CN105245576A - 一种基于全共享交换的存储架构系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于全共享交换的存储架构系统，该系统包括：至少一个主机适配模块；至少两个主机交换设备；每个主机适配模块均与所有的主机交换设备相连；所有的主机适配模块与所有的主机交换设备构成主机层；至少两个控制器；至少两个控制器交换设备；每个控制器均与所有的控制器交换设备相连；所有的控制器与所有的控制器交换设备构成控制器层；至少两个存储交换设备；每个存储交换设备均与所有的控制器相连；至少一个磁盘；所有的存储交换设备与所有的磁盘构成存储层。该系统实现降低系统的延时，提升系统的读写性能，提高系统的可靠性。

Description

一种基于全共享交换的存储架构系统
技术领域
本发明涉及存储架构技术领域，特别是涉及一种基于全共享交换的存储架构系统。
背景技术
目前，存储架构过去几十年取得了高速的发展，存储最早是伴随着大型机到小型机演进的，已经有四五十年的历史。但是开放系统的高端存储系统出现的时间不过二十年，按时间顺序，从总线架构到交换式架构、矩阵直连架构、分布式架构。总线交换式高端架构可扩展性不强，且由于基于总线，存在总线争用。交换式的架构通过交换ASIC将前端和后端连接进行数据交换，相对于矩阵直连式，它具有更好的可扩展性，但是问题是仲裁复杂。其仲裁机制的复杂程度制约了前后端扩展数量的增加，仅cache层就需要两层交换完成IO(InputOutput，输入输出)数据进出，IO数据即为输入输出数据。矩阵直连架构，缺点是可扩展性很差，同时由于连接信号线数目众多，在一定程度上也降低了系统的可靠性。
而对于分布式架构，由于该系统的所有资源，包括计算资源，内存资源，磁盘资源都分散的足够开，存在资源争用的可能性极小，系统具有更好的性能，更好的可扩展性，同时也拥有更低的成本。但由于分布式架构资源的分布并不对称，实际使用中存在应用局限，可参见图1，分布式架构中的控制器层中的控制器都是进行两两分组后，以一个个组合的形式与对应的磁盘相连完成数据的通道连接，图中控制器上的方块1至方块6代表控制器的不同的端口，但是这样的连接形式会导致有些数据不能到达它需要达到的磁盘箱，例如写入的数据要写入的地方为控制器7和控制器8这一组对应的磁盘箱，但是这个要写入的数据被传输至控制器1或者控制器2上，则该写入数据是不能到达控制器7和控制器8这一组对应的磁盘箱上的。
这种分布式架构会使有些数据不能到达它需要达到的磁盘箱，则数据传输的延时时间会增加，即系统延时会增加，而且数据不能到达对应的磁盘箱，不能在对应的磁盘箱上写入数据，则系统的资源的分布是不对称，实际使用中存在应用局限，导致系统输出性能较低，可靠性降低。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于全共享交换的存储架构系统，以实现降低系统的延时，提高系统的可靠性。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于全共享交换的存储架构系统，该系统包括：
至少一个主机适配模块；所述主机适配模块用于采用多路径选择策略对IO数据的路径进行整合和选择；
至少两个主机交换设备；每个主机适配模块均与所有的主机交换设备相连；所有的主机适配模块与所有的主机交换设备构成主机层；
至少两个控制器；
至少两个控制器交换设备；每个控制器均与所有的控制器交换设备相连；所有的控制器与所有的控制器交换设备构成控制器层；
至少两个存储交换设备；每个存储交换设备均与所有的控制器相连；
至少一个磁盘；所有的存储交换设备与所有的磁盘构成存储层；
其中，所有的存储交换设备划分为数目相同的存储交换设备组合，所有的磁盘划分为数目相同的磁盘组合，所述存储交换设备组合的组合个数与所述磁盘组合的组合个数相同，所述磁盘组合与所述存储交换设备组合之间一一对应相连，所述磁盘组合中每个磁盘均与对应相连的所述存储交换设备组合中每个存储交换设备相连。
优选的，所述控制器还包括带内控制信息解析模块，用于识别所述控制器的繁忙状态，调整多路径选择策略，将IO数据转发至近端控制器。
优选的，所述控制器交互设备还包括IO数据转发镜像策略模块，用于复制IO数据并保留IO数据复本。
优选的，所述控制器还包括通信框架模块，用于采用PCI-Express3.0协议与所述存储交换设备建立通信链路。
优选的，所述控制器还包括数据组织与刷写模块，用于建立IO数据与指定写入的磁盘之间的链路通道。
优选的，所述存储交换设备还包括磁盘zone划分模块，用于对所述磁盘进行空间划分，保持IO数据所连接的磁盘数目在预设范围内。
优选的，所述控制器交换设备包括PCIE交换设备，用于采用PCIC3.0NTB协议与每个控制器之间形成全互联无阻塞的交换链路，通过连接每个控制器的端口对每个控制器分配地址ID。
优选的，所述PCIE交换设备还包括DMA模块，用于对IO数据进行快速搬移。
本发明所提供的一种基于全共享交换的存储架构系统，所述系统包括：至少一个主机适配模块；至少两个主机交换设备；每个主机适配模块均与所有的主机交换设备相连；所有的主机适配模块与所有的主机交换设备构成主机层；至少两个控制器；至少两个控制器交换设备；每个控制器均与所有的控制器交换设备相连；所有的控制器与所有的控制器交换设备构成控制器层；至少两个存储交换设备；每个存储交换设备均与所有的控制器相连；至少一个磁盘；所有的存储交换设备与所有的磁盘构成存储层。
该存储架构系统在控制器层和磁盘层之间增加了至少两个存储交换设备，每个存储交换设备与控制器层中所有的控制器相连接，而且所有的存储交换设备划分为数目相同的存储交换设备组合，所有的磁盘划分为数目相同的磁盘组合，所述存储交换设备组合的组合个数与所述磁盘组合的组合个数相同，所述磁盘组合与所述存储交换设备组合之间一一对应相连，所述磁盘组合中每个磁盘均与对应相连的所述存储交换设备组合中每个存储交换设备相连，这样，传输到控制器上的数据能够通过存储交换设备选择路径通道到达需要到达的磁盘上，使数据能够有可选择的路径到达它需要到达的磁盘，避免数据没有可选择的路径到达它需要到达的磁盘的情况，因此数据传输的延时会降低，系统输出性能提高，进而提高系统可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为现有技术中分布式架构示意图；
图2为本发明所提供的一种基于全共享交换的存储架构系统的结构示意图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种基于全共享交换的存储架构系统，以实现降低系统的延时，提高系统的可靠性。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图2，图2为本发明所提供的一种基于全共享交换的存储架构系统的结构示意图，该系统包括：
至少一个主机适配模块11；
其中，主机适配模块11的个数为至少一个，图中显示的主机适配模块11的个数为6个，主机适配模块11用于采用多路径选择策略对IO数据的路径进行整合和选择；主机适配模块11是位于服务器上的，主机适配模块11能够通过多路径选择策略将服务端下发的IO数据定向至本地控制器，本地控制器是与IO数据所要到达的磁盘对应连接的控制器。
至少两个主机交换设备12；每个主机适配模块11均与所有的主机交换设备相连；所有的主机适配模块与所有的主机交换设备构成主机层；图中的主机交换设备12的个数为2个。
至少两个控制器13；
至少两个控制器交换设备14；每个控制器13均与所有的控制器交换设备14相连；所有的控制器13与所有的控制器交换设备14构成控制器层；图中的控制器13的个数是4个，控制器交换设备14的个数是2个。
至少两个存储交换设备15；每个存储交换设备15均与所有的控制器13相连；
至少一个磁盘16；所有的存储交换设备15与所有的磁盘16构成存储层；
其中，所有的存储交换设备15划分为数目相同的存储交换设备组合，所有的磁盘16划分为数目相同的磁盘组合，所述存储交换设备组合的组合个数与所述磁盘组合的组合个数相同，所述磁盘组合与所述存储交换设备组合之间一一对应相连，所述磁盘组合中每个磁盘均与对应相连的所述存储交换设备组合中每个存储交换设备相连。
具体的，图中的存储交换设备15的个数为4个，磁盘16的个数为4个，所有的存储交换设备15划分为2个存储交换设备组合，每个存储交换组合中存储交换设备的个数是2个，所有的磁盘16划分为2个磁盘组合，每个磁盘组合中磁盘的个数是2个，2个磁盘组合与2个存储交换设备组合之间一一对应相连，即存储交换设备的组合与磁盘的组合的个数是相同的，存储交换设备与磁盘之间以组合的形式一一对应连接，一个磁盘组合中每个磁盘均与对应相连的存储交换设备组合中每个存储交换设备相连。
具体的，主机层中的主机适配模块与主机交换设备除了采用：每个主机适配模块均与所有的主机交换设备相连这种连接关系之外，还可以采用如下连接方式：主机层中所有的主机适配模块划分为数目相同的主机适配模块组合，主机层中所有的主机交换设备划分为数目相同的主机交换设备组合，主机适配模块组合的组合个数与主机交换设备组合的组合个数相同，主机适配模块组合与主机交换设备组合之间一一对应相连，主机适配模块组合中每个主机适配模块均与对应相连的所述主机交换设备组合中每个主机交换设备相连。即主机适配模块和主机交换设备之间的连接关系与磁盘和存储交换设备之间的连接关系是相同的，都是以组合的形式一一对应连接，而且同样的，主机适配模块组合中每个主机适配模块均与对应相连的所述主机交换设备组合中每个主机交换设备相连。
则主机适配器与主机交换设备之间的连接关系为：每个主机适配模块均与所有的主机交换设备相连；或者，主机层中所有的主机适配模块划分为数目相同的主机适配模块组合，主机层中所有的主机交换设备划分为数目相同的主机交换设备组合，主机适配模块组合的组合个数与主机交换设备组合的组合个数相同，主机适配模块组合与主机交换设备组合之间一一对应相连，主机适配模块组合中每个主机适配模块均与对应相连的所述主机交换设备组合中每个主机交换设备相连。
具体的，所述基于全共享交换的存储架构系统涵盖主机层、控制器层、存储层三层全共享交换，三层交换相互独立又协同配合。
主机层中，连接控制器端和服务器端的数量一般数量对等或服务器端数量预留较多。前端交换设备连接至控制器端的数量为控制器数量N倍(N＝1、2、3、……)，即可以连接到控制器上不同的端口上，控制器上不同的端口具有不同的带宽，提高数据传输的效率。前端交换需具备冗余度，即同一服务器与控制器之间的连接至少通过一台前端交换机互联，一般情况下通过相互独立的至少2套前端交换进行互联。
另外，服务器上设有主机适配模块，用于将需要下发的IO数据通过多路径选择策略发送至对应的主机交换设备，IO数据是指向特定逻辑卷号，即指向特定的磁盘。主机适配模块能够通过多路径选择策略将服务端下发的IO数据定向至本地控制器，本地控制器是与IO数据所要到达的磁盘对应连接的控制器，这样更加容易到使IO数据要达到对应的磁盘，避免控制器之间过多的数据转发。
所述控制器还包括数据组织与刷写模块，用于建立IO数据与指定写入的磁盘之间的链路通道。所述控制器交换设备包括PCIE交换设备，用于采用PCIC3.0NTB协议形成与每个控制器之间的全互联无阻塞的交换链路，通过连接每个控制器的端口对每个控制器分配地址ID。
PCIE交换设备除了采用采用PCIC3.0NTB协议之外，还可以采用TWC(TunneledWindowConnection，极低通信延迟的隧道窗口链接)协议形成与每个控制器之间的极低通信延迟的交换链路。PCIE交换设备还包括DMA模块，用于对IO数据进行快速搬移。
控制器还包括通信框架模块用于采用PCI-Express3.0协议与所述存储交换设备建立通信链路。该通信框架采用PCI-Express3.0协议作为物理层、链路层。
控制器还包括带内控制信息解析模块，用于识别所述控制器的繁忙状态，调整多路径选择策略，将IO数据转发至近端控制器。带内控制信息解析模块识别控制器的繁忙状态，调整多路径转发策略，将IO数据转发至近端控制器，由于识别控制器的繁忙状态而调整多路径转发策略至近端控制器，实现控制器间的负载均衡。
具体的，控制器层中，采用一套硬件两种协议，近端控制器间具备单独的PCIE3.0NTB互联通道，DMA功能实现缓存间快速数据搬移。所述控制器交互设备还包括IO数据转发镜像策略模块，用于复制IO数据并保留IO数据复本。其他控制器间通过系统内部独立的PCIE交换设备具备PCIE3.0全互联无阻塞的交换链路。一般的，镜像通道的链路带宽设计为前后端通信带宽的1/2，在读写混合应用的系统中，写转发镜像约为系统对外提供服务性能的一半。存储系统内部独立PCIE交换设备可实现与控制器间的互通访问，通过连接端口即可实现控制器ID分配。控制期间采用相关协议进行控制器状态高可用仲裁的辅助链路。独立PCIE交换设备集成DMA功能，通过控制器端软件的配合，实现数据快速搬移。
存储层中，连接控制器端和磁盘资源端的数量一般数量对等。每组磁盘交换设备连接至控制器端的数量为控制器数量N倍(N＝1、2、3、……)，即可以连接到控制器上不同的端口上，控制器上不同的端口具有不同的带宽，提高数据传输的效率。后端共享交换需具备冗余度，即同一个第一级磁盘柜与控制器之间的连接至少通过一台后端交换机互联，一般情况下通过相互独立的至少2台后端交换进行互联。所述存储交换设备还包括磁盘zone划分模块，用于对所述磁盘进行空间划分，保持IO数据所连接的磁盘数目在预设范围内。具体可将后端交换进行zone划分，确保每一颗控制器上sasioc所连接的磁盘数量在许可范围以内。
系统中数据的流程就是将系统中IO数据流进行路径最优的优化，具体为通过主机层交换将io发送到最合适的控制器，控制器通过控制层进行数据转发或镜像备份，逻辑卷所属的主控制器通过存储层共享通路将数据进行磁盘刷写。
本发明所提供的一种基于全共享交换的存储架构系统，所述系统包括：至少一个主机适配模块；至少两个主机交换设备；每个主机适配模块均与所有的主机交换设备相连；所有的主机适配模块与所有的主机交换设备构成主机层；至少两个控制器；至少两个控制器交换设备；每个控制器均与所有的控制器交换设备相连；所有的控制器与所有的控制器交换设备构成控制器层；至少两个存储交换设备；每个存储交换设备均与所有的控制器相连；至少一个磁盘；所有的存储交换设备与所有的磁盘构成存储层。
该存储架构系统在控制器层和磁盘层之间增加了至少两个存储交换设备，每个存储交换设备与控制器层中所有的控制器相连接，而且所有的存储交换设备划分为数目相同的存储交换设备组合，所有的磁盘划分为数目相同的磁盘组合，所述存储交换设备组合的组合个数与所述磁盘组合的组合个数相同，所述磁盘组合与所述存储交换设备组合之间一一对应相连，所述磁盘组合中每个磁盘均与对应相连的所述存储交换设备组合中每个存储交换设备相连，这样，传输到控制器上的数据能够通过存储交换设备选择路径通道到达需要到达的磁盘上，使数据能够有可选择的路径到达它需要到达的磁盘，避免数据没有可选择的路径到达它需要到达的磁盘的情况，因此数据传输的延时会降低，系统输出性能提高，进而提高系统可靠性。
并且，服务器上设有主机适配模块，用于将需要下发的IO数据通过多路径选择策略发送至对应的主机交换设备，IO数据是指向特定逻辑卷号，即指向特定的磁盘。主机适配模块能够通过多路径选择策略将服务端下发的IO数据定向至本地控制器，本地控制器是与IO数据所要到达的磁盘对应连接的控制器，这样更加容易到使IO数据要达到对应的磁盘，避免控制器之间过多的数据转发，提高数据传输效率，提高系统可靠性。
以上对本发明所提供的一种基于全共享交换的存储架构系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。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，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于全共享交换的存储架构系统，其特征在于，包括：
至少一个主机适配模块；所述主机适配模块用于采用多路径选择策略对IO数据的路径进行整合和选择；
至少两个主机交换设备；每个主机适配模块均与所有的主机交换设备相连；所有的主机适配模块与所有的主机交换设备构成主机层；
至少两个控制器；
至少两个控制器交换设备；每个控制器均与所有的控制器交换设备相连；所有的控制器与所有的控制器交换设备构成控制器层；
至少两个存储交换设备；每个存储交换设备均与所有的控制器相连；
至少一个磁盘；所有的存储交换设备与所有的磁盘构成存储层；
其中，所有的存储交换设备划分为数目相同的存储交换设备组合，所有的磁盘划分为数目相同的磁盘组合，所述存储交换设备组合的组合个数与所述磁盘组合的组合个数相同，所述磁盘组合与所述存储交换设备组合之间一一对应相连，所述磁盘组合中每个磁盘均与对应相连的所述存储交换设备组合中每个存储交换设备相连。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器还包括带内控制信息解析模块，用于识别所述控制器的繁忙状态，调整多路径选择策略，将IO数据转发至近端控制器。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器交互设备还包括IO数据转发镜像策略模块，用于复制IO数据并保留IO数据复本。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述控制器还包括通信框架模块，用于采用PCI-Express3.0协议与所述存储交换设备建立通信链路。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述控制器还包括数据组织与刷写模块，用于建立IO数据与指定写入的磁盘之间的链路通道。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述存储交换设备还包括磁盘zone划分模块，用于对所述磁盘进行空间划分，保持IO数据所连接的磁盘数目在预设范围内。
7.如权利要求1至6中任意一项所述的系统，其特征在于，所述控制器交换设备包括PCIE交换设备，用于采用PCIC3.0NTB协议与每个控制器之间形成全互联无阻塞的交换链路，通过连接每个控制器的端口对每个控制器分配地址ID。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述PCIE交换设备还包括DMA模块，用于对IO数据进行快速搬移。
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