CN108647110A

CN108647110A - 一种增强型raid保护方法及ssd

Info

Publication number: CN108647110A
Application number: CN201810287460.5A
Authority: CN
Inventors: 王猛; 徐伟华; 许毅
Original assignee: Shenzhen Union Memory Information System Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Union Memory Information System Co Ltd
Priority date: 2018-03-30
Filing date: 2018-03-30
Publication date: 2018-10-12

Abstract

本发明公开了一种增强型RAID保护方法及SSD,其特征在于每N+2个数据页组成一个条带，其中包含N个有效数据页为的D0～DN‑1、域和校验数据页P和系数计算校验数据页Q，当同一条带中出现2个有效数据页中出现错误，则读取同一条带中未出错的其它页数据，并填入计算域和校验数据页P和系数计算校验数据页Q的公式，将出错的页数据分别作为未知数，根据已知数据求解出出错的页数据，实现对出错页数据的纠错。采用N+2增强型RAID保护方法，可以维持N+1下的资源需求量级，同时去除了条带之间的耦合性，对于任意条带内的任意两个单元错误均能完成修复，极大地提高了SSD可靠性。

Description

一种增强型RAID保护方法及SSD

技术领域

本发明涉及存储技术领域，尤其涉及一种增强型RAID保护方法及SSD。

背景技术

SSD(固态硬盘)已经被广泛应用于各种场合，目前在PC市场，已经逐步替代传统的HDD，从可靠性和性能方面为用户提供较好的体验。

作为SSD的主要存储介质，NAND一直在更新换代。随着工艺的演进，颗粒的可靠性面临较大的挑战。在NAND给定的擦写次数内，随着PE(擦写次数)的增加，其出错的概率也会增加。

为了满足数据的正确性需求，除了传统的增加ECC纠错能力，使用NAND内置的重读Read Retry命令来调整Cell读取电压外，系统级的纠错方法也逐步被引入到SSD内部，如RAID。

图1是SSD内部典型的N+1RAID模型示意图：

一共有N+1个DIE,其中N个DIE存放用户数据，一个用来存放校验数据Parity，实际应用中，Parity会在不同DIE之间移动，为便于描述，使其固定，不影响原理性说明。

每个DIE的当前正在写入数据的物理块的相同Page组成一个条带(如Page0,组成条带Stripe 0,如Page 1,组成条带Stripe 1…)。

校验数据Parity的生成由该条带内其他用户数据异或运算得到，当某个条带内用户数据损坏时，可以由该条带内其他N-1笔用户数据以及1笔Parity数据进行异或得到(异或操作满足数学上的交换以及可逆性)。

图2是增加垂直条带的二维RAID模型示意图、除了水平N+1RAID,还构建了垂直方向的N+1RAID；图3是增加斜纹条带的RAID模型示意图，除了水平N+1RAID,还构建了斜线方向的N+1RAID；其目的都是为提升多单元失效时的纠错能力。此两个模型下的新增的条带(垂直、斜向)的Parity生成需要引用其后Page数据，故而系统中并存的Parity Buffer会很大，远远超过N+1RAID时的2倍。

并且当二维RAID中出现图示中的错误分布时，由于水平条带1/2以及垂直条带1/2中均存在2个单元错误，超过了任意一个N+1的纠错能力，所以整体数据不可纠错，达不到N+2的纠错需求。同理，当斜纹RAID中出现图示中的错误分布时，在水平条带和斜向条带中均存在2个单元错误，超过了任意一个N+1的纠错能力，数据不可纠。

发明内容

针对以上缺陷，本发明目的在于如何实现仅仅增加少量的校验数据空间占有的情况下获得可纠错同一条带下任意两个数据块的效果。

为了实现上述目的，本发明提供了一种增强型RAID保护方法,其特征在于每N+2个数据页组成一个条带，其中包含N个有效数据页为的D0～DN-1、域和校验数据页P和系数计算校验数据页Q，所述P＝D0+D1+...+DN-1；Q＝A0*D0+A1*D1+...+AN-1*DN-1，A0～AN-1为权重系数系数，所有系数不等于0；当同一条带中出现2个有效数据页中出现错误，则读取同一条带中未出错的其它页数据，并填入计算域和校验数据页P和系数计算校验数据页Q的公式，将出错的页数据分别作为未知数，根据已知数据求解出出错的页数据，实现对出错页数据的纠错。

所述的增强型RAID保护方法,其特征在于取N+2等于面DIE的数量。

所述的增强型RAID保护方法,其特征在于各个面DIE中相同页序号的N+2个数据页组成一个条带。

所述的增强型RAID保护方法,其特征在于域和校验数据页P和系数计算校验数据页Q在同一条带的有效数据写入时同步计算，当该条带的所有有效数据页都写完则异或校验数据页P和系数计算校验数据页Q也计算完成，并执行校验数据写入操作。

所述的增强型RAID保护方法,其特征在于计算P、Q和求解未知数进行出错页数据的纠错的页与页间的运算中采用的加法采用域加、减法采用域减、乘法采用域乘、除法采用域除。

所述的增强型RAID保护方法,其特征在于将页与页间的所有可能的域乘和域除的结果预先计算获得结果，并将结果存储在预算表中，在计算P、Q和求解未知数进行出错页数据的纠错的页与页间的运算中遇到域乘和域除时直接查预算表获知计算结果。

一种SSD,其特征在于采用N+2增强型RAID保护方法，所述N+2增强型RAID保护方法具体为每N+2个数据页组成一个条带，其中包含N个有效数据页为的D0～DN-1、域和校验数据页P和系数计算校验数据页Q，所述P＝D0+D1+...+DN-1；Q＝A0*D0+A1*D1+...+AN-1*DN-1，A0～AN-1为权重系数系数，所有系数不等于0；当同一条带中出现2个有效数据页中出现错误，则读取同一条带中未出错的其它页数据，并填入计算域和校验数据页P和系数计算校验数据页Q的公式，将出错的页数据分别作为未知数，根据已知数据求解出出错的页数据，实现对出错页数据的纠错。

所述的SSD,其特征在于取N+2等于面DIE的数量；各个面DIE中相同页序号的N+2个数据页组成一个条带；域和校验数据页P和系数计算校验数据页Q在同一条带的有效数据写入时同步计算，当该条带的所有有效数据页都写完则异或校验数据页P和系数计算校验数据页Q也计算完成，并执行校验数据写入操作。

所述的SSD,其特征在于计算P、Q和求解未知数进行出错页数据的纠错的页与页间的运算中采用的加法采用域加、减法采用域减、乘法采用域乘、除法采用域除。

所述的SSD,其特征在于将页与页间的所有可能的域乘和域除的结果预先计算获得结果，并将结果存储在预算表中，在计算P、Q和求解未知数进行出错页数据的纠错的页与页间的运算中遇到域乘和域除时直接查预算表获知计算结果。

本发明采用N+2增强型RAID保护方法，可以维持N+1下的资源需求量级，同时去除了条带之间的耦合性，对于任意条带内的任意两个单元错误均能完成修复，极大地提高了SSD可靠性。

附图说明

图1是SSD内部典型的N+1RAID模型示意图；

图2是增加垂直条带的二维RAID模型示意图；

图3是增加斜纹条带的RAID模型示意图；

图4是增强型RAID(N+2)模型图；

图5是任意条带内出现2页数据错误示意图。

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。

图4是增强型RAID(N+2)模型图，为便于说明，以N＝4为例进行解释。

条带组成与N+1类似，每个DIE当前正在写入的物理块的相同Page组成对应的条带(Stripe)，为每四笔数据，生成对应的P以及Q俩笔校验数据。

如何生成对应的P/Q,是进行RAID纠错的关键，以条带0为例，假设存在如下等式：

D0+D1+D2+D3＝P0 等式:1-0；

A0*D0+A1*D1+A2*D2+A3*D3＝Q0 等式:1-1；

其中，D0/D1/D2/D3为条带内的用户数据，P0/Q0为对应的Parity数据，而A0/A1/A2/A3为系数。

当任意俩笔数据出错时，不失一般性，假设D1/D3出错，则由上面公式可知：

D1+D3＝P0–D0-D2 等式:2-0；

A1*D1+A3*D3＝Q0-A0*D0-A2*D2 等式:2-1；

此时，P0/Q0,D0/D2，A0/A1/A2/A3均是已知或者可正确读取的，只要A1！＝A3,则可以以D1、D3作为未知数，通过求解上述的二元一次方程组来获取正确的D1/D3值，从而完成了条带内任意俩笔数据出错时的纠错。

进一步地，由于P0/D0在条带0的用户数据确定后即可生成，故可以实时写入NAND上，释放Parity Buffer供下一个条带使用。所以，在此模型下，可以实现相对N+1RAID 2倍Parity Buffer资源的需求，远远低于二维RAID以及斜纹RAI D的资源需求。

关于P/Q的生成策略，如上所述的理论上成立，但在实际中存在问题：

-P0/Q0,由于是基于原始数据的累加、乘加所得，所以会使得其取值范围超过原始用户数据(数据所需要的存储位宽)

-Q0的生成，需要大量的乘法运算，运算量极大。

为了解决该问题，需要引入基于有限域(Galois Field，伽罗华域)的四则运算进行等效变换，由于该算法原理为通用原理，故本处仅针对本发明中的应用做一定性说明，从而使得在满足可逆性的前提下，约束P/Q位宽，简化其生成逻辑。

关于有限域的理论知识科普以及推导在此处不做介绍，我们直接将结论应用到该工程问题。

不失一般性，我们假设图4中每个物理页存储4bit数据，则一共有2^4＝16种二进制数据格式，可以映射到有限域GF(2^4)中，本原多项式我们采用P(x)＝X^4+X+1，域中任意元素Dx可表示成多项式形式：

Dx＝bx_1*X^3+bx_2*X^2+bx_3*X^1+b_4；其中系数bx_1,bx_2,bx_3,bx_4为二进制数，非1即0，*符号为普通的乘法，+符号为普通的加法。物理页中16种二进制数据格式对应的多项式形式如表1所示。

在该有限域中定义多项式的四则运算，为了区别于普通四则运算，我们另称为域加、域减、域乘和域除：

D1域加D2＝D1+D2，即域加定义为普通的加法，由于多项式中的系数为二进制，该加法又等效于异或操作，所以域加后的数据不会超过4bit。

D1域减D2＝D1域加D2，因为多项式中的系数为二进制。

D1域乘D2＝(D1*D2)mod P(x)，即域乘定义为D1与D2展成的多项式普通相乘后再mod P(x)，由于P(x)的最大阶数为4所以取模后的数据位宽也不会超过4bit。

D1域除D2＝D1多项式除D2，结果数据位宽同样不会超过4bit，在实际计算中域除运算转换成对乘法逆元的域乘运算，即D1域除D2＝D1域乘(D2的乘法逆元)，乘法逆元的定义见下文。

域乘和域除运算量比较大，利用有限域中元素有限的特征，我们将域中两两元素的域乘值预先计算好，存在表2里(结果较多，这里只显示用得到的几个)，将每个元素的乘法逆元(假设Dx的乘法逆元为Dy，则满足Dx域乘Dy等于1，且每个元素的乘法逆元唯一，元素0没有乘法逆元)也预先计算好，存在表3里。之后，两两元素的域乘结果可以直接查表2，任一元素的乘法逆元直接查表3即可，不再需要动态计算。

表1：域元素表

二进制表示	多项式表示	二进制表示	多项式表示
				0000	0	0101	X^2+1
0001	1	1010	X^3+X
				0010	X^1	1001	X^3+1
0100	X^2	0111	X^2+X^1+1
				1000	X^3	1110	X^3+X^2+X
0011	X+1	1011	X^3+X+1
				0110	X^2+X^1	1101	X^3+X^2+1
1100	X^3+X^2	1111	X^3+X^2+X+1

表2:域乘表

表3:域除表

元素	乘法逆元	元素	乘法逆元
				0	-	X^2+1	X^3+X+1
1	1	X^3+X	X^3+X^2
				X^1	X^3+1	X^3+1	X^1
X^2	X^3+X^2+1	X^2+X^1+1	X^2+X^1
				X^3	X^3+X^2+X+1	X^3+X^2+X	X+1
X+1	X^3+X^2+X	X^3+X+1	X^2+1
				X^2+X^1	X^2+X^1+1	X^3+X^2+1	X^2
X^3+X^2	X^3+X	X^3+X^2+X+1	X^3

假设图4中一个条带中各物理页中存储的二进制数据为D0_0＝1101，D0_1＝0011，D0_2＝1001，D0_3＝1100，根据表1它们在GF(2^4)中对应元素的多项式形式为：

D0_0＝X^3+X^2+1；

D0_1＝X+1；

D0_2＝X^3+1；

D0_3＝X^3+X^2；

则P0＝D0_0域加D0_1域加D0_2域加D0_3＝X^3+X+1，对应的二进制数据为1011。

Q0的生成公式参考等式:1-1，这里我们取A0＝1，A1＝X+1，A2＝X^2+X，A3＝X^3+1(这里的A0～A3是从GF(2^4)中选取的互不相等的权重系数)，则Q0＝(A0域乘D0_0)域加(A1域乘D0_1)域加(A2域乘D0_2)域加(A3域乘D0_3)，算式中所有域乘的结果通过查表2得到，即Q0＝(X^3+X^2+1)域加(X^2+1)域加(X+1)域加(X^2+X)＝X^3+X^2+1，对应的二进制数据为1101。

以上就是P0与D0的生成过程。

对于任意条带内的两笔数据错误，如图5所示，条带0中的D0_0/D0_1发生错误，可以进行如下恢复。

P0与D0生成方式为等式:1-0和等式:1-1，D0_0/D0_1为未知值，推导出：

D0_0域加D0_1＝P0域加D0_2域加 D0_3等式:3-0

(A0域乘D0_0)域加(A1域乘D0_1)＝Q0域加(A2域乘D0_2)域加(A3域乘D0_3) 等式:3-1

代入已知值P0、D0、D0_2、D0_3，域乘结果直接查表2可得：

D0_0域加D0_1＝X^3+X^2+X 等式:4-0

(A0域乘D0_0)域加(A1域乘D0_1)＝X^3 等式:4-1

消掉D0_1，进而推导出：

X域乘D0_0＝X^3+1 等式:4-2

查表3可得，X的逆元为X^3+1，代入等式:4-2可得：

D0_0＝(X^3+1)域乘(X^3+1)，查表2可得：

D0_0＝X^3+X^2+1，二进制数据为1101，即能恢复出D0_0的原始数据；

将计算出的D0_0代入等式:4-0，可得：

D0_1＝X+1，二进制数据为0011，也成功恢复。

如果发生类似斜纹RAID中的错误，条带0、4中均发生俩笔数据错误。由前面P/Q生成规则可知，这两个条带是独立的，可以分别进行恢复。

以上所揭露的仅为本发明一种实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于本发明所涵盖的范围。

Claims

1.一种增强型RAID保护方法,其特征在于每N+2个数据页组成一个条带，其中包含N个有效数据页为的D0～DN-1、域和校验数据页P和系数计算校验数据页Q，所述P＝D0+D1+...+DN-1；Q＝A0*D0+A1*D1+...+AN-1*DN-1，A0～AN-1为权重系数系数，所有系数不等于0；当同一条带中出现2个有效数据页中出现错误，则读取同一条带中未出错的其它页数据，并填入计算域和校验数据页P和系数计算校验数据页Q的公式，将出错的页数据分别作为未知数，根据已知数据求解出出错的页数据，实现对出错页数据的纠错。

2.根据权利要求1所述的增强型RAID保护方法,其特征在于取N+2等于DIE的数量。

3.根据权利要求2所述的增强型RAID保护方法,其特征在于各个DIE中相同页序号的N+2个数据页组成一个条带。

4.根据权利要求3所述的增强型RAID保护方法,其特征在于域和校验数据页P和系数计算校验数据页Q在同一条带的有效数据写入时同步计算，当该条带的所有有效数据页都写完则异或校验数据页P和系数计算校验数据页Q也计算完成，并执行校验数据写入操作。

5.根据权利要求4所述的增强型RAID保护方法,其特征在于计算P、Q和求解未知数进行出错页数据的纠错的页与页间的运算中采用的加法采用域加、减法采用域减、乘法采用域乘、除法采用域除。

6.根据权利要求5所述的增强型RAID保护方法,其特征在于将页与页间的所有可能的域乘和域除的结果预先计算获得结果，并将结果存储在预算表中，在计算P、Q和求解未知数进行出错页数据的纠错的页与页间的运算中遇到域乘和域除时直接查预算表获知计算结果。

7.一种SSD,其特征在于采用N+2增强型RAID保护方法，所述N+2增强型RAID保护方法具体为每N+2个数据页组成一个条带，其中包含N个有效数据页为的D0～DN-1、域和校验数据页P和系数计算校验数据页Q，所述P＝D0+D1+...+DN-1；Q＝A0*D0+A1*D1+...+AN-1*DN-1，A0～AN-1为权重系数系数，所有系数不等于0；当同一条带中出现2个有效数据页中出现错误，则读取同一条带中未出错的其它页数据，并填入计算域和校验数据页P和系数计算校验数据页Q的公式，将出错的页数据分别作为未知数，根据已知数据求解出出错的页数据，实现对出错页数据的纠错。

8.根据权利要求7所述的SSD,其特征在于取N+2等于DIE的数量；各个DIE中相同页序号的N+2个数据页组成一个条带；域和校验数据页P和系数计算校验数据页Q在同一条带的有效数据写入时同步计算，当该条带的所有有效数据页都写完则异或校验数据页P和系数计算校验数据页Q也计算完成，并执行校验数据写入操作。

9.根据权利要求8所述的SSD,其特征在于计算P、Q和求解未知数进行出错页数据的纠错的页与页间的运算中采用的加法采用域加、减法采用域减、乘法采用域乘、除法采用域除。

10.根据权利要求9所述的SSD,其特征在于将页与页间的所有可能的域乘和域除的结果预先计算获得结果，并将结果存储在预算表中，在计算P、Q和求解未知数进行出错页数据的纠错的页与页间的运算中遇到域乘和域除时直接查预算表获知计算结果。