CN103294412B - 实现用于瓦状磁体记录的大块随机写入热备份固态驱动器 - Google Patents

实现用于瓦状磁体记录的大块随机写入热备份固态驱动器 Download PDF

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Abstract

提供一种方法和存储系统，用于于在廉价磁盘冗余阵列(RAID)中的瓦状磁体记录(SMR)驱动器实现对持续的大块随机写入性能机制。在RAID中，提供SMR驱动器屠户固态驱动器(SSD)。该SDD用于热备份模式，当对于在RAID中的SMR驱动器识别大块随机写入事件时，该模式被激活。在热备份模式下，该SDD为所识别的SMR驱动器暂时接收新引入的写入。接着该被识别的SMR驱动器从SSD更新以恢复所识别的SMR驱动器的状态，并且仅采用在RAID中的SMR驱动器继续标准写入操作。

Description

实现用于瓦状磁体记录的大块随机写入热备份固态驱动器
技术领域
本发明一般涉及数据存储领域，以及特别涉及一种方法和存储系统，用于实现用于在廉价磁盘冗余阵列(RAID)中的瓦状磁体记录(SMR)盘驱动器的大块随机写入热备份的固态驱动器(SSD)。
背景技术
许多数据处理应用需要长期数据存储并且特别是高程度的数据完整性。特别地这些需求是通过非易失数据存储设备来满足的。非易失存储或持久媒体可以通过多种设备提供，最普遍的，可以通过直接存取存储设备(DASDs)提供，这种设备也被称为硬盘驱动器(HDDs)，并且优选地包括瓦状盘驱动器(SDD)。
瓦状盘驱动器(SDD)是一种使用瓦状磁体记录(SMR)在重叠的环形轨道中的可写入盘表面上记录磁性图样的数据的硬盘驱动器，以实现比传统的垂直磁性记录(PMR)更高的轨道密度。该SMR驱动器可以是，例如，优选地被包含在廉价磁盘冗余阵列(RAID)中来形成大规模、高容量的盘阵列和存储子系统。然而，由于SMR驱动器特别装备有盘上写入缓冲器，由此在这种数据被最终倒盘到相应的数据轨道前，引入的写入请求被暂时存储或缓存，由于可用盘上缓冲器的空间以及对高负载大量写入的回写容量的限制，其通常趋向面对性能的降低。负载为工作负荷以及被定义为到达任务的数据大小除以在某个时间周期内以往或完成的任务的数据大小。此外，SMR驱动器具有与PMR驱动器相类似的搜索时延特性，在高负载的随机写入请求下，同样可以观察到性能的降低。
存在一种实现用于在廉价磁盘冗余阵列(RAID)中的SMR驱动器的持续大块随机写入性能机制的有效且高效的方法和设备的需求。
发明内容
本发明的各方面提供一种方法和存储系统，其用于实现在具有热备份SSD的RAID配置中的SMR驱动器的大块随机写入性能机制。本发明的其他重要方面提供这样的方法和存储系统，其大体上没有负面影响且克服了现有技术配置中的某些缺点。
总之，提供一种方法和存储系统，其用于在具有热备份SSD的RAID配置中实现SMR驱动器的大块随机写入性能机制。由于SSD通常具有与SMR驱动器不同的缺陷和性能特性，在RAID中提供有固态驱动器(SSD)和SMR驱动器。该SSD或其他更快的非易失性存储媒体在热备份模式中被使用，当对于RAID中的特定的SMR驱动器识别到大块随机写入事件时，该热备份模式被预定和激活。在热备份模式下，该SSD响应于所识别的高负载大块随机写入事件，为该识别的、性能降低的SMR驱动器暂时接收新引入的写入。
附图说明
本发明与上述和其他目标和优点将从以下在附图中阐述的本发明的实施例的详细说明被更好的理解，其中：
图1是表示根据本发明实施例用于实现对于在廉价磁盘冗余阵列(RAID)中的SMR驱动器的持续大块随机写入性能机制的存储系统的方框图；
图2未按比例地示意性地阐释了根据本发明实施例的图1的系统的RAID中的SMR驱动器中的瓦状写入的示例块；
图3示意性地阐释了根据本发明实施例的在采用瓦状磁性写入(SMR)的示例瓦状盘驱动器几何图形中的I-轨道区域、写入两次缓存器、和特殊区域(E-区域)；
图4、5和6为流程图，其阐释了根据本发明实施例用于采用固态驱动器(SSD)实现对于在廉价磁盘冗余阵列(RAID)中的SMR驱动器的持续大块随机写入性能机制的图1的系统的示例操作；
图7示意性地阐释了根据本发明实施例的包括相对大和随机或低位置的写入请求块特性，其为SMR驱动器性能降低的潜在原因；
图8示意性地阐释了根据本发明实施例的当SMR驱动器在高负载的大块随机写入下工作的例子，以及示出如果繁忙、高负载周期与SMR驱动器面临性能降低或盘故障时的周期重叠，全面的性能可能被危及；
图9示意性地阐释了根据本发明实施例的当SMR驱动器在采用热备份SSD的高负载的大块随机写入下工作的例子，以及示出繁忙、高负载周期与SMR驱动器预期面临性能降低或盘故障的周期重叠，且一旦检测到高负载的大块随机写入，该大块随机写入(LBRW)调度器启动SSD的热备份模式，通常该SSD具有更高的性能，在RAID重新建立完成后该性能可以改进；以及
图10为阐释了根据本发明实施例的计算机程序产品的框图。
具体实施方式
在下述的本发明实施例详细描述中，伴随的说明书附图可作出参考，说明书附图阐释了可以实践本发明的示例实施例。应当理解的是其他实施例可以被利用以及在不背离本发明精神的条件下可以作出结构上的变化。
这里使用的术语仅用于描述特定的实施例的目的且不趋向于限制发明。作为这里使用的，单数形式“一个”和“该”意思是也包括复数形式，除非内容中特别指出的除外。进一步应当理解的是术语“包括”和/或“由......构成”，当在本说明书中使用时，指存在规定特征、整数、步骤、操作、元件、和/或组件，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件、和/或组本身的存在或增加。
根据本发明实施例的特征、方法和存储系统被提供，用于实现对于在廉价磁盘冗余阵列(RAID)中的SMR驱动器的持续大块随机写入性能机制。SSD被使用在热备份模式下，当对于在RAID中的SMR驱动器识别到大块随机写入事件时，该热备份模式被激活。在热备份模式下，该SSD为识别的SMR驱动器暂时接收新引入的写入同时在RAID系统中的其他SMR驱动器执行该读取和/或写入操作。接着，在恢复模式期间在RAID阵列控制器的较少使用的时间期间，每个识别的SMR驱动器从SSD更新。
现在参考附图，在图1中，这里示出了一个一般由附图标记100标明的示例系统，其用于根据本发明的实施例实现对于在廉价磁盘冗余阵列(RAID)104中的SMR驱动器102的持续大块随机写入性能机制。在整个RAID和SSD存储阵列108中，RAID104配备有至少一个固态驱动器(SSD)106。每个SMD驱动器102包括一个关联控制器112以及该SSD 106包括一个关联控制器114。
系统100包括耦合在主计算机104与RAID和SSD存储阵列108之间的RAID阵列控制器116。根据本发明的一个实施例，该RAID阵列控制器116包括阵列控制器中央处理单元(CPU)120、存储器122，例如一个动态随机访问存储器(DRAM)；还包括一个控制代码124。根据本发明的一个实施例，该RAID阵列控制器116包括包含计数器机构128的大块随机写入热备份调度器126，用于检测和识别非连续块地址，用于计算大块以及对参与的SMR驱动器的引入写入的利用和负载来确定何时执行SSD 106的热备份。RAID阵列控制器116的阵列控制器CPU 120包括用于提供直接接入到大块随机写入热备份调度器126的固件。
应当理解的是本发明的原理不限于所阐释的系统100和RAID阵列控制器116。RAID阵列控制器116和阵列控制器CPU 120可以包括各种应用，例如，与一个或多个集成电路模一起制造。数字视频记录器(DVR)、机顶盒(STB)、或各种其他计算机系统类型是主计算机118的特殊应用。例如，控制代码124和具有计数器128的大块随机写入热备份调度器126可以设置在任意适合的位置，例如，在主计算机118中等等，来替代在RAID阵列控制器116中。例如，根据本发明的一个实施例，该RAID和SSD存储阵列108可能包括与RAID 104一起提供的多个SSD 106，用于在SSD 106的热备份模式中使用。
系统100示出足以理解本发明的简化形式。所述的主计算机118与RAID阵列控制器116一起不意味构架或功能的限制。本发明可以与多种硬件应用和系统以及多种其他内部硬件设备一起使用。例如，系统100的实施例在一个SSD 106的上下文中描述，应当理解的是本发明的原理是优选地应用于多个SSD 106。
根据本发明实施例的特征，在RAID和SSD存储阵列108中，提供RAID104和SSD 106，用来在大块随机写入热备份模式下使得提高RAID的性能。应当理解的是，本发明的原理是优选地应用于多种SMR驱动器RAID阵列，例如，各种数量和容量的SMR驱动器，其具有多种条纹尺寸、多种工作负荷等等。应当理解的是本发明的原理是优选地应用于多种SMR驱动器RAID级别，例如JBOD、RAID0、RAID1、RAID4、RAID5、RAID6等等。
参考图2，根据本发明实施例的在RAID 104的SMR驱动102或存储设备中的瓦状写入的示例块200被示意性地未按比例阐述。根据本发明的实施例，该RAID 104的SMR驱动器102优选地安排采用瓦状磁体记录(SMR)以获得高轨道密度。
如图2所示，写入头的宽度202更加宽，例如，大约是最终数据轨道宽度的3倍，并且读取头宽度204为足够窄小，从而每次仅从一个平衡轨道读回数据。该数据块200包括多个重叠数据轨道206。每个轨道206包含几个扇区。每个扇区包含几个字节的数据。一个扇区208的例子被示出。该数据块200包括多个或者一组重叠扇区208，例如在长度方面一个或多个扇区。
参考图3，采用瓦状磁体记录(SMR)的瓦状盘驱动器(SDD)的几何图形300的一个示出示例，其包括接近盘的内径(ID)的主轴302，该盘包括多个轨道206，#0-3。多个被安置在该多个轨道206的ID和外径(OD)之间的一个或多个相对的特殊区域(exception region)(E-区域)310。多个I-轨道区域316与两次写入缓存器318一起和特殊区域(E-区域)310被安置在所阐释的现有技术SDD几何图形的ID和外径(OD)之间。
在根据本发明实施例的特征的RAID 104的SMR驱动器102中，传统SMR驱动器的大块随机写入问题被有效地克服。在传统SMR驱动器中，一个SMR驱动器能够从主机和或存储子系统接收许多写请求，并且因此E-区域，例如E-区域310，通过缓存写入被快速填充。在传统SMR驱动器中的E-区域的缓存写入因采用传统的现有技术的SMR运算法则，从E-区域310倒盘(destage)到I-区域316。
传统SMR驱动器受长时间写入性能缺陷困扰，是由于在E-区域310的全部缓存写入最后必须倒盘到为永久位置的I-区域316。一个SMR SDD，例如，与系统中的其他驱动器相比，通常频繁地执行倒盘操作。在该RAID中，常规的明智行为是使用全部一样的驱动器来达到转动、搜索和其他盘特性的同步。然而，由从E-区域310到I-区域316的缓存写入的倒盘引起的这种长时间写入问题，会引起到RAID配置的同步性的缺乏，这是对于SMR盘阵列性能的一个问题。
根据本发明实施例的特征，对于在RAID 104中的SMR驱动器102的大块随机写入事件被识别。该SSD 106被使用在热备份模式下，当对于在RAID104中的SMR驱动器102识别大块随机写入事件时，该模式被激活，例如，参考图4时阐释和描述的。
参考图4，这里示出了一般由附图标记400标记的系统100的示例操作，用于在RAID和SSD存储阵列108中，对于具有SSD 106的RAID 104中的SMR驱动器102实现持续大块随机写入性能机制。如块402指示的，至少一个固态驱动器(SSD)与在RAID中的SMR驱动器被提供在阵列中。如在块404所指示的，对于在RAID104中的SMR驱动器102的大块随机写入事件被识别。例如，如块404示出的，A)引起SMR驱动器内部的碎片整理(defrag)活动的大块随机写入事件被识别，例如，在RAID104中任意SMR驱动器102的密集E-区域倒盘循环。例如决404所示，B)通过B1)系统100中的计数器128和大块随机写入热备份调度器126检测大块随机写入事件。例如，如块404示出的，B2)通过由单独的SMR驱动器102发送信号或命令到RAID控制器116或碎片整理开始的主计算机118来检测大块随机写入事件。如块406指示的，该SSD 106以热备份模式被激活。
根据本发明实施例的特征，在热备份模式下，该SSD为被识别的SMR驱动器暂时接收新引入的写入，同时，SMR驱动器执行大块随机写入事件，例如，参考图5时阐述和描述的。
参考图5，这里示出了一般由附图标记500标记的系统100的示例操作，用于在RAID和SSD存储阵列108中，实现对于RAID 104中的SMR驱动器102以及SSD 106的持续大块随机写入性能机制。如块502指示的，热备份模式被启动，并且SSD 106被用于为具有大块随机数据写入事件的识别的SMR驱动器102接收新引入的写入。具有大块随机数据写入事件的识别的SMR驱动器102的使用被预先占有，如块502所示。到SSD106的写入--例如基于条形的写入--被执行，预先占有使用具有大块随机数据写入事件的识别的SMR驱动器，如在块504指示的。如块506指示的，在大块随机写入事件结束热备份模式的完成时结束到SSD 106的基于条形的写入。
根据本发明实施例的特征，在RAID阵列控制器的较少利用的时间期间从SSD更新具有大块随机数据写入事件的识别的SMR驱动器。
参考图6，这里示出了一般由附图标记600标记的系统100的示例操作，用于在RAID和SSD存储阵列108中，对于RAID 104中的SMR驱动器102以及SSD 106实现持续大块随机写入性能机制。如块602指示的，SSD 106的热备份模式结束。如块604指示的，仅使用RAID 104中的SMR SDD继续标准写入操作。如块606指示的，在RAID控制器的较少利用的时间期间，开始恢复模式，并且识别的SMR SSD被更新，并且例如，在热备份模式之后，从SSD的基于条形的快速读取和条形写入或连续写入被执行，以恢复识别的SMR SDD到标准状态。
现在参考图7，引入的写入I/O负载的两维空间方位被阐释。高随机象限和大块尺寸是SMR驱动器经历性能降低的区域。在这种高负载写入请求中，由于块地址的随机性，SMR驱动器的头必须执行许多搜索操作。在块(a)中，到SMR驱动器的写入请求示出了相对大和随机或低空间和时间位置特性。也如图3中描述过的，大块请求将更快地填充SMR驱动器的盘上缓存器，这样需要更多的倒盘操作，导致进一步的性能降低。本领域技术人员应当理解的是，非连续测试或类似测试的请求决地址的随机测试被用于检测和识别随机I/O请求。还应当知道的是RAID保持请求块长度计数器的窗口或桌面的形式、和写入请求的完成以及到达的历史来实现大块随机写入热备份调度器。
现在参考图8，典型的方案被描述，借以在没有热备份机制的RAID系统中，预期高负载、忙碌周期与SMR驱动器性能降低重叠。当忙碌、高负载周期通常以小时或天为基础被预见或调度时，由于大块随机写入的高负载，该不具有热备份的SMR RAID系统将不能避免性能降低或故障。在图8中，(b，1)指示了由于大块随机写入的性能降低；(b，2)指示性能降低的开始；在(b，3)-(b，4)之间的箭头指示了对于SMR驱动器的预期高负载、繁忙周期；和(b，5)指示性能降低的结束。
现在参考图9，典型的方案被描述，借以在具有热备份机制的RAID系统中，预期高负载、忙碌周期与SMR驱动器性能降低重叠。如图7中的大块随机写入调度器计划在支配的SMR驱动器的性能由于高负载的大块随机写入降低时、调度和激活热备份SSD，以便在预期忙碌时间期间弥补重建性能降低。由于SSD具有不同的性能和可靠性特点的事实，在指定的工作负荷下，可以分期补偿全部性能。在图9中，(c，1)指示由于热备份SSD重建导致的性能降低；(c，2)指示由于RAID系统的热备份SSD的完成导致的性能改进；(c，3)指示了由于SMR驱动器从热备份SSD恢复导致的性能降低；(c，4)指示了LBRW调度器启动SMR驱动器到SSD的热备份的时间；在(c，5)-(c，6)之间的箭头指示了对于SMR驱动器的预期高负载、繁忙周期；和(c，7)指示SMR驱动器恢复到正常状态。
参考图10，本发明的制造产品或程序产品1000被阐述。该计算机程序产品1000包括计算机可读记录媒体1002，例如，软盘、以光学读取光盘形式的高容量只读存储器或CD-ROM、磁带、或其他相似的计算机程序产品。计算机可读记录介质1002在介质1002上存储程序方法或控制代码1004、1006、1008、1010用于实施根据图1的系统100中的本发明实施例的用于对于在具有固态驱动器(SSD)106的廉价磁盘冗余阵列(RAID)104中的SMR驱动器102实现持续的大块随机写入性能机制的方法。
由被记录的程序方法或控制代码1004、1006、1008、1010定义的程序指令的序列或一个或多个相互关联的模块的逻辑集合来引导系统100，以用来实现本发明实施例的在RAID 104中的SMR驱动器102以及固态驱动器(SSD)106和热备份模式方法的使用。
虽然本发明已经参考在说明书附图中示出的发明实施例的细节被描述，然而这些细节不趋向于限制为如所附权利要求中的本发明的范围。

Claims (20)

1.一种用于对于在廉价磁盘冗余阵列(RAID)中的多个瓦状磁体记录(SMR)驱动器实现持续的大块随机写入性能机制的方法，包括：
提供单个固态驱动器(SSD)以及RAID中的多个SMR驱动器；
利用多个SMR驱动器，仅在热备份模式下，使用所述SSD，
对于RAID中的SMR驱动器识别大块随机写入事件；
响应于对于SMR驱动器的所识别的大块随机写入事件激活所述SSD处于所述热备份模式；
利用预先占有使用所识别的SMR驱动器的所述SSD为所识别的SMR驱动器暂时接收新引入的写入；
结束所述SSD的热备用模式，并且仅使用RAID中的SMR驱动器继续正常写入；和
响应于结束所述热备用模式来识别所识别的SMR驱动器的恢复模式，以及将数据从所述SSD移动到所识别的SMR驱动器。
2.如权利要求1所述的方法，其中响应于结束所述热备用模式来识别恢复模式包括识别预定级别的控制器利用，以及将数据从所述SSD移动到所识别的SMR驱动器，以将所识别的SMR驱动器恢复到正常状态。
3.如权利要求1所述的方法，其中对于RAID中的SMR驱动器识别所述大块随机写入事件包括响应于碎片整理被启动，所述SMR驱动器中的一个发送信号到RAID控制器。
4.如权利要求1所述的方法，其中对于在RAID中的SMR驱动器识别所述大块随机写入事件包括提供计数器和大块随机写入热备份调度器用于检测对于SMR驱动器的所述大块随机写入事件。
5.如权利要求1所述的方法，其中利用所述SSD为所识别的SMR驱动器暂时接收新引入的写入包括写入新引入的写入到所述SSD，仅在所述SSD的热备份模式期间为新引入的写入预先占有使用所识别的SMR驱动器。
6.如权利要求1所述的方法，其中利用所述SSD为所识别的SMR驱动器暂时接收新引入的写入包括基于条形写入到所述SSD和仅在所述SSD的热备份模式期间为新引入的写入预先占有使用所识别的SMR驱动器。
7.如权利要求1所述的方法，其中利用所述SSD为所识别的SMR驱动器暂时接收新引入的写入包括在大块随机写入事件结束热备份模式的完成时，结束到所述SSD的基于条形写入。
8.如权利要求1所述的方法，包括响应于大块随机写入事件结束热备份模式的完成，仅采用RAID中的SMR驱动器继续标准写入。
9.如权利要求8所述的方法，包括识别恢复模式，和执行从所述SSD的基于条形的快速数据读取来恢复所识别的SMR驱动器。
10.如权利要求9所述的方法，其中识别恢复模式包括识别预定义级别的控制器应用和预定义级别的驱动器应用的至少一个，以及开始所述恢复模式。
11.一种用于对于在廉价磁盘冗余阵列(RAID)中的多个瓦状磁体记录(SMR)驱动器实现持续的大块随机写入性能机制的设备，包括：
单个固态驱动器(SSD)，与RAID中的多个SMR驱动器一起被提供；
利用多个SMR驱动器，所述SSD仅包括热备份模式，
控制器，对于RAID中的SMR驱动器识别大块随机写入事件；
响应于对于SMR驱动器的所识别的大块随机写入事件，激活所述SSD处于所述热备份模式；
所述SSD为预先占有使用所识别的SMR驱动器的所识别的SMR驱动器暂时接收新引入的写入；
结束所述SSD的热备用模式，并且仅使用RAID中的SMR驱动器继续正常写入；和
响应于结束所述热备用模式来识别所识别的SMR驱动器的恢复模式，以及将数据从所述SSD移动到所识别的SMR驱动器。
12.如权利要求11所述的设备，其中所述控制器响应于结束所述热备用模式来识别恢复模式包括所述控制器识别预定级别的控制器利用，以及将数据从所述SSD移动到所识别的SMR驱动器，以将所识别的SMR驱动器恢复到正常状态。
13.如权利要求11所述的设备，其中所述控制器对于RAID中的SMR驱动器识别所述大块随机写入事件包括响应于碎片整理被启动，所述SMR驱动器中的一个发送信号到所述控制器。
14.如权利要求11所述的设备，包括计数器和大块随机写入热备份调度器，用于对于SMR驱动器检测所述大块随机写入事件。
15.如权利要求11所述的设备，其中所述SSD为所识别的SMR驱动器暂时接收新引入的写入包括基于条形写入到所述SSD和为新引入的写入预先占有使用所识别的SMR驱动器。
16.如权利要求11所述的设备，其中所述SSD为所识别的SMR驱动器暂时接收新引入的写入包括所述控制器结束到所述SSD的基于条形写入，并且响应于大块随机写入事件结束热备份模式的完成，仅采用RAID中的SMR驱动器继续标准写入。
17.如权利要求11所述的设备，包括所述控制器识别恢复模式，和执行从所述SSD的基于条形的快速读取来恢复所述识别的SMR驱动器。
18.一种数据存储系统，包括：
多个在廉价磁盘冗余阵列(RAID)中的瓦状磁体记录(SMR)驱动器；
单个固态驱动器(SSD)，与RAID中的所述多个SMR驱动器一起被提供；
利用所述多个SMR驱动器所述SSD仅包括热备份模式，
控制器，实现对于所述SMR驱动器的持续的大块随机写入性能机制，对于RAID中的SMR驱动器识别大块随机写入事件；响应于对于SMR驱动器的所识别的大块随机写入事件激活所述SSD处于所述热备份模式；所述SSD为预先占有使用所识别的SMR驱动器的所识别的SMR驱动器暂时接收新引入的写入；结束所述SSD的热备用模式，并且仅使用RAID中的SMR驱动器继续正常写入；和响应于结束所述热备用模式来识别所识别的SMR驱动器的恢复模式，以及将数据从所述SSD移动到所识别的SMR驱动器。
19.如权利要求18所述的数据存储系统，其中所述控制器对于RAID中的SMR驱动器识别所述大块随机写入事件包括响应于碎片整理被启动，所述SMR驱动器中的一个发送信号到所述控制器。
20.如权利要求18所述的数据存储系统，包括所述控制器结束到所述SSD的基于条形写入，并且响应于大块随机写入事件结束热备份模式的完成，仅采用RAID中的SMR驱动器继续标准写入。
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