CN110187830A - 一种加速磁盘阵列重建的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种加速磁盘阵列重建的方法及系统，包括：在缓存中建立磁盘阵列的有效数据位图，有效数据位图用于记录磁盘阵列逻辑地址空间中存有数据的数据块的有效位图信息；接收写请求，得到写请求中待写入数据所属的条带，并根据条带所在数据块的位图信息更新有效数据位图；根据磁盘阵列当前的数据冗余方式，将待写入数据下发至磁盘阵列的底层磁盘；当磁盘阵列中出现失效的成员磁盘时，通过有效数据位图读取失效的成员磁盘中存有数据的数据块的待恢复位图信息，并得到待恢复位图信息对应的待恢复条带，根据数据冗余方式恢复重建待恢复条带。本发明能减少RAID系统重建过程需恢复的数据量，从而降低RAID重建过程耗时，进一步提升了系统的可靠性。

Description

一种加速磁盘阵列重建的方法及系统
技术领域
本发明涉及计算机存储领域，特别涉及一种加速磁盘阵列重建的方法及系统。
背景技术
RAID(独立冗余磁盘阵列)技术是一种提供增强冗余、容量和存储性能的存储方法，有着较强的可管理性、可靠性和可用性，通过冗余计算，RAID技术能够在满足可靠性要求的前提下降低系统的容量开销，RAID技术作为基础存储技术之一，在过去二十余年中有效地保障了用户数据的可靠性，然而，随着磁盘容量的增加，传统RAID重建过程的时间变长，导致此过程中系统性能和可靠性的降低。
对于RAID存储系统而言，当RAID中出现失效的成员磁盘时，系统会利用正常成员磁盘中的数据以直接拷贝(RAID1)或间接重构(RAID2、RAID3、RAID4、RAID5)等方式恢复出失效磁盘中的数据，从而保证RAID的正常运行，然而，在系统进行数据重建期间，整个RAID处于无保护的状态，此时，如果RAID中出现其他成员磁盘失效或者出现不可恢复的读错误，那么整个RAID中的数据将全部丢失，由此可见，RAID存储系统的可靠性与数据重建时间成反比；数据重建时间越短，RAID存储系统的可靠性越高；反之，数据重建时间越长，RAID存储系统的可靠性越低，RAID存储系统的数据重建时间取决于成员磁盘的容量：容量越大，数据重建时间越长。
影响RAID数据重建时间的因素有三个：一是校验码的计算速度；二是需要恢复的数据量；三是恢复操作的并发度。校验码的计算速度越快、需要恢复的数据量越小、数据恢复操作的并发度越高，数据重建的时间就越短，三个因素中，“减少需要恢复的数据量”的优化空间最大，对于传统RAID而言，当出现失效磁盘时，RAID需要恢复失效磁盘中的所有数据，即使其中某些数据对上层应用而言完全没有意义，如果RAID在重建过程中，能够忽略这些没有意义的数据，而仅仅恢复那些对上层应用真正有意义的数据，那么RAID的数据重建时间将大幅度降低。
发明内容
为解决以上技术问题，本发明提出有效数据bitmap概念并应用于RAID系统，以减少RAID重建过程中恢复的数据量，实现加速磁盘阵列重建的目的。
具体来说本发明公开了一种加速磁盘阵列重建的方法，其中包括：
步骤1、在缓存中建立磁盘阵列的有效数据位图，该有效数据位图用于记录该磁盘阵列逻辑地址空间中存有数据的数据块的有效位图信息；
步骤2、接收写请求，得到该写请求中待写入数据所属的条带，并根据该条带所在数据块的位图信息更新该有效数据位图；
步骤3、根据该磁盘阵列当前的数据冗余方式，将该待写入数据下发至该磁盘阵列的底层磁盘；
步骤4、当该磁盘阵列中出现失效的成员磁盘时，通过该有效数据位图读取该失效的成员磁盘中存有数据的数据块的待恢复位图信息，并得到该待恢复位图信息对应的待恢复条带，根据该数据冗余方式恢复重建该待恢复条带。
所述的加速磁盘阵列重建的方法，其中步骤3中该数据冗余方式为纠删码冗余，该步骤3包括：得到该待写入数据的校验信息，将该待写入数据和该校验信息下发至该磁盘阵列的底层磁盘。
所述的加速磁盘阵列重建的方法，其中该步骤4包括：利用正常成员磁盘中的数据以直接拷贝或间接重构的方式恢复重建该失效的成员磁盘中的数据。
所述的加速磁盘阵列重建的方法，其中还包括步骤5、将超出预设时间不用的该有效数据位图刷回该磁盘阵列，并释放缓存中其所占的内存资源。
本发明还公开了一种加速磁盘阵列重建的系统，其中包括：
模块1、在缓存中建立磁盘阵列的有效数据位图，该有效数据位图用于记录该磁盘阵列逻辑地址空间中存有数据的数据块的有效位图信息；
模块2、接收写请求，得到该写请求中待写入数据所属的条带，并根据该条带所在数据块的位图信息更新该有效数据位图；
模块3、根据该磁盘阵列当前的数据冗余方式，将该待写入数据下发至该磁盘阵列的底层磁盘；
模块4、当该磁盘阵列中出现失效的成员磁盘时，通过该有效数据位图读取该失效的成员磁盘中存有数据的数据块的待恢复位图信息，并得到该待恢复位图信息对应的待恢复条带，根据该数据冗余方式恢复重建该待恢复条带。
所述的加速磁盘阵列重建的系统，其中模块3中该数据冗余方式为纠删码冗余，该模块3包括：得到该待写入数据的校验信息，将该待写入数据和该校验信息下发至该磁盘阵列的底层磁盘。
所述的加速磁盘阵列重建的系统，其中该模块4包括：利用正常成员磁盘中的数据以直接拷贝或间接重构的方式恢复重建该失效的成员磁盘中的数据。
所述的加速磁盘阵列重建的系统，其中还包括模块5、将超出预设时间不用的该有效数据位图刷回该磁盘阵列，并释放缓存中其所占的内存资源。
由以上方案可知，本发明的优点在于：
本发明能减少RAID系统重建过程需恢复的数据量，从而降低RAID重建过程耗时，进一步提升了系统的可靠性。
附图说明
图1为有效数据bitmap与逻辑地址映射关系图；
图2为写请求流程图；
图3为有效数据bitmap与条带恢复的关系图；
图4为读取bitmap流程图；
图5为系统重建流程图。
具体实施方式
下面给出本发明的具体实施方式，结合附图对本发明做出了详细描述，本发明包括数据写入流程和重建流程两个部分。
(一)数据写入流程
有效数据指由用户存储到RAID中，且尚未被删除的数据，有效数据bitmap就是记录RAID的逻辑地址空间中存储着用户数据的数据块的位图信息，图1描述了有效数据bitmap与逻辑地址的对应关系，有效数据bitmap记录MD设备的逻辑地址空间中存储着用户数据的数据块，当RAID需要恢复失效磁盘中的数据时，可忽略不包含有效数据的数据块，从而节省RAID重建时间。
发生写操作时，需要在写请求下发至磁盘前设置该位置的有效数据bitmap为1，再进行实际的写入操作；当发生数据的删除操作时，设置对应位置的有效数据bitmap为0后再删除数据。
如图2所示，为添加有效数据bitmap机制的RAID系统数据写入流程，数据写入流程可以分为四个阶段，分别为：判断及转发阶段、记录位图阶段、提交阶段及返回阶段。
判断及转发阶段：
(1)上层应用将携带数据的写请求下发到磁盘阵列(raid)模块，如图2中步骤1所示；raid模块会计算写请求中携带的数据所属的条带，并将数据加入到所属条带中；
记录位图阶段：
(3)raid模块判定该当前操作为写操作且需要记录有效数据bitmap，将记录有效数据bitmap的任务交由bitmap守护进程，记录完成后返回至raid模块继续后续操作，如图2中步骤2、3所示；
提交请求阶段：
(4)raid模块将记录完bitmap的条带提交给raid守护进程，如步骤4所示；
(5)若当前的数据冗余的方式为纠删码冗余，则执行图2中步骤5、6，计算校验后再将数据和校验信息通过图2中步骤7下发至底层磁盘或将数据写入其所属的条带；若不为纠删码冗余方式，直接执行图2中步骤7下发写请求；
返回请求阶段
(6)写磁盘操作完成后，写请求返回raid守护进程，如步骤8所示；
(7)raid守护进程将条带释放并结束写请求，如步骤9、10所示。
(二)重建流程
在磁盘阵列系统重建时，需根据有效数据bitmap来判断哪些条带数据需要进行恢复操作，判断规则如图示3所示，即，一个条带若存在有效数据bitmap位为1的情况，则需在重建过程中恢复该条带数据。
有效数据bitmap中一位数据对应的大小被设置为4KB，且记录的范围是RAID系统的整个逻辑地址空间。这样一来，有效数据bitmap所占的空间较大，对于逻辑地址空间为12TB的RAID系统，有效数据bitmap所占用的空间大小约为1.5GB，如果磁盘阵列在整个生命周期内将完整的有效数据bitmap副本保存在内存中，则将消耗过多的内存资源，故本发明采用按需读取bitmap的方式，将长时间不用的bitmap刷回磁盘，并释放其所占的内存资源，有效降低有效数据bitmap对系统内存资源的占用；当需要使用不在内存中的bitmap数据时，再由bitmap守护进程将其读入内存，系统读取bitmap数据的流程如图4。
重建流程可划分为三个阶段，分别为：启动重建阶段、读取位图阶段和条带恢复阶段。
启动重建阶段
(1)raid守护进程启动，调用条带同步模块，启动重建流程，如图5中步骤1所示；
读取位图阶段
(2)条带同步模块通过bitmap守护进程读取所有逻辑位置的有效数据bitmap位图，如图5中步骤2、3所示；
(3)条带同步模块根据读取的有效数据bitmap位图，提交所有需要进行数据恢复的条带至raid守护进程，如步骤4所示；
条带恢复阶段
(4)若raid守护进程判断数据冗余的方式为纠删码冗余，则执行步骤5、6的校验计算后再将数据和校验信息通过步骤7下发至底层磁盘；若不为纠删码冗余方式，直接执行步骤7下发写请求；
写磁盘操作完成后，写请求返回raid守护进程，该条带的数据恢复完毕，如步骤8所示。
以下为与上述方法实施例对应的系统实施例，本实施系统可与上述实施方式互相配合实施。上述施方式中提到的相关技术细节在本实施系统中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施系统中提到的相关技术细节也可应用在上述实施方式中。
本发明还公开了一种加速磁盘阵列重建的系统，其中包括：
模块1、在缓存中建立磁盘阵列的有效数据位图，该有效数据位图用于记录该磁盘阵列逻辑地址空间中存有数据的数据块的有效位图信息；
模块2、接收写请求，得到该写请求中待写入数据所属的条带，并根据该条带所在数据块的位图信息更新该有效数据位图；
模块3、根据该磁盘阵列当前的数据冗余方式，将该待写入数据下发至该磁盘阵列的底层磁盘；
模块4、当该磁盘阵列中出现失效的成员磁盘时，通过该有效数据位图读取该失效的成员磁盘中存有数据的数据块的待恢复位图信息，并得到该待恢复位图信息对应的待恢复条带，根据该数据冗余方式恢复重建该待恢复条带。
所述的加速磁盘阵列重建的系统，其中模块3中该数据冗余方式为纠删码冗余，该模块3包括：得到该待写入数据的校验信息，将该待写入数据和该校验信息下发至该磁盘阵列的底层磁盘。
所述的加速磁盘阵列重建的系统，其中该模块4包括：利用正常成员磁盘中的数据以直接拷贝或间接重构的方式恢复重建该失效的成员磁盘中的数据。
所述的加速磁盘阵列重建的系统，其中还包括模块5、将超出预设时间不用的该有效数据位图刷回该磁盘阵列，并释放缓存中其所占的内存资源。
虽然本发明以上述实施例公开，但具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，任何本技术领域技术人员，在不脱离本发明的构思和范围内，可作一些的变更和完善，故本发明的权利保护范围以权利要求书为准。

Claims (8)

1.一种加速磁盘阵列重建的方法，其特征在于，包括：
步骤1、在缓存中建立磁盘阵列的有效数据位图，该有效数据位图用于记录该磁盘阵列逻辑地址空间中存有数据的数据块的有效位图信息；
步骤2、接收写请求，得到该写请求中待写入数据所属的条带，并根据该条带所在数据块的位图信息更新该有效数据位图；
步骤3、根据该磁盘阵列当前的数据冗余方式，将该待写入数据下发至该磁盘阵列的底层磁盘；
步骤4、当该磁盘阵列中出现失效的成员磁盘时，通过该有效数据位图读取该失效的成员磁盘中存有数据的数据块的待恢复位图信息，并得到该待恢复位图信息对应的待恢复条带，根据该数据冗余方式恢复重建该待恢复条带。
2.如权利要求1所述的加速磁盘阵列重建的方法，其特征在于，步骤3中该数据冗余方式为纠删码冗余，该步骤3包括：得到该待写入数据的校验信息，将该待写入数据和该校验信息下发至该磁盘阵列的底层磁盘。
3.如权利要求1所述的加速磁盘阵列重建的方法，其特征在于，该步骤4包括：利用正常成员磁盘中的数据以直接拷贝或间接重构的方式恢复重建该失效的成员磁盘中的数据。
4.如权利要求1所述的加速磁盘阵列重建的方法，其特征在于，还包括步骤5、将超出预设时间不用的该有效数据位图刷回该磁盘阵列，并释放缓存中其所占的内存资源。
5.一种加速磁盘阵列重建的系统，其特征在于，包括：
模块1、在缓存中建立磁盘阵列的有效数据位图，该有效数据位图用于记录该磁盘阵列逻辑地址空间中存有数据的数据块的有效位图信息；
模块2、接收写请求，得到该写请求中待写入数据所属的条带，并根据该条带所在数据块的位图信息更新该有效数据位图；
模块3、根据该磁盘阵列当前的数据冗余方式，将该待写入数据下发至该磁盘阵列的底层磁盘；
模块4、当该磁盘阵列中出现失效的成员磁盘时，通过该有效数据位图读取该失效的成员磁盘中存有数据的数据块的待恢复位图信息，并得到该待恢复位图信息对应的待恢复条带，根据该数据冗余方式恢复重建该待恢复条带。
6.如权利要求5所述的加速磁盘阵列重建的系统，其特征在于，模块3中该数据冗余方式为纠删码冗余，该模块3包括：得到该待写入数据的校验信息，将该待写入数据和该校验信息下发至该磁盘阵列的底层磁盘。
7.如权利要求5所述的加速磁盘阵列重建的系统，其特征在于，该模块4包括：利用正常成员磁盘中的数据以直接拷贝或间接重构的方式恢复重建该失效的成员磁盘中的数据。
8.如权利要求5所述的加速磁盘阵列重建的系统，其特征在于，还包括模块5、将超出预设时间不用的该有效数据位图刷回该磁盘阵列，并释放缓存中其所占的内存资源。
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