CN109582237A - 一种基于机械硬盘的坏扇区映射方法 - Google Patents

一种基于机械硬盘的坏扇区映射方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于机械硬盘的坏扇区映射方法，包括如下步骤：系统启动后，坏扇区管理模块开始初始化；当硬盘上线完成后，系统先将IO请求的逻辑地址发送给坏扇区管理模块，由坏扇区管理模块转换为物理地址后进行是否命中坏扇区映射表、预测坏扇区映射表的检测；然后由坏扇区管理模块依据检测结果决定是将映射后的物理地址还是真实的物理地址返给系统；系统按坏扇区管理模块返回的物理地址进行硬盘读写，如果读写成功，则IO结束；如果读写失败，则触发坏扇区管理模块执行带有预测特性的坏扇区映射操作。本发明可有效避免系统因连续扇区损坏所导致的IO频繁报错和逻辑上连续但实际物理扇区却离散的问题，可极大提高系统的稳定性和性能。

Description

一种基于机械硬盘的坏扇区映射方法
技术领域
本发明是涉及一种基于机械硬盘的坏扇区映射方法，属于数据存储技术领域。
背景技术
请参阅附图1所示，机械硬盘都是磁碟型的，是由重叠的一组盘片构成，每个盘面都被划分为数目相等的磁道(Track)，并从外缘的"0"开始编号，具有相同编号的磁道形成一个圆柱，称之为柱面(Cylinder)，每个磁道被等分为若干个弧段，这些弧段便是扇区(Sector)。数据是存储在扇区里，对于无法写入数据的扇区称为坏扇区。
在机械硬盘的生命周期中，始终存在“因为扇区损坏而导致系统IO错误的情况”。因而，在以机械硬盘为主要存储介质的存储服务器中，因为硬盘扇区损坏而上报的IO错误，是系统读写失败最主要的原因。
目前解决上述问题的通用方法是“一一对应”方法，该方法是在硬盘上线时，先预留一部分空间，以用于替换硬盘上损坏的扇区，然后在系统出现一次IO错误时，就进行一次记录，根据系统层IO携带的扇区地址进行坏扇区的映射，并且更新坏扇区映射表(用于记录发生变化的扇区映射关系)。而系统在正常读写的过程中，如果读写的目标扇区地址命中坏扇区映射表中记录的硬盘“已损坏”扇区，则会修改目标系统即将读写的硬盘地址，即：根据之前建立的映射关系，从硬盘的预留扇区中找到一个同样大小的扇区进行地址替换，以完成本次读写。在存储服务器中，虽然通过这种“一一对应”方法，可提高硬盘的使用寿命和降低IO报错情况，但在实际使用中，仍然存在一些弊端，例如：
对于大多数机械硬盘而言，机械硬盘损坏的扇区通常不是离散的和随机的，而是有规律的、相关联的一段物理地址，一旦出现某个扇区损坏，就会不可避免的产生一连串的IO错误，这时系统一方面需要处理这些错误(以Linux系统为例，通常会触发其重建这条链路)，另一方面又会在坏扇区映射表中重映射这个扇区，以致会加重系统的负载，出现内存紧张、CPU占用过高、IO性能下降等问题；此外，采用“一一对应”时，因为一个扇区损坏，就会导致这个扇区的物理地址被重映射到“预留扇区表”中，从而出现逻辑上连续但实际物理扇区却离散的问题，以致系统性能也受到影响。因此，有必要研发一种基于机械硬盘的坏扇区映射方法，以解决系统因扇区损坏而频繁出现IO错误和出现的逻辑上连续但实际物理扇区却离散的问题。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题和需求，本发明的目的是提供一种基于机械硬盘的坏扇区映射方法，以解决系统因为扇区损坏而频繁出现IO错误的问题及出现的逻辑上连续但实际物理扇区却离散的问题，以提高系统IO读写性能、提升系统可靠性和稳定性，并延长机械硬盘的使用寿命。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于机械硬盘的坏扇区映射方法，包括系统，所述系统内设有坏扇区管理模块，所述的坏扇区管理模块能检测坏扇区和执行坏扇区映射操作；所述的坏扇区映射方法具体包括如下步骤：
S1)系统启动后，坏扇区管理模块开始初始化，所述初始化内容包括：
向系统申请内存资源；
创建和初始化坏扇区映射表；
获取正在上线的硬盘磁道和盘片数量并据此建立从逻辑地址到物理地址的映射关系；
获取正在上线的硬盘容量，并截留5％～20％的硬盘空间作为预留扇区以用于映射；
获取正在上线的硬盘配置信息并据此创建坏扇区预测因子和预测坏扇区映射表；
S2)当硬盘上线完成后，系统先将IO请求的逻辑地址发送给坏扇区管理模块，由坏扇区管理模块转换为物理地址后进行是否命中坏扇区映射表的检测；如果检测结果为是，则坏扇区管理模块依据坏扇区映射表中的映射关系将替换后的物理地址返给系统；如果检测结果为否，则执行S3)步骤；
S3)如果IO请求的物理地址没有命中坏扇区映射表，再由坏扇区管理模块检测是否命中预测坏扇区映射表；如果检测结果为否，则坏扇区管理模块将真实的物理地址再返给系统；如果检测结果为是，则执行S4)步骤；
S4)如果IO请求的物理地址命中预测坏扇区映射表，则坏扇区管理模块需进一步检测预测坏扇区是否完成“数据迁移”，即：被标记为“已写过”；如果检测结果为是，则坏扇区管理模块依据预测坏扇区映射表中的映射关系将替换后的物理地址返给系统；如果检测结果为否，则坏扇区管理模块将真实的物理地址再返给系统。
进一步，所述的坏扇区映射方法还包括如下步骤：
S5)系统按坏扇区管理模块返回的物理地址进行硬盘读写，如果读写成功，则IO结束，返回成功；如果读写失败，则触发坏扇区管理模块执行坏扇区映射操作。
进一步，所述的坏扇区映射方法还包括如下步骤：
S6)系统按映射后的物理地址重试IO，如果再次发生错误，则再次触发坏扇区管理模块执行坏扇区映射操作，直至读写成功。
一种实施方案，所述坏扇区预测因子用程序设计语言中的结构体“Predict_Factor”进行描述，所述结构体包括如下成员：
Predict_Cylinder，其属性为：一个字节，表示预测相邻柱面的扇区数；
Predict_Track，其属性为：一个字节，表示预测相邻磁道的扇区数；
Predict_Sector，其属性为：一个字节，表示预测同一磁道的相邻扇区数。
一种实施方案，坏扇区预测因子的创建方法包括如下步骤：
a)首先，对每项硬盘配置参数分别设定在相邻柱面、相邻磁道、同一磁道的相邻扇区这三个预测维度的影响百分比；
b)然后，对每项硬盘配置参数分别设定在每个预测维度的预测扇区数；
c)最后，坏扇区管理模块依据获取的硬盘配置参数信息，计算硬盘在每个预测维度的预测因子，具体计算是将每项硬盘配置参数在该预测维度的影响百分比乘以在该预测维度所设定的预测扇区数的加权值再乘以2；如果遇到计算的加权值为非整数，则需要向上归一化为整数后再乘以2。
进一步，所述硬盘配置参数包括硬盘型号、硬盘接口和业务场景三个参数。
进一步，每项硬盘配置参数在三个预测维度的影响百分比的设定如下表所示：
进一步，每项硬盘配置参数在每个预测维度的预测扇区数的设定如下表所示：
一种实施方案，坏扇区管理模块每次执行坏扇区映射操作的过程包括如下步骤：
A)建立真实坏扇区的映射关系，即：向预留扇区申请一个扇区，建立从坏扇区到好扇区的地址映射关系，并在坏扇区映射表中建立一条真实坏扇区映射记录；
B)建立预测坏扇区的映射关系，即：依据真实坏扇区的物理地址及坏扇区预测因子计算预测扇区的物理地址，并向预留扇区申请一个扇区，将预测扇区中的数据从原来的物理地址迁移到映射后的新地址，同时在预测坏扇区映射表中建立一条预测坏扇区映射记录；
C)将步骤A)建立的真实坏扇区映射记录与步骤B)建立的预测坏扇区映射记录关联为一组相关记录，即：通过其中一个映射记录能找到另一个映射记录，并结束此次坏扇区映射操作。
进一步，预测坏扇区一旦完成了数据迁移，则需将该预测坏扇区标记为“已写过”。
进一步，一旦步骤A)或/和步骤B)向预留扇区申请扇区失败，表示该硬盘已无法进行坏扇区的重映射，则需将该硬盘设置为“只读”状态。
相较于现有技术，本发明的有益技术效果在于：
本发明通过采用预测方法，在执行坏扇区映射操作时，同时建立真实坏扇区的映射关系和预测坏扇区的映射关系两条映射记录，依据真实坏扇区的物理地址及创建的坏扇区预测因子对真实坏扇区进行三个维度的预测扩展，并通过使系统先将IO请求发送给坏扇区管理模块进行相应检测后，再依据坏扇区管理模块经检测后返回的物理地址进行硬盘读写操作，从而可有效避免系统因连续扇区损坏所导致的IO频繁报错的问题，可极大提高系统的稳定性；以及，因预测坏扇区是依据真实坏扇区进行三维度的连续扩展得到，因此，也可有效避免逻辑上连续但实际物理扇区却离散的问题，使系统性能也得到明显提高，非常符合机械硬盘扇区损坏的特点，对大量使用机械硬盘的安防、传统存储领域具有重要意义。
附图说明
图1为本发明背景技术中所述机械硬盘的结构示意图；
图2为本发明实施例中S1)步骤的流程图；
图3为本发明实施例中S2)～S4)步骤的流程图；
图4为本发明实施例中S5)～S6)步骤的流程图；
图5为本发明实施例中所述坏扇区映射操作的流程图。
图中标号示意如下：1、转轴；2、扇区；3、磁道；4、磁头。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步清楚、完整地描述。
实施例
本实施例提供的一种基于机械硬盘的坏扇区映射方法，包括系统，所述系统内设有坏扇区管理模块，所述的坏扇区管理模块能检测坏扇区和执行坏扇区映射操作；所述的坏扇区映射方法具体包括如下步骤：
S1)系统启动后，坏扇区管理模块开始初始化，所述初始化内容包括(请参阅图2所示)：
向系统申请内存资源；
创建和初始化坏扇区映射表；
获取正在上线的硬盘磁道和盘片数量并据此建立从逻辑地址到物理地址的映射关系；
获取正在上线的硬盘容量，并截留5％～20％的硬盘空间作为预留扇区以用于映射；
获取正在上线的硬盘配置信息并据此创建坏扇区预测因子和预测坏扇区映射表；
S2)当硬盘上线完成后，系统先将IO请求的逻辑地址发送给坏扇区管理模块，由坏扇区管理模块转换为物理地址后进行是否命中坏扇区映射表的检测；如果检测结果为是，则坏扇区管理模块依据坏扇区映射表中的映射关系将替换后的物理地址返给系统；如果检测结果为否，则执行S3)步骤；
S3)如果IO请求的物理地址没有命中坏扇区映射表，再由坏扇区管理模块检测是否命中预测坏扇区映射表；如果检测结果为否，则坏扇区管理模块将真实的物理地址再返给系统；如果检测结果为是，则执行S4)步骤；
S4)如果IO请求的物理地址命中预测坏扇区映射表，则坏扇区管理模块需进一步检测预测坏扇区是否完成“数据迁移”，即：被标记为“已写过”；如果检测结果为是，则坏扇区管理模块依据预测坏扇区映射表中的映射关系将替换后的物理地址返给系统；如果检测结果为否，则坏扇区管理模块将真实的物理地址再返给系统。
图3为上述S2)～S4)步骤的流程图，请参阅。
进一步，所述的坏扇区映射方法还包括如下步骤：
S5)系统按坏扇区管理模块返回的物理地址进行硬盘读写，如果读写成功，则IO结束，返回成功；如果读写失败，则触发坏扇区管理模块执行坏扇区映射操作。
S6)系统按映射后的物理地址重试IO，如果再次发生错误，则再次触发坏扇区管理模块执行坏扇区映射操作，直至读写成功。
图4为上述S5)～S6)步骤的流程图，请参阅。
所述坏扇区预测因子可用程序设计语言中的结构体“Predict_Factor”进行描述，所述结构体包括如下成员：
Predict_Cylinder，其属性为：一个字节，表示预测相邻柱面的扇区数；
Predict_Track，其属性为：一个字节，表示预测相邻磁道的扇区数；
Predict_Sector，其属性为：一个字节，表示预测同一磁道的相邻扇区数。
坏扇区预测因子的创建方法包括如下步骤：
a)首先，对每项硬盘配置参数分别设定在相邻柱面、相邻磁道、同一磁道的相邻扇区这三个预测维度的影响百分比，所述硬盘配置参数包括硬盘型号、硬盘接口和业务场景三个参数，每项硬盘配置参数在三个预测维度的影响百分比的设定如下表所示：
b)然后，对每项硬盘配置参数分别设定在每个预测维度的预测扇区数；每项硬盘配置参数在每个预测维度的预测扇区数的设定如下表所示：
c)最后，坏扇区管理模块依据获取的硬盘配置参数信息，计算硬盘在每个预测维度的预测因子，具体计算是将每项硬盘配置参数在该预测维度的影响百分比乘以在该预测维度所设定的预测扇区数的加权值再乘以2；如果遇到计算的加权值为非整数，则需要向上归一化为整数后再乘以2。
例如：若获取的硬盘配置参数为：“监控级·SATA盘·视频监控”，而关于每项硬盘配置参数在三个预测维度的影响百分比的设定如下：
以及，关于每项硬盘配置参数在每个预测维度的预测扇区数的设定如下：
则关于该硬盘(监控级·SATA盘·视频监控)在每个预测维度的预测因子的计算如下：
·Predict_Factor.Predict_Cylinder＝(50％*4+50％*4)*2＝8(个柱面扇区)
·Predict_Factor.Predict_Track＝(60％*4+40％*4)*2＝8(个磁道扇区)
·Predict_Factor.Predict_Sector＝[(30％*4+10％*4+60％*8)＝6.4→归一化为7]*2＝14(个磁道扇区)。
请参阅图5所示，坏扇区管理模块每次执行坏扇区映射操作的过程包括如下步骤：
A)建立真实坏扇区的映射关系，即：向预留扇区申请一个扇区，建立从坏扇区到好扇区的地址映射关系，并在坏扇区映射表中建立一条真实坏扇区映射记录；
B)建立预测坏扇区的映射关系，即：依据真实坏扇区的物理地址及坏扇区预测因子计算预测扇区的物理地址，并向预留扇区申请一个扇区，将预测扇区中的数据从原来的物理地址迁移到映射后的新地址，同时在预测坏扇区映射表中建立一条预测坏扇区映射记录；
C)将步骤A)建立的真实坏扇区映射记录与步骤B)建立的预测坏扇区映射记录关联为一组相关记录，即：通过其中一个映射记录能找到另一个映射记录，并结束此次坏扇区映射操作。
预测坏扇区一旦完成了数据迁移，则需将该预测坏扇区标记为“已写过”；一旦步骤A)或/和步骤B)向预留扇区申请扇区失败，表示该硬盘已无法进行坏扇区的重映射，则需将该硬盘设置为“只读”状态，避免持续写入导致系统报错和数据丢失。
综上所述可见：本发明通过采用预测方法，在执行坏扇区映射操作时，同时建立真实坏扇区的映射关系和预测坏扇区的映射关系两条映射记录，依据真实坏扇区的物理地址及创建的坏扇区预测因子对真实坏扇区进行三个维度的预测扩展，并通过使系统先将IO请求发送给坏扇区管理模块进行相应检测后，再依据坏扇区管理模块经检测后返回的物理地址进行硬盘读写操作，从而可有效避免系统因连续扇区损坏所导致的IO频繁报错的问题，可极大提高系统的稳定性；以及，因预测坏扇区是依据真实坏扇区进行三维度的连续扩展得到，因此，也可有效避免逻辑上连续但实际物理扇区却离散的问题，使系统性能也得到明显提高，非常符合机械硬盘扇区损坏的特点，对大量使用机械硬盘的安防、传统存储领域具有重要意义；因而，本发明相对于现有技术，具有显著进步。
最后有必要在此指出的是：以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于机械硬盘的坏扇区映射方法，包括系统，所述系统内设有坏扇区管理模块，所述的坏扇区管理模块能检测坏扇区和执行坏扇区映射操作；其特征在于，所述的坏扇区映射方法具体包括如下步骤：
S1)系统启动后，坏扇区管理模块开始初始化，所述初始化内容包括：
向系统申请内存资源；
创建和初始化坏扇区映射表；
获取正在上线的硬盘磁道和盘片数量并据此建立从逻辑地址到物理地址的映射关系；
获取正在上线的硬盘容量，并截留5％～20％的硬盘空间作为预留扇区以用于映射；
获取正在上线的硬盘配置信息并据此创建坏扇区预测因子和预测坏扇区映射表；
S2)当硬盘上线完成后，系统先将IO请求的逻辑地址发送给坏扇区管理模块，由坏扇区管理模块转换为物理地址后进行是否命中坏扇区映射表的检测；如果检测结果为是，则坏扇区管理模块依据坏扇区映射表中的映射关系将替换后的物理地址返给系统；如果检测结果为否，则执行S3)步骤；
S3)如果IO请求的物理地址没有命中坏扇区映射表，再由坏扇区管理模块检测是否命中预测坏扇区映射表；如果检测结果为否，则坏扇区管理模块将真实的物理地址再返给系统；如果检测结果为是，则执行S4)步骤；
S4)如果IO请求的物理地址命中预测坏扇区映射表，则坏扇区管理模块需进一步检测预测坏扇区是否完成“数据迁移”，即：被标记为“已写过”；如果检测结果为是，则坏扇区管理模块依据预测坏扇区映射表中的映射关系将替换后的物理地址返给系统；如果检测结果为否，则坏扇区管理模块将真实的物理地址再返给系统。
2.根据权利要求1所述的基于机械硬盘的坏扇区映射方法，其特征在于，所述的坏扇区映射方法还包括如下步骤：
S5)系统按坏扇区管理模块返回的物理地址进行硬盘读写，如果读写成功，则IO结束，返回成功；如果读写失败，则触发坏扇区管理模块执行坏扇区映射操作。
3.根据权利要求2所述的基于机械硬盘的坏扇区映射方法，其特征在于，所述的坏扇区映射方法还包括如下步骤：
S6)系统按映射后的物理地址重试IO，如果再次发生错误，则再次触发坏扇区管理模块执行坏扇区映射操作，直至读写成功。
4.根据权利要求1所述的基于机械硬盘的坏扇区映射方法，其特征在于，坏扇区预测因子的创建方法包括如下步骤：
a)首先，对每项硬盘配置参数分别设定在相邻柱面、相邻磁道、同一磁道的相邻扇区这三个预测维度的影响百分比；
b)然后，对每项硬盘配置参数分别设定在每个预测维度的预测扇区数；
c)最后，坏扇区管理模块依据获取的硬盘配置参数信息，计算硬盘在每个预测维度的预测因子，具体计算是将每项硬盘配置参数在该预测维度的影响百分比乘以在该预测维度所设定的预测扇区数的加权值再乘以2；如果遇到计算的加权值为非整数，则需要向上归一化为整数后再乘以2。
5.根据权利要求4所述的基于机械硬盘的坏扇区映射方法，其特征在于：所述硬盘配置参数包括硬盘型号、硬盘接口和业务场景三个参数。
6.根据权利要求4所述的基于机械硬盘的坏扇区映射方法，其特征在于，每项硬盘配置参数在三个预测维度的影响百分比的设定如下表所示：
7.根据权利要求4所述的基于机械硬盘的坏扇区映射方法，其特征在于，每项硬盘配置参数在每个预测维度的预测扇区数的设定如下表所示：
8.根据权利要求2或3所述的基于机械硬盘的坏扇区映射方法，其特征在于，坏扇区管理模块每次执行坏扇区映射操作的过程包括如下步骤：
A)建立真实坏扇区的映射关系，即：向预留扇区申请一个扇区，建立从坏扇区到好扇区的地址映射关系，并在坏扇区映射表中建立一条真实坏扇区映射记录；
B)建立预测坏扇区的映射关系，即：依据真实坏扇区的物理地址及坏扇区预测因子计算预测扇区的物理地址，并向预留扇区申请一个扇区，将预测扇区中的数据从原来的物理地址迁移到映射后的新地址，同时在预测坏扇区映射表中建立一条预测坏扇区映射记录；
C)将步骤A)建立的真实坏扇区映射记录与步骤B)建立的预测坏扇区映射记录关联为一组相关记录，即：通过其中一个映射记录能找到另一个映射记录，并结束此次坏扇区映射操作。
9.根据权利要求8所述的基于机械硬盘的坏扇区映射方法，其特征在于：预测坏扇区一旦完成了数据迁移，则需将该预测坏扇区标记为“已写过”。
10.根据权利要求8所述的基于机械硬盘的坏扇区映射方法，其特征在于：一旦步骤A)或/和步骤B)向预留扇区申请扇区失败，表示该硬盘已无法进行坏扇区的重映射，则需将该硬盘设置为“只读”状态。
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