CN105824578B - 一种减少raid-6解码i/o数据量的方程选择方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种减少RAID‑6解码I/O数据量的方程选择方法：一次只选择一个校验方程，而且遵循每次都选择具有最多可重用块的校验方程的原则，直到选定的校验方程数量与条带中丢失的数据块数量一致为止；为了快速选出可重用块数量最多的校验方程，维持一个按可重用块数量排序的校验方程序列，每次从序列顺序选择校验方程。使用本发明方法选择校验方程子集用于解码时，解码I/O的数据量要少于传统解码方法使用的数据量，这有助于减少解码时从磁盘读取数据的时间，从而提高解码性能。

Description

一种减少RAID-6解码I/O数据量的方程选择方法
技术领域
本发明属于磁盘阵列存储技术领域，更具体地，涉及一种减少RAID-6解码I/O数据量的方程选择方法。
背景技术
磁盘阵列(Redundant Array of Independent Disks,RAID)是一种把多个磁盘组合起来，把数据分散存储在不同的磁盘中的技术。与单个磁盘相比，RAID可以达到提高读写速度或者增加容错能力的目的。RAID被分为多个级别，其中RAID-6具有冗任意两个磁盘失效的能力。
RAID-6使用纠删码对数据进行保护，依照纠删码在编解码过程需要使用的运算操作可以把纠删码区分为两大类：RS码以及基于XOR的编码。RS码是基于伽罗华域(也称有限域)运算的编码，在其编解码过程需要使用到伽罗华域乘法运算。基于XOR的编码在校验块的计算和失效块的恢复中都只需要使用异或运算。
目前在RAID-6系统在少于双磁盘失效的恢复场景中，都会倾向于从剩余的磁盘中把所有未丢失数据读出，然后实施解码。但实际上，对于这些失效情况，可能并不需要把所有未丢失数据都读出，而且双磁盘失效发生的概率要远低于非双磁盘失效。由于磁盘读出速率与处理器解码速率相比要慢得多，所以避免在解码过程读出不必要的数据量可以有效地减少解码时间开销，提高解码性能。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种减少基于XOR的RAID-6系统解码过程I/O数据量的方程选择方法，该方法能够应用于多种基于XOR的RAID-6码的解码过程前，通过选择校验方程组的一个子集用于解码，减少在解码时所需I/O的数据量。
本发明是一个通过减少解码过程所需I/O数据量，从而减少读取数据的时间开销以提高解码性能的方法。该方法选取与丢失数据块数量一致的校验方程。概括来说，该方法每次从校验方程组中选出一个校验方程，并反复实施该过程直到已被选择的校验方程数量等于丢失数据块的数量。已经被选定的校验方程子集称为“决定组”，相对的，未被选定的校验方程子集称为“未决定组”。该方法每次从“未决定组中”选定一个校验方程并放入“决定组”，而这个校验方程的选择基于其“可重用块”的数量。
本发明提供了一种减少RAID-6解码I/O数据量的方程选择方法，包括：
步骤1将基于XOR的RAID-6编码的校验规则用校验方程组表示，方程组中第j个方程记为Ej，方程总数记为k；校验方程组中的每一个方程Ej都使用一个数组EVj＝{pj,0,pj,1,…,pj,l}表示，数组中每个元素代表该方程所涉及的一个数据块的序号；将所有EVj记录到数据结构EVS中；
步骤2条带中的每一个数据块的状态记录为可用或者不可用；其中可用表示数据块记录的数据是完整的，而不可用表示数据块记录的数据不完整或者为空；使用一个数组BST记录条带中所有数据块的状态，BST称为数据块状态表；BST中的第i个元素对应条带第i个数据块的状态，元素为1代表对应的数据块可用，而0则代表对应的数据块不可用；
步骤3把EVS和BST输入到方程选择算法EDA中；
步骤4EDA记录BST中不可用数据块的个数NumUb；
步骤5EDA通过使用BST和EVS，选定一个只包含有单个不可用数据块的方程DE1，这个不可用数据块标记为Ub1；
步骤6把方程DE1所对应的EV从原EVS中移除，放入到一个新建的EVS结构中，这个新EVS又称为决定组，相对应地，原EVS又称为未决定组；把数据块Ub1在BST中对应的状态更改为可用；
步骤7两个校验方程中包含的同一个数据块称为交叉块，而一个决定组中的方程与一个未决定组中的方程之间的交叉块称为可重用块，计算并记录未决定组中各方程的可重用块数量；
步骤8依照可重用块数量从大到小对未决定组中的方程进行排序；
步骤9依照已更新的BST，在已排序的未决定组方程中选出第一个只包含有单个不可用数据块的方程DEi，这个不可用数据块标记为Ubi；
步骤10把方程DEi从未决定组中移除并放入决定组，同时把数据块Ubi在BST中对应的状态更改为可用；
步骤11更新未决定组中各方程的可重用块数量，并重新排序；
步骤12如果决定组中EV的数量小于初始不可用数据块数NumUb，执行步骤9，否则执行步骤13；
步骤13把BST恢复为输入EDA时的状态，输出决定组中的EV。
在上述方法中，步骤9使用了贪婪算法的思想，每次都选择具有最大可重用块数量的方程，从而减少解码过程最终所需要I/O的数据量。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下优点：
使用本发明可以快速找到一个可用于解码的校验方程子集，使用这个校验方程子集进行解码时所需I/O的数据量要少于传统方法所使用的校验方程子集。同时该方法具有较高通用性，可以应用于多种基于XOR的RAID-6码的解码过程中。使用本方法减少RAID-6码解码过程所需I/O数据量后，解码时从硬盘读出数据的时间开销也被减少，从而可以有效提高解码性能。
附图说明
图1为本发明使用的条带的示意图；
图2为本发明使用的两种数据结构的示意图；
图3为本发明实施方程选择过程步骤的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明实施例中将会用到一些定义，其中的名词解释如下：
条带(stripe)：是本发明中应用RAID-6编码进行数据保护的基本单元。一个磁盘阵列被逻辑地划分为多个条带，每个条带横跨多个磁盘，在这些磁盘里占用相同的容量。条带内使用RAID-6编码对数据进行保护。图1是一个条带的示意图。
行(row)：是本发明中一个对条带进行划分的方法。每个条带被逻辑地划分为多行，每一行都横跨条带中的所有磁盘，并且每一行的容量都相等。
子带(strip)：条带在单个磁盘中所占的空间称为一个子带。
数据块(data block)：是本发明中进行编解码的数据的基本单位。把条带中每个磁盘看做一列，那么整个条带被行和列划分为多个数据块。本发明在编解码过程中进行计算的基本单位是一个数据块。依照数据块所存放的数据可以把数据块分为两类，存放原始数据的称为原始块，而存放校验数据的称为校验块。在本发明中，数据块有两种状态，分别是“可用”和“不可用”，其中“可用”表示数据块记录的数据是完整的，而“不可用”表示数据块记录的数据不完整或者为空。每个数据块被按顺序编号，图1表示了数据块编号的方法。除此以外，当条带遭遇到磁盘失效或者扇区故障时，变为“不可用”的块特别地称为“丢失块”，而依然“可用”的块特别地称为“存活块”。
编码过程(encoding)：是在条带中利用原始数据块生成校验数据块的过程。
解码过程(decoding)：是在条带中部分数据块失效后用存活数据块重构丢失数据块的过程。
编解码(coding)：是指编码过程和解码过程。
校验规则(coding rule)：是RAID-6编码设定的校验块与原始块之间的关系，它确定了从原始块计算校验块的方法。
校验方程(parity check)：是由RAID-6编码的校验规则确定的方程，这些方程都是形如多个数据块异或和等于零的方程。方程中包含的“不可用”数据块是方程的未知量，相反，“可用”数据块是方程的已知量。只包含有一个未知量的校验方程称为是可独立求解的。
交叉块：两个校验方程如果同时包含同一个数据块，那么这个数据块就称为这两个校验方程的交叉块。
决定组：本方法已经选定的校验方程子集称为决定组。
未决定组：未被本方法选定的校验方程子集称为未决定组。
可重用块：未决定组中的校验方程与决定组中校验方程的一个交叉块又称为一个可重用块。
z-turn：是一个存在于部分RAID-6编码中的性质。对于具有z-turn性质的编码，只要失效情况在该编码的容错能力范围内，那么在这个编码的校验方程组中，至少有一个校验方程是可独立求解的。
方程选择算法(Equation Determining Algorithm，EDA)：是本发明方法的名称，本方法可以被应用以实现具有z-turn性质的RAID-6码的解码中。
一、EDA的设计
如图2所示，EDA以EVS(Equation VectorS)以及经过初始化的BST(Block StatusTable)作为输入，在读取条带数据到内存之前运行。其中EVS由多个EV组成，每个EV都是一个数组并对应一个校验方程，数组中的元素是该校验方程所涉及的数据块的编号。对应于一个RAID-6码所定义的校验方程组中的每一个方程，都有一个相应的EV。BST是一个数组，BST中的元素与条带中的数据块一一对应，BST[i]表示BST中的第i个元素，每个元素是“1”或者“0”，其中“1”代表其对应的数据块“可用”，而“0”代表其对应的数据块“不可用”。EDA决定了在解码时所需的EV以及数据块。
具体来说，EDA从EVS中一个接一个地选择EV。为了把已经被选定的EV与未被选定的EV区别开来，EDA把已经选定的EV放入到一个新的EVS结构中，这个新的EVS称为决定组，相对应的，原始的EVS称为未决定组。在最开始，所有EV都是未选定的。由于EDA被用于具有z-turn性质的基于XOR的RAID-6码中，所以EDA可以从未决定组中选定一个只包含有1个不可用块的EV。如果未决定组中有多个EV符合上述条件，则随机挑选其中的一个。这个被首先选定的EV记为DE1，同时它包含的那个不可用块记为Ub1。显然，在解码阶段，DE1可被用于解码出Ub1。然后EDA把DE1放入到决定组中，为了避免在接下来选择的EV中重复地选择用于解码Ub1的EV，EDA把BST中记录的Ub1的状态更新为可用状态。
这时候，EDA已经选定了第一个EV，并且更新了BST的状态，然后EDA选择下一个EV，并且要求选定的EV满足以下两个条件：
1.这个EV只包含一个不可用块；
2.与未决定组中的其他满足条件1的EV相比，它具有最大的可重用块数量。
这其中第1个条件保证选定的EV可以切实用于解码出一个不可用块，而第2个条件可以减少解码阶段使用的总数据块数量，这是因为可重用块被用于多个EV中。如果有多个EV满足上述两个条件，则只需要随机选择其中的一个。这个被选定的EV以及它包含的不可用块分别记为DE2和Ub2，然后EDA把DE2放入决定组，并把Ub2在BST中记录的状态更新为可用。
然后，EDA重复上述过程，继续从未决定组中选定EV，知道决定组中EV的数量与初始时不可用块数量一致为止。这样就完成了EV的选择，也就是完成了解码时校验方程的选择。
在选择EV时，EDA每次都要从未决定组中选择具有最大可重用块数量的EV，每次选择都要计算每个未决定组中EV的可重用块数量并进行对比所需计算开销很高。为提高EV选择的性能，EDA在选择EV的过程中持续对未决定组中EV按照可重用块的数量排序，每当有一个未决定组中的EV被选入到决定组，EDA就对这个序列重新排序。这样做以后，每次选择EV都只需要从序列中顺序选择第1个满足条件1的EV。
完成EV的选择以后，EDA把BST恢复到初始输入时的状态，并输出决定组中的所有EV，至此，EDA结束运行。
二、使用EDA实施校验方程选择的步骤
如图3所示，使用EDA实施基于XOR的RAID-6码校验方程选择的过程主要包括以下的步骤：
步骤1将基于XOR的RAID-6编码的校验规则用校验方程组表示，方程组中第j个方程记为Ej，方程总数记为k；校验方程组中的每一个方程Ej都使用一个数组EVj＝{pj,0,pj,1,…,pj,l}表示，数组中每个元素代表该方程所涉及的一个数据块的序号；将所有EVj记录到数据结构EVS中；
步骤2条带中的每一个数据块的状态记录为可用或者不可用；其中可用表示数据块记录的数据是完整的，而不可用表示数据块记录的数据不完整或者为空；使用一个数组BST记录条带中所有数据块的状态，BST称为数据块状态表；BST中的第i个元素对应条带第i个数据块的状态，元素为1代表对应的数据块可用，而0则代表对应的数据块不可用；
步骤3把EVS和BST输入到方程选择算法EDA中；
步骤4EDA记录BST中不可用数据块的个数NumUb；
步骤5EDA通过使用BST和EVS，选定一个只包含有单个不可用数据块的方程DE1，这个不可用数据块标记为Ub1；
步骤6把方程DE1所对应的EV从原EVS中移除，放入到一个新建的EVS结构中，这个新EVS又称为决定组，相对应地，原EVS又称为未决定组；把数据块Ub1在BST中对应的状态更改为可用；
步骤7两个校验方程中包含的同一个数据块称为交叉块，而一个决定组中的方程与一个未决定组中的方程之间的交叉块称为可重用块，计算并记录未决定组中各方程的可重用块数量；
步骤8依照可重用块数量从大到小对未决定组中的方程进行排序；
步骤9依照已更新的BST，在已排序的未决定组方程中选出第一个只包含有单个不可用数据块的方程DEi，这个不可用数据块标记为Ubi；
步骤10把方程DEi从未决定组中移除并放入决定组，同时把数据块Ubi在BST中对应的状态更改为可用；
步骤11更新未决定组中各方程的可重用块数量，并重新排序；
步骤12如果决定组中EV的数量小于初始不可用数据块数NumUb，执行步骤9，否则执行步骤13；
步骤13把BST恢复为输入EDA时的状态，输出决定组中的EV。
三、使用EDA选择校验方程的特点
使用EDA实施校验方程选择时，一次只选择一个校验方程，而且遵循每次都选择具有最多可重用块的校验方程的原则，直到选定的校验方程数量与条带中丢失的数据块数量一致为止。同时，为了快速选出可重用块数量最多的校验方程，EDA维护着按可重用块数量排序的校验方程序列，每次从序列顺序选择校验方程。使用EDA选择校验方程子集用于解码时，解码所需I/O的数据量要少于传统方法使用的数据量，这有助于减少解码时从磁盘读取数据的时间，从而有效地提高解码性能。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种减少RAID-6解码I/O数据量的方程选择方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤1将基于XOR的RAID-6编码的校验规则用校验方程组表示，方程组中第j个方程记为Ej，方程总数记为k；校验方程组中的每一个方程Ej都使用一个数组EVj＝{pj,0,pj,1,…,pj,l}表示，数组中每个元素代表该方程所涉及的一个数据块的序号；将所有EVj记录到数据结构EVS中；
步骤2条带中的每一个数据块的状态记录为可用或者不可用；其中可用表示数据块记录的数据是完整的，而不可用表示数据块记录的数据不完整或者为空；使用一个数组BST记录条带中所有数据块的状态，BST称为数据块状态表；BST中的第i个元素对应条带第i个数据块的状态，元素为1代表对应的数据块可用，而0则代表对应的数据块不可用；
步骤3把EVS和BST输入到方程选择算法EDA中；
步骤4EDA记录BST中不可用数据块的个数NumUb；
步骤5EDA通过使用BST和EVS，选定一个只包含有单个不可用数据块的方程DE1，这个不可用数据块标记为Ub1；
步骤6把方程DE1所对应的EV从原EVS中移除，放入到一个新建的EVS结构中，这个新EVS又称为决定组，相对应地，原EVS又称为未决定组；把数据块Ub1在BST中对应的状态更改为可用；
步骤7两个校验方程中包含的同一个数据块称为交叉块，而一个决定组中的方程与一个未决定组中的方程之间的交叉块称为可重用块，计算并记录未决定组中各方程的可重用块数量；
步骤8依照可重用块数量从大到小对未决定组中的方程进行排序；
步骤9依照已更新的BST，在已排序的未决定组方程中选出第一个只包含有单个不可用数据块的方程DEi，这个不可用数据块标记为Ubi；
步骤10把方程DEi从未决定组中移除并放入决定组，同时把数据块Ubi在BST中对应的状态更改为可用；
步骤11更新未决定组中各方程的可重用块数量，并重新排序；
步骤12如果决定组中EV的数量小于初始不可用数据块数NumUb，执行步骤9，否则执行步骤13；
步骤13把BST恢复为输入EDA时的状态，输出决定组中的EV。
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