成一个存储集群，该存储集群中，每一块PCIe接口的硬盘都具备一定的处理能力，成为组成该集群的存储节点；弱化控制器的CPU，消除FPGA/ASIC，降低控制机框的成本；最终利用集群的思想，在单台存储阵列内部，实现性能和容量的同步线性增长；
图4与图1相比，在控制器硬件架构层面并无太大变化，均为基于PCIe交换的架构，只是图4所示架构中的CPU计算能力可以明显减弱，因为本发明实施例将大量的计算工作通过集群的方式散步到多块不同的物理硬盘，从而减轻了对控制器CPU的依赖。后续实施例将就此进行详细说明。
硬盘采用PCIe接口，通过PCIe接口总线与控制器连接：每一块PCIe接口的硬盘都具备一块嵌入式CPU，该CPU不仅对同一块硬盘内部的存储空间进行管理，还可以通过PCIe总线去访问别的物理硬盘（后续处理流程将给出说明）。本发明实施例中I/O请求来自于主机，需要说明的是I/O请求的来源并不影响本发明实施例的实现，也可以是来自于I/O的其他设备，本发明实施例对此不予限定。
控制器上的“普通CPU”，除了管理控制工作外，主要承担多路径选路的职责，将主机发给存储阵列的I/O请求转发给物理硬盘。其中，管理控制工作包含建立图5所示的逻辑结构，具体为：
通过某种算法或者手工配置，让所有PCIe接口硬盘形成多个组，每个组包含多个硬盘；我们称每一块PCIe接口的硬盘为“物理硬盘”，每一块物理硬盘被拆分为一个或者多个“逻辑硬盘”；来自不同物理硬盘的逻辑硬盘，被选出来组成RAID组，之后再向主机提供LUN服务。图5所示为2个硬盘组，硬盘组#1，硬盘组#2；每个硬盘组均包含2个物理硬盘，物理硬盘PD-1~物理硬盘PD-4，每个物理硬盘被拆分为3个逻辑硬盘，逻辑硬盘LD-1-1~逻辑硬盘LD-4-3，RAID组（RAID组1和RAID组2）的成员盘可以来自不同物理硬盘上的逻辑硬盘，RAID组1上建立2个LUN，LUN0和LUN1，RAID组2上建立1个LUN，LUN2。
主机可以所看到的LUN，由于LUN的容量来自于RAID组，因此其容量散布在多个硬盘上，同时每一个LUN在逻辑上可以配置其与一个硬盘组对应，即LUN“归属”于一个硬盘组。所谓“归属”，指的是该LUN的I/O处理，均交由特定的硬盘组中的硬盘来处理。以图5举例，假设LUN0、1归属于硬盘组1，LUN2归属于硬盘组2。
控制器的转发功能及其具体实现的过程为：
1、控制器的CPU接收到主机访问LUN2的请求后，控制器的CPU在硬盘组2的物理硬盘中（PD-3和PD-4）任意选择一个，然后将该I/O交给它，不妨假设PD-4；选择物理硬盘可以采用负载均衡的方式来进行具体选择。
2、PD-4内嵌的CPU接收到该I/O后，经过查询相关表项（该表项即为前述通过某种算法或者手工配置得到的各种对应关系），得知LUN2最终散布在PD-1、3、4这几个物理硬盘上，于是PD-4对主机I/O进行拆分并进行RAID计算，然后将拆分后的I/O分别转发到对应的物理硬盘上，然后接收各物理硬盘的响应，最终再将响应发送至主机，从而完成一次交互；
整个阵列利用集群的思想，在单台存储阵列内部，增加物理硬盘的同时，可以同时增加了CPU计算能力，从而实现性能和容量的同步线性增长。
本发明实施例还提供了一种控制器，如图6所示，包括：
第一接收单元601，用于接收输入输出I/O请求；
第一处理器602，用于依据获取的逻辑设备编号LUN与物理硬盘的对应关系，确定上述第一接收单元601接收的I/O请求中指示的LUN对应的物理硬盘；
发送单元603，用于将上述I/O请求发送给上述第一处理器602确定的物理硬盘，使上述物理硬盘执行上述I/O请求。
以上实施例，采用物理硬盘来处理I/O请求，控制器的处理器作为管理和转发寻址的功能设备，该方案利用分布式处理的思路，替代集中式处理，提供了实现单台高性能存储阵列的存储控制方案；该方案随着物理硬盘的增加，整个系统的处理能力也随之增加，可以实现存储阵列性能和容量的线性增加，提高存储阵列的性能。
进一步地，第一处理器602，还用于将接入的物理硬盘进行拆分，得到一个或一个以上的逻辑硬盘，将两个或两个以上的逻辑硬盘组成独立硬盘冗余阵列RAID，并建立LUN与RAID的对应关系，和LUN与物理硬盘的对应关系；或者，还用于获取预先配置的对应关系，上述对应关系包括：物理硬盘与由其拆分得到的逻辑硬盘的对应关系，逻辑硬盘与两个或两个以上的逻辑硬盘组成的RAID的对应关系，LUN与RAID的对应关系，和LUN与物理硬盘的对应关系。
可选地，若LUN对应的物理硬盘为物理硬盘组，上述第一处理器602，具体用于将上述物理硬盘组中当前更具处理能力的物理硬盘确定为上述I/O请求中指示的LUN对应的物理硬盘。
进一步地，上述第一处理器602，还用于统计并记录各物理硬盘的工作状态。
本发明实施例还提供了一种物理硬盘，如图7所示，包括：
第二接收单元701，用于接收来自控制器的I/O请求，并转发给第二处理器702；上述物理硬盘由控制器依据上述I/O请求中指示的LUN以及获取的逻辑设备编号LUN与物理硬盘的对应关系确定；
第二处理器702，用于处理上述I/O请求，得到处理结果。
以上实施例，采用物理硬盘来处理I/O请求，控制器的处理器作为管理和转发寻址的功能设备，该方案利用分布式处理的思路，替代集中式处理，提供了实现单台高性能存储阵列的存储控制方案；该方案随着物理硬盘的增加，整个系统的处理能力也随之增加，可以实现存储阵列性能和容量的线性增加，提高存储阵列的性能。
可选地，上述第二处理器702，具体用于获取上述I/O请求中指示的逻辑设备编号LUN；获取上述LUN对应的RAID；获取组成上述RAID的逻辑硬盘所在的物理硬盘；按照上述I/O请求对应的处理数据对应逻辑硬盘所在的物理硬盘将上述I/O请求进行拆分，然后将各拆分后的I/O请求发送给拆分后的I/O请求对应的物理硬盘，使接收到拆分后的I/O请求物理硬盘处理各自接收到的拆分后的I/O请求。
可选地，上述第二处理器702，用于上述获取上述LUN对应的RAID；获取组成上述RAID的逻辑硬盘所在的物理硬盘，包括：用于获取由上述控制器生成的上述LUN对应的RAID，以及组成上述RAID的逻辑硬盘所在的物理硬盘。
本发明实施例还提供了一种数据的存储控制系统，如图8所示，包括：
本发明实施例提供的控制器801和本发明实施例提供的物理硬盘802。物理硬盘802的数量可以有很多个，图8中所示为N个。
值得注意的是，上述控制器和物理硬盘实施例中，所包括的各个单元只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。
另外，本领域普通技术人员可以理解实现上述各方法实施例中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，相应的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
以上仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明实施例揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (11)
1.一种数据的存储控制方法，其特征在于，包括：
控制器接收输入输出I/O请求；
控制器获取预先配置的对应关系，所述对应关系包括：物理硬盘与由其拆分得到的逻辑硬盘的对应关系，逻辑硬盘与两个或两个以上的逻辑硬盘组成的RAID的对应关系，LUN与RAID的对应关系，和LUN与物理硬盘的对应关系；
控制器依据获取的逻辑设备编号LUN与物理硬盘的对应关系，确定所述I/O请求中指示的LUN对应的物理硬盘；
控制器将所述I/O请求发送给所述物理硬盘，使所述物理硬盘执行所述I/O请求。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，若LUN对应的物理硬盘为物理硬盘组，所述确定所述I/O请求中指示的LUN对应的物理硬盘包括：
控制器将所述物理硬盘组中当前更具处理能力的物理硬盘确定为所述I/O请求中指示的LUN对应的物理硬盘。
3.根据权利要求1至2任意一项所述方法，其特征在于，还包括：
控制器统计并记录各物理硬盘的工作状态。
4.一种数据的存储控制方法，其特征在于，包括：
物理硬盘中的处理器接收来自控制器的I/O请求；所述物理硬盘由控制器依据所述I/O请求中指示的LUN以及获取的逻辑设备编号LUN与物理硬盘的对应关系确定；
物理硬盘中的处理器处理所述I/O请求，得到处理结果；
所述处理所述I/O请求包括：
获取所述I/O请求中指示的逻辑设备编号LUN；获取所述LUN对应的RAID；获取组成所述RAID的逻辑硬盘所在的物理硬盘；
按照所述I/O请求对应的处理数据对应逻辑硬盘所在的物理硬盘将所述I/O请求进行拆分，然后将各拆分后的I/O请求发送给拆分后的I/O请求对应的物理硬盘，使接收到拆分后的I/O请求的物理硬盘处理各自接收到的拆分后的I/O请求。
5.根据权利要求4所述方法，其特征在于，所述获取所述LUN对应的RAID；获取组成所述RAID的逻辑硬盘所在的物理硬盘，包括：
获取由所述控制器生成的所述LUN对应的RAID，以及组成所述RAID的逻辑硬盘所在的物理硬盘。
6.一种控制器，其特征在于，包括：
第一接收单元，用于接收输入输出I/O请求；
第一处理器，用于依据获取的逻辑设备编号LUN与物理硬盘的对应关系，确定所述第一接收单元接收的I/O请求中指示的LUN对应的物理硬盘；
发送单元，用于将所述I/O请求发送给所述第一处理器确定的物理硬盘，使所述物理硬盘执行所述I/O请求；
第一处理器，还用于获取预先配置的对应关系，所述对应关系包括：物理硬盘与由其拆分得到的逻辑硬盘的对应关系，逻辑硬盘与两个或两个以上的逻辑硬盘组成的RAID的对应关系，LUN与RAID的对应关系，和LUN与物理硬盘的对应关系。
7.根据权利要求6所述控制器，其特征在于，若LUN对应的物理硬盘为物理硬盘组，所述第一处理器，具体用于将所述物理硬盘组中当前更具处理能力的物理硬盘确定为所述I/O请求中指示的LUN对应的物理硬盘。
8.根据权利要求6至7任意一项所述控制器，其特征在于，
所述第一处理器，还用于统计并记录各物理硬盘的工作状态。
9.一种物理硬盘，其特征在于，包括：
第二接收单元，用于接收来自控制器的I/O请求，并转发给第二处理器；所述物理硬盘由控制器依据所述I/O请求中指示的LUN以及获取的逻辑设备编号LUN与物理硬盘的对应关系确定；
第二处理器，用于处理所述I/O请求，得到处理结果；
所述第二处理器，具体用于获取所述I/O请求中指示的逻辑设备编号LUN；获取所述LUN对应的RAID；获取组成所述RAID的逻辑硬盘所在的物理硬盘；按照所述I/O请求对应的处理数据对应逻辑硬盘所在的物理硬盘将所述I/O请求进行拆分，然后将各拆分后的I/O请求发送给拆分后的I/O请求对应的物理硬盘，使接收到拆分后的I/O请求物理硬盘处理各自接收到的拆分后的I/O请求。
10.根据权利要求9所述物理硬盘，其特征在于，
所述第二处理器，用于所述获取所述LUN对应的RAID；获取组成所述RAID的逻辑硬盘所在的物理硬盘，包括：用于获取由所述控制器生成的所述LUN对应的RAID，以及组成所述RAID的逻辑硬盘所在的物理硬盘。
11.一种数据的存储控制系统，其特征在于，包括：
权利要求6的控制器和权利要求9的物理硬盘，或者权利要求7的控制器和权利要求10的物理硬盘。
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Legal Events
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| 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 |