CN106569577A - 一种异构存储系统及数据存储中心 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种异构存储系统及数据存储中心，属于数据存储技术领域；系统包括次级存储器，由至少一类低转速的硬盘驱动器组成；高级存储器，由至少一类高性能存储器组成;统计单元，分别连接每级次级存储器，用于统计在预设的时段内次级存储器中保存的数据的传输状况并输出；控制单元，连接统计单元，并分别连接每级存储器，用于根据统计单元输出的传输状况将次级存储器中的数据转存到高级存储器中。上述技术方案的有益效果是：能够实现大规模非活动磁盘阵列的智能功耗管理，提升硬盘驱动器的运行稳定性和可靠性。

Description

一种异构存储系统及数据存储中心
技术领域
本发明涉及数据存储技术领域，尤其涉及一种异构存储系统及数据存储中心。
背景技术
相较于SSD (Solid State Drives, 固态硬盘)而言，尽管HDD(Hard Disk Drive,机械硬盘)功耗更高，而且存取延迟也较大，但因其更加低廉的价格和更加长久的使用寿命，使得HDD在需要存储海量（例如EB量级或者YB量级）数据的数据中心中依然得到了大量的使用。
然而，由于HDD自身的特性，内部磁盘必须高速旋转起来才能使其正常工作，磁盘的旋转由内部马达驱动，RPM（Revolutions Per Minute，每分钟转速）越高，所需的功耗也越大，磁盘转速与功耗的关系如图1中所示。正是因为像数据中心对HDD拥有巨大需求量这样，磁盘转速成为了HDD在商业运用中不得不考虑的一项关键性能参数，并且存在着来自SSD方面的竞争压力，HDD的价格也随着磁盘转速的提升而上涨。
为了降低HDD的功耗，进而降低HDD的使用成本，现有技术中存在一种被称为MAID（Massive Array of Idle Disks，大规模非活动磁盘阵列）的技术，MAID技术的基本原理就是：在使用了大量的HDD的存储系统中关闭那些不在工作中的HDD。MAID技术经历了从MAID1.0到MAID 2.0的发展过程，在MAID 1.0中，HDD的工作模式只有两种，不是开就是关，即只在需要对HDD进行读写操作时才开启，不需要时就关闭，要不断经历开与关的操作。而MAID2.0是在MAID 1.0的基础上增加了几种工作模式（不同的生产商可以自由定义其工作模式），每种工作模式HDD内部旋转和停止的磁盘比例不一样，从而节省的能耗也就不一样。图2中示出了其中一种MAID 2.0技术中的HDD的不同的几种工作模式。
然而，虽然MAID技术理论上可行，但由于使用者对HDD的使用行为具有很大的不确定性，要实现它的智能功耗管理是非常复杂和困难的，而且每天对HDD数十次的上电和下电操作会使得HDD出现许多可靠性问题。
发明内容
基于现有技术中存在的上述问题，现提供一种异构存储系统及数据存储中心的技术方案，旨在实现大规模非活动磁盘阵列的智能功耗管理，提升硬盘驱动器的运行稳定性和可靠性。
上述技术方案具体包括：
一种异构存储系统，其特征在于，包括：
次级存储器，由至少一类低转速的硬盘驱动器组成；
高级存储器，由至少一类高性能存储器组成;
统计单元，分别连接每级所述次级存储器，用于统计在预设的时段内所述次级存储器中保存的数据的传输状况并输出；
控制单元，连接所述统计单元，并分别连接每级所述存储器，用于根据所述统计单元输出的所述传输状况将次级存储器中的数据转存到所述高级存储器中。
优选的，该异构存储系统，其特征在于，所述高级存储器为NAND存储器和/或新型存储器。
优选的，该异构存储系统，其特征在于，所述新型存储器为相变存储器。
优选的，该异构存储系统，其特征在于，至少一类低转速的所述硬盘驱动器中包括第一类硬盘驱动器，第二类硬盘驱动器和第三类硬盘驱动器；
所述第一类硬盘驱动器的转速高于所述第二类硬盘驱动器的转速；所述第二类硬盘驱动器的转速高于所述第三类硬盘驱动器的转速。
优选的，该异构存储系统，其特征在于，所述数据的所述传输状况包括所述数据在所述预设的时段内被读取的频率；
根据所述数据在所述预设的时段内被读取的频率，所述数据被保存在不同类别的所述硬盘驱动器中。
优选的，该异构存储系统，其特征在于，所述数据的所述传输状况包括所述数据在所述预设的时段内的系统I/O吞吐速率；
根据所述数据在所述预设的时段内的系统I/O吞吐速率，将需要系统I/O高吞吐速率传输的数据预先从所述次级存储器中转存到所述高级存储器中；将不需要系统I/O高吞吐速率传输的数据保留在所述次级存储器中。
优选的，该异构存储器系统，其特征在于，所述统计单元还统计所述需要系统I/O高吞吐速率传输的数据的系统使用和更新情况；
根据所述需要系统I/O高吞吐速率传输的数据的使用和更新情况，仅将被系统使用或更新的数据保存到所述高级存储器中。
优选的，该异构存储系统，其特征在于，所述控制单元在所述异构存储系统的空闲时段内调整已保存在所述硬盘驱动器内的所述数据的存储类别，将读取频率高的数据保存在所述第一类硬盘驱动器，将读取频率次高的数据保存在所述第二类硬盘驱动器；将读取频率最低的数据保存在所述第三类硬盘驱动器。
优选的，该异构存储系统，其特征在于，所述高级存储器还作为所述次级存储器的高速缓存。
一种数据存储中心，其特征在于，应用如权利要求1-9所述的异构存储系统。
一种数据存储中心，其中，应用上述的异构存储系统。
上述技术方案的有益效果是：提供一种异构存储系统，能够实现大规模非活动磁盘阵列的智能功耗管理，提升硬盘驱动器的运行稳定性和可靠性。
附图说明
图1为现有技术中，HDD内部典型电动马达的扭矩和功耗与磁盘转速之间的关系曲线图；
图2为现有技术中， MAID 2.0技术的几种工作模式的示意图；
图3为本发明的较佳的实施例中，一种异构存储系统的总体结构示意图；
图4-5为本发明的的一个具体实施例的结构示意图；
图6为本发明的另一个具体实施例的结构示意图。
具体实施方式
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作出创造性劳动的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。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
目前很多存储系统中的HDD始终保持在高性能工作状态下（保持最高转速），然而系统I/O实际工作在高速吞吐速率状态下的时间只是很小的一部分，经过分析表明，在现有的大容量存储系统中，99%的时间里系统I/O的实际吞吐速率不到其最高吞吐速率的33%，而在70%的时间里系统I/O的实际吞吐速率不到其最高吞吐速率的5%，这就造成了HDD高带宽的浪费，也使得HDD功耗过高。也就是说HDD在绝大部分时间里是不需要非常高的带宽和转速的。
为了尽可能地减少这些浪费，解决现有技术中存在的上述问题，本发明提出了一种异构存储系统的技术方案，该异构存储系统的具体结构如图3中所示，包括：
次级存储器1，由至少一类低转速的硬盘驱动器组成；
高级存储器0，由至少一类高性能存储器组成;
统计单元2，分别连接每级次级存储器1，用于统计在预设的时段内次级存储器1中保存的数据的传输状况并输出；
控制单元3，连接统计单元2，并分别连接每级存储器，用于根据统计单元输出的传输状况将次级存储器1中的数据转存到高级存储器0中。
具体地，上述实施例中，上述不同级别的存储器之间的存储性能不同。具体而言，高级存储器0的存储性能高于次级存储器1的存储性能。而在同样的次级存储器1中，由于转速的不同，相对高转速的硬盘驱动器的存储性能高于相对低转速的硬盘驱动器的存储性能。换言之，上述高级存储器0的存储性能最优，其余次级存储器1的存储性能依照其转速依次排列。
上述实施例中，预先可以在上述不同级别的存储器中存储具有相应的存储等级的数据，以供使用者调用和查阅。所谓存储等级，是指数据应当被保存在不同性能的存储器中的等级限定，该存储等级可以由数据的不同性质决定。例如读写频繁的数据的存储等级较高，相应地应当被保存在高存储性能的存储器中，而读写频率较低的数据的存储等级较低，相应地应当被保存在低存储性能的存储器中。又例如，系统I/O吞吐速率较高的数据的存储等级较高，相应地应当被保存在高存储性能的存储器中，而系统I/O吞吐速率较低的数据的存储等级较低，相应地应当被保存在低存储性能的存储器中。
具体的一个实施例为：该异构存储系统中具有三类不同的存储器，其中包括一类高级存储器0，以及两类次级存储器1，该三类存储器的存储性能由高至低被划分成相应的三个等级，每类存储器对应于一个存储等级。则具有最高存储等级的数据被预先保存在具有最高的存储性能的高级存储器中，具有较低的存储等级的数据被保存在具有较低的存储性能的次级存储器中，具有最低的存储等级的数据被保存在具有最低的存储性能的次级存储器中。
作为本发明的一个示例，在异构存储系统内部可以由三类具有不同的存储等级的存储器构成。第一类是高级存储器0，其可以为高性能高带宽的非易失存储器，该类存储器可以为例如3Dxpoint存储器（一种3D 相变存储器），也可以是2D或者3D NAND存储器。该类存储器可以用于存储访问频率较高的一些数据（hot data）和那些需要高带宽传输的数据（即具有最高的存储等级），该类高级存储器0的容量只占到了整个存储系统的一小部分。第二类是次级存储器1，可以是以较低的转速运转的HDD，这些低速运转的HDD占到了该存储系统的较大一部分，用于存储使用频率较低的一类数据（code data）和那些不需要高带宽传输的数据。第三类同样是次级存储器1，则是一小部分不运转的HDD，用于存储那些基本不被访问的数据。因此，本发明的较佳的实施例中，上述次级存储器为较低转速运行的硬盘驱动器，可以包括转速较低的HDD以及不运转的HDD（在下文中会详述）。
则在上述设置中，转速较低的HDD意味着更低的采购成本，这样一来，采购转速较低或不运转的HDD省下的资金可以用来购买功耗更低、性能更好的高性能存储器。因此，本发明的这种异构存储系统相较于传统的同构存储系统，不会造成采购成本上升，甚至还可以减少采购成本。
上述实施例中，在预先存储好数据后，在异构存储系统的正常运行过程中，通过统计单元2可以实时统计到在异构存储系统的正常运行过程中数据被传输的传输状况。随后，统计单元2输出该传输状况，控制单元3可以根据传输状况对上述数据进行存储等级的调整，并同时将经过调整的数据重新保存到对应的存储器1中，即进行数据的存储等级调整和数据搬迁操作。进一步地，上述统计单元2实时统计的传输状况为数据在预设的时间段内的传输状况。该预设的时间段具体可以为一端最近的时间段，例如最近一小时内，或者最近24小时内等。
具体地，例如，异构存储系统中包括三类存储器，一部分数据被保存在第一类具有最低存储性能的存储器（一类次级存储器1）中并具有最低的存储等级，第二类存储器具有较低的存储性能（另一类次级存储器1），第三类存储器具有最高的存储等级（高级存储器0）。则通过统计单元2的实时统计，这部分被保存在第一类存储器中的数据被调整为具有最高的存储等级，则这部分数据会被搬迁到具有最高的存储等级的第三类存储器1中。
作为本发明的一个示例，同样包括三类具有不同的存储等级的存储器1的异构存储系统而言，其可以通过统计存储于该存储系统中的数据在最近一段时间内被访问的频率及系统I/O吞吐速率，并记录在该段时间范围内访问频率较高的那部分数据，以及系统I/O高吞吐速率传输的数据。在空闲时间内或者系统I/O吞吐速率较低的时间内，存储系统会将访问频率较高的部分数据提前或者事先存储于具有最高的存储等级的高性能存储器中，将访问频率较低的那部分数据存储于具有较低的存储等级即保持低转速的HDD内，将访问频率非常低甚至基本不被访问的数据存储于具有最低的存储等级的存储器中。此外，将那些需要系统I/O高吞吐速率传输的数据通过预判或预测技术也提前或者事先转存到具有最高的存储等级的高性能存储器中（注意，这部分数据可能不是访问频率最高的，但是却需要高带宽传输的数据），从而保证了本发明中的异构存储系统的高性能和低功耗。所谓预判或预测技术，实际同样是通过对数据的传输状况进行实时的监控和统计，并且与历史的传输状况进行对比，从而得到数据在之后一段时间内可能的系统I/O吞吐速率。即通过实时统计的传输状况的统计结果以及历史统计得到的历史记录进行比对，并根据比对结果预判数据在之后一段时间内可能的传输状况。
因此，根据上文中所述，每隔一定的时间对存储系统内的数据重新进行分析和整理，能够使得本发明中的异构智能存储系统不会因为低转速的HDD而造成性能的降低，同时低转速的HDD保证了系统的低功耗和可靠性，是相较于现有技术中的MAID技术可靠性更高，性能更强，功耗更低的一种技术方案。
则本发明的较佳的实施例中，上述异构存储系统中，上述高性能的存储器可以为NAND存储器和/或新型存储器。
具体地，本发明的较佳的实施例中，上述新型存储器可以为相变存储器。
本发明的较佳的实施例中，上述多类次级存储器1中可以包括三类低转速的硬盘驱动器，即第一类硬盘驱动器、第二类硬盘驱动器和第二类硬盘驱动器，第一类硬盘驱动器的转速高于第二类硬盘驱动器，第二类硬盘驱动器的转速高于第三类硬盘驱动器。因此第一类硬盘驱动器的存储性能也高于第二类硬盘驱动器，相应地第二类硬盘驱动器的存储性能高于第三类硬盘驱动器。
例如，第一类硬盘驱动器可以为转速为7200RPM的硬盘驱动器，第二类硬盘驱动器为转速为3000RPM的硬盘驱动器，第三类硬盘驱动器为不运转的硬盘驱动器。
又例如，第一类硬盘驱动器可以为转速为10000RPM的硬盘驱动器，第二类硬盘驱动器为转速为1000RPM的硬盘驱动器，第三类硬盘驱动器为不运转的硬盘驱动器。
本发明的其他实施例中，上述次级存储器1还可以包括如上文中所述的两类硬盘驱动器，即转速较低的硬盘驱动器以及不运转的硬盘驱动器。
本发明的较佳的实施例中，上述异构存储系统中，数据的传输状况可以包括数据在预设的时段内被读取的频率；
则根据数据在预设的时段内被读取的频率，数据被保存在不同类别的硬盘驱动器中。
本发明的较佳的实施例中，上述异构存储系统，上述数据的传输状况可以包括数据在预设的时段内的系统I/O吞吐速率；
则根据数据在预设的时段内的系统I/O吞吐速率，数据被保存在不同类别的存储器中。
进一步地，本发明的较佳的实施例中，可以根据实时的统计结果，结合数据的读取频率以及系统I/O吞吐速率，来调整数据的存储等级，从而完成数据搬迁操作。
本发明的较佳的实施例中，上述统计单元2还统计需要系统I/O高吞吐速率传输的数据的系统使用和更新情况，并且根据需要系统I/O高吞吐速率传输的数据的使用和更新情况，仅将被系统使用或更新的数据保存到高级存储器中。
本发明的较佳的实施例中，于上述异构存储系统中可以包括三类存储器。当然，本发明的其他实施例中，于上述异构存储系统中也可以包括四类、五类以及其他合适的多类存储器。
本发明的较佳的实施例中，上述异构存储系统中，上述控制单元3在异构存储系统的空闲时段内调整已保存在存储器内的数据的存储等级，并将经过调整的数据保存到具有对应的存储等级的存储器中。
具体地，为了不影响异构存储系统的正常运行，数据搬迁的操作只在异构存储系统的空闲时段内进行，或者在异构存储系统中的系统I/O响应速率较低的时段进行。
作为本发明的一个具体的实施例，如图4-5中所示，在本发明所述的异构存储系统中包括两类存储器，具有高存储性能的高级存储器可以是3Dxpoint存储器，亦或是2D NAND或3D NAND存储器，这些存储器的性能要远远高于HDD，功耗也非常低。次级存储器选择转速较低的HDD实现，其每分钟转速可以保持在例如1000 RPM，相较于传统的保持高转速的HDD，这种低转速HDD的性能要低，但是功耗却非常低。随后，通过统计单元2统计分析上述异构存储系统内的数据，将访问频率较高的那部分数据存储于3Dxpoint或2D NAND或3D NAND存储器中，将较少访问的数据存储于1000 RPM的HDD内。通过一段时间的调整和数据搬迁，将那些需要系统I/O高吞吐速率传输的数据也提前转存到3Dxpoint或2D NAND或3D NAND存储器中，从而保证了本发明这种异构系统能够保持高性能，同时功耗也非常低。虽然3Dxpoint或2D NAND或3D NAND存储器对比HDD而言费用更高，但由于其功耗更低、性能更高，且在异构存储系统中只运用了一小部分，从长时间使用的角度上，这些高性能存储器的运用要比一直高速运转的HDD更划算，而且还提高了整个系统的工作性能。
作为本发明的另一个具体实施例，如图6中所示，在本发明所述的异构存储系统中同样包括两类存储器，高存储性能的高级存储器同样可以是3Dxpoint存储器，亦或是2DNAND或3D NAND存储器，而低级存储器中包含三种不同转速的硬盘驱动器，高转速的HDD可以将其转速设定为例如7000 RPM，转速较低的HDD可以将其转速设定为例如1000 RPM，此外还包括零转速的HDD，即不运转的HDD。随后，通过统计单元2统计分析上述异构存储系统内的数据，将访问频率较高的那部分数据存储于7000RPM的HDD内，将较少访问的数据存储于1000 RPM的HDD内，将基本不访问的数据存储于不运转的HDD内。通过一段时间的调整和数据搬迁，将那些需要系统I/O高吞吐速率传输的数据也提前转存到3Dxpoint或2D NAND或3DNAND存储器中，从而保证了本发明这种异构系统能够保持高性能，同时实现功耗也较传统实现方法更低。该异构存储系统相对于一直高速运转的HDD而言减小了高速带宽的浪费，大大降低了功耗，节省了费用，还具有很高的可靠性。
本发明的较佳的实施例中，还提供一种数据存储中心，该数据存储中心可以作为大容量数据的存储设备，该数据存储中心内包括了上文中所述的异构存储系统。
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种异构存储系统，其特征在于，包括：
次级存储器，由至少一类低转速的硬盘驱动器组成；
高级存储器，由至少一类高性能存储器组成;
统计单元，分别连接每级所述次级存储器，用于统计在预设的时段内所述次级存储器中保存的数据的传输状况并输出；
控制单元，连接所述统计单元，并分别连接每级所述存储器，用于根据所述统计单元输出的所述传输状况将次级存储器中的数据转存到所述高级存储器中。
2.如权利要求1所述的异构存储系统，其特征在于，所述高级存储器为NAND存储器和/或新型存储器。
3.如权利要求2所述的异构存储系统，其特征在于，所述新型存储器为相变存储器。
4.如权利要求1所述的异构存储系统，其特征在于，至少一类低转速的所述硬盘驱动器中包括第一类硬盘驱动器，第二类硬盘驱动器和第三类硬盘驱动器；
所述第一类硬盘驱动器的转速高于所述第二类硬盘驱动器的转速；所述第二类硬盘驱动器的转速高于所述第三类硬盘驱动器的转速。
5.如权利要求1所述的异构存储系统，其特征在于，所述数据的所述传输状况包括所述数据在所述预设的时段内被读取的频率；
根据所述数据在所述预设的时段内被读取的频率，所述数据被保存在不同类别的所述硬盘驱动器中。
6.如权利要求1所述的异构存储系统，其特征在于，所述数据的所述传输状况包括所述数据在所述预设的时段内的系统I/O吞吐速率；
根据所述数据在所述预设的时段内的系统I/O吞吐速率，将需要系统I/O高吞吐速率传输的数据预先从所述次级存储器中转存到所述高级存储器中；将不需要系统I/O高吞吐速率传输的数据保留在所述次级存储器中。
7.如权利要求6所述的异构存储器系统，其特征在于，所述统计单元还统计所述需要系统I/O高吞吐速率传输的数据的系统使用和更新情况；
根据所述需要系统I/O高吞吐速率传输的数据的使用和更新情况，仅将被系统使用或更新的数据保存到所述高级存储器中。
8.如权利要求5所述的异构存储系统，其特征在于，所述控制单元在所述异构存储系统的空闲时段内调整已保存在所述硬盘驱动器内的所述数据的存储类别，将读取频率高的数据保存在所述第一类硬盘驱动器，将读取频率次高的数据保存在所述第二类硬盘驱动器；将读取频率最低的数据保存在所述第三类硬盘驱动器。
9.如权利要求1所述的异构存储系统，其特征在于，所述高级存储器还作为所述次级存储器的高速缓存。
10.一种数据存储中心，其特征在于，应用如权利要求1-9所述的异构存储系统。
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