CN111212141A - 一种共享存储系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种共享存储系统，包括通过网络为主机提供数据存储和访问操作的多个存储节点，其中，所述每个存储节点包括：网络接口，用于将存储节点接入网络；缓存模块，用于缓存主机针对所述存储节点写入或读取的数据；存储模块，用于存储数据；控制模块，与所述网络接口、缓存模块和存储模块连接，用于接收、缓存并解析来自主机的数据访问命令，以及根据访问命令类型对存储模块进行读写访问并将访问的结果返回给相应的主机。通过本发明，实现了网络和存储融合共享，每个存储节点的高速网络接口可以并发的为客户端主机提供数据存储和访问操作。网络和存储装置的数据交互通过专用的控制模块实现，从而更好地降低数据在传输路径上的延迟。

Description

一种共享存储系统
技术领域
本发明涉及网络和存储技术领域，具体来说，涉及一种共享存储系统,将网络和存储融合构成资源池,以有效降低客户端主机的数据访问延迟和提高资源池存储带宽及容量。
背景技术
随着互联网技术的快速发展，数据中心对存储系统的容量、延迟和带宽要求越来越高，尤其是最近几年兴起的大数据、机器学习、图计算等应用，这些应用都需要大量的数据支撑来进行相关算法模型的训练，进而才可将算法调到最优，而这些数据大多都需要通过高速网络从远程存储系统的数据中心获取。因而，网络传输的带宽以及远程存储系统的存储容量和读写性能(带宽和延迟)成为提升整体应用性能的瓶颈。
传统的数据中心大多将磁盘以磁盘阵列的方式部署到服务器中构成存储服务器，存储服务器之间通过网络互联，进而实现数据的存储和共享。由于存储服务器体积的限制，这种存储方式在容量上不易扩展；另外，数据的访问需要经过处理器的参与，降低存储带宽的同时增加了访问延迟。对于大数据量和高速实时处理的新型应用，这种存储方式已逐渐满足不了客户端对存储容量、时延及带宽的应用需求。
在存储中，随着半导体技术的不断创新，新型存储介质的大容量、低延迟和高带宽给数据存储系统带来了许多新的机遇。在过去的几年里，闪存作为新型存储的代表性技术取得了快速发展。随着闪存价格的降低，以闪存为存储介质的存储设备正被逐渐部署到数据中心。针对这种非易失性存储器(NVM)的优越性能出现了相应的高带宽低延迟标准协议，如NVMe协议。目前，该协议主要借助PCIe总线实现与本地主机的互联，因而，基于NVMe协议的存储设备在容量和带宽扩展上有限。
在网络中，传统的TCP/IP协议无法满足数据中心对高带宽低延迟的需求，而新型协议RDMA(远程直接数据存储)是一种直接进行远程内存存取的技术，通过减少中央处理器对数据传输过程的参与实现数据传输的高带宽和低延迟，因而，正被部署到数据中心的网络架构中。由于RDMA协议和存储设备都各司其职，存储服务器的参与并不能最大化的利用网络和新型存储介质带来的高带宽和低延迟性能。相反，这种方式将会增加网络到存储设备的访问延迟并降低带宽的利用率。
传统的网络存储设备中，网络和存储是分开的，二者的数据交互通过CPU来完成。网络通过专用的支持标准协议的网卡实现，如以太网卡。存储则采用标准物理形态的介质实现，如磁盘或者固态硬盘。在网络存储设备中，CPU除了要管理网卡到存储介质的数据交互，还需要对数据进行备份以及存储维护管理等，因而，需要占用较多的资源。此外，CPU串行的控制方式进一步加大了客户端对数据的访问延迟，同时，也降低了网络带宽的利用率。
发明内容
为了解决上述缺点，本发明提供一种将网络和存储设备融合构成的共享存储系统。
本发明提供一种共享存储系统，包括通过网络为主机提供数据存储和访问操作的多个存储节点，其中，所述每个存储节点包括：网络接口，用于将存储节点接入网络；缓存模块，用于缓存主机针对所述存储节点写入或读取的数据；存储模块，用于存储数据；控制模块，与所述网络接口、缓存模块和存储模块连接，用于接收、缓存并解析来自主机的数据访问命令，以及根据访问命令类型对存储模块进行读写访问并将访问的结果返回给相应的主机。其中，在本发明的一些实施例中，所述多个存储节点或者所述多个存储节点的一部分通过网络组成远端存储共享资源池为一个或多个主机提供数据存储和访问操作。所述多个存储节点中的部分存储节点设置于主机内部，所述设置于主机内部的存储节点组成近端存储共享资源池为一个或多个主机提供数据存储和访问操作。
优选的，所述高速网络接口配置为耦合光纤或电缆；所述缓存模块配置为双倍速率缓存或高带宽存储器；所述存储模块配置为非易失性存储介质；所述控制模块配置为FPGA或ASIC。
所述控制模块包括：网络协议模块，用于初始化网络协议；命令及数据缓存模块，用于缓存接收到的来自于主机的数据访问命令以及将通过存储控制器从存储模块读取的数据传输给缓存模块或将要写入存储模块的写数据包传输给存储控制器；命令解析模块，用于对主机的数据访问命令进行解析；存储控制器，用于根据命令解析模块解析读操作的地址从存储模块中读取相应的访问数据或根据命令解析模块解析的写操作的地址将写数据包存入存储模块中的对应地址，并回传数据写入状态信息；装置控制器，用于对网络协议模块、命令及数据缓存模块、命令解析模块、数据通路、存储控制器进行初始化配置。
优选的，所述命令及数据缓存模块包括队列存储空间，所示命令及数据缓存模块将接收到的来自于主机的多个数据访问命令缓存到队列存储空间以形成访问队列。所述命令解析模块被配置为按照访问队列的读或写操作顺序依次进行命令解析。
优选的，所述共享存储系统通过支持远程直接数据存取协议的网络，为多个主机并行的提供数据访问通路。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明充分释放网络和存储设备的并行化、增强存储设备容量的扩展性以及降低存储设备的应用部署难度；本发明具有高扩展性，通过多个存储节点实现容量的扩展和带宽的提升，通过将网络和存储融合到一起，进而可以更好的为客户端提供一种共享的网络存储资源池，使所有的存储节点并发的为主机提供数据存储和访问操作。
附图说明
以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：
图1为根据本发明实施例的基于远端存储节点的共享存储系统的架构示意图；
图2为根据本发明实施例的基于近端存储节点的共享存储系统的架构示意图；
图3为根据本发明实施例的存储节点组成结构示意图；
图4为根据本发明实施例的存储节点的控制模块组成结构示意图；
图5为根据本发明实施例的一种基于FPGA或ASIC的远端存储节点的共享存储系统示意图；
图6为根据本发明实施例的一种共享存储系统中存储节点的初始化和数据访问操作的流程示意图。
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，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
根据本发明的一个实施例，如图1所示，提供一种共享存储系统，其包括网络、主机以及多个独立于主机的远端存储节点；通过高带宽低延迟网络将所有独立于客户端主机的远端共存储节点进行连接，这些独立的存储节点和网络构成一个共享的存储资源池，可并发的为多个主机提供数据存储和访问操作。其中，网络连接客户端主机和共享存储系统，接收来自客户端主机的数据访问指令，根据指令的地址路由到相应的共享存储装置，以及将存储装置中读出的数据及数据写入状态通过网络转发到相应的客户端主机。根据本发明的一个实施例，该网络可以是Ethernet和Infiniband，也可以是其他通信网络；每一个客户端主机只需要连接网络就可以对整个存储资源池进行数据访问。远端存储节点的节点数量不做限定，可以根据应用需求来定。当存储节点数目较多时，本发明提供的共享存储系统可以包含多个相关网络协议的交换机，通过交换机实现多个存储节点互联。
根据本发明的一个实施例，如图2所示提供一种共享存储系统，其包括网络、主机、多个设置于主机内部的近端存储节点；通过高带宽低延迟网络将所有位于客户端主机中的共享存储节点连接使所有近端存储节点与网络组成近端共享存储资源池，可并发的为多个主机提供数据存储和访问操作。相比于图1所示的远端存储节点构成的共享存储系统，该系统中的每个客户端主机都具有本地共享存储装置，因而，每个客户端主机既支持本地端存储装置的数据访问操作，通过网络互联，也支持对远端客户主机中存储装置的数据访问操作。根据本发明的一个实施例，客户端主机中存储装置的类型可以是遵循SATA或者SCSI协议的机械硬盘(HDD)，也可以是支持NVMe PCIe的固态硬盘(SSD)或者支持其它协议的新型存储器。同远端共享存储节点的结构相比，近端共享存储最大的特点就是将存储节点分布到各个客户端主机中，这种存储结构的优点是提高了端客户主机对本地端存储装置的数据访问带宽，降低了数据读写延迟。缺点是本地存储节点的存储带宽和容量扩展有限，主要由于各个客户端主机对外提供的高速接口在带宽和数量上有限。以PCIe总线为例，每个主机支持PCIe Endpoint的数量有限，且实现如此多的Endpoints需要通过多个PCIe Switchs进行互联扩展，因而，增加了设计的复杂度和开发成本。因此，优选的，根据本发明的一个实施例，提供一种包括通过网络为主机提供数据存储和访问操作的多个存储节点，其中所述多个存储节点或者所述多个存储节点的一部分通过网络组成远端存储共享资源池为一个或多个主机提供数据存储和访问操作；所述多个存储节点中的部分存储节点设置于主机内部，所述设置于主机内部的存储节点组成近端存储共享资源池为一个或多个主机提供数据存储和访问操作。其中，远端存储节点用来存放共享数据，近端存储节点主要存放本地客户端主机的数据。这样既可以满足客户端主机对本地存储访问的快速响应，同时也可以实现多个客户端主机的数据共享。
根据本发明的一个实施例，如图3所示，提供一种存储节点，其包括网络接口、控制模块、缓存模块和存储模块。其中，网络接口用来将存储节点接入网络，为相应高带宽低延迟网络通信提供物理传输媒介。根据本发明的一个实施例，网络接口可以光纤或者电缆等耦合。控制模块分别与网络接口、存储模块和缓存模块连接，用来初始化存储节点上的高速网络接口、存储模块和缓存模块等外设，接收、缓存并解析来自客户端主机的数据访问指令，根据指令类型对存储模块进行读写访问并将访问的结果返回给相应的客户端主机，根据本发明的一个实施例，控制模块可以通过现场可编程门阵列(Field Programmable GateArray，FPGA)或特定用途的集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)等硬件来实现，FPGA和ASIC因其具有较快的处理速度，特别适合于作为控制模块。缓存模块主要用来缓存客户端主机对远端共享存储装置写入或者读取的数据，从而提高数据的存储带宽并降低存储延迟，根据本发明的一个实施例，缓存模块可以是现有的双倍数据率(Double Data Rate，DDR)SDRAM，也可以是新型高速缓存介质，如高带宽存储器(HighBandwidth Memory，HBM)等。存储模块主要完成客户端主机数据的存储，通过控制模块完成数据的读写。根据本发明的一个实施例，所示存储模块采用的非易失性存储介质，可以是Nand Flash存储介质也可以是新型的非易失性存储介质，如相变存储(Phase ChangeMemory，PCM)等。其中，区别于存储服务器中的CPU，存储节点主要通过专用的控制模块进行网络和存储介质的数据交互，避免CPU运行操作系统带来额外的资源开销以及CPU对网卡数据的IO读写延迟。此外，控制模块和存储模块的互连可以遵循标准的存储互联协议，也可以采用自定义存储互联。根据本发明的一个实施例，优选采用自定义存储互联，这是因为新型存储介质的访问带宽远高于标准协议支持的访问带宽，为了进一步释放存储的访问带宽，控制模块和存储模块之间可以根据存储介质的类型进行自定义互联，从而进一步提高共享存节点的数据访问带宽，并降低访问延迟。
图4示出了根据本发明的另一个实施例的存储节点，与图3类似，包括网络接口、控制模块、缓存模块和存储模块。图4进一步示出了控制模块的结构，其包括：网络协议模块，用于初始化网络协议；命令及数据缓存模块，用于缓存接收到的来自于主机的数据访问命令以及将通过存储控制器从存储模块读取的数据传输给缓存模块或将要写入存储模块的写数据包传输给存储控制器；命令解析模块，用于对主机的数据访问命令进行解析，面对多个数据访问命令时，其被配置为按照访问队列的读或写操作顺序依次进行命令解析；数据通路，用于将通过存储控制器从存储模块读取的数据传输给命令及数据缓存模块或将要写入存储模块的写数据包传输给存储控制器；存储控制器，用于根据命令解析模块解析读操作的地址从存储模块中读取相应的访问数据或根据命令解析模块解析的写操作的地址将写数据包存入存储模块中的对应地址，并回传数据写入状态信息；装置控制器，用于对网络协议模块、命令及数据缓存模块、命令解析模块、数据通路、存储控制器进行初始化配置。所述命令及数据缓存模块包括队列存储空间，所示命令及数据缓存模块将接收到的来自于主机的多个数据访问命令缓存到队列存储空间以形成访问队列。
根据本发明的一个示例，如图5所示，包括：客户端主机、基于RDMA协议的网络和基于FPGA或者ASIC的存储节点。其中，客户端主机对存储系统发起数据访问操作。网络部分采用高带宽低延迟的RDMA协议实现，通过RDMA交换机实现客户端主机和共享存储装置网络连接。网络接口采用光模块接入RDMA网络；缓存模块采用高速缓存，例如可采用常用的DDR4内存条，具体容量和带宽需要根据光模块的带宽来定，原则上高速缓存的存储带宽要大于光模块和存储模块的存储带宽；控制模块通过引入FPGA或ASIC来完成存储节点的初始化和客户端主机对存储模块的数据访问操作，使用这一硬件的目的主要是为了避免因使用CPU访问存储模块引入软件处理时间，其中，客户端主机的访问队列空间可以是在FPGA或者ASIC内部集成一定的存储空间(例如，SRAM)，也可以通过外扩高速存储器来完成(例如，QDR)，存储模块可采用新型的存储介质Flash颗粒。
不论远端共享存储系统还是近端共享存储系统，数据的存储都是通过系统内部的存储节点来完成。存储节点初始化、数据的缓存和客户端主机对其数据的访问操作都由控制模块来处理。由于存储节点的初始化和数据访问操作是两个相互独立的过程，下面基于图5的存储节点参照附图6分别对这两个过程进行说明。
初始化主要是为客户端主机访问共享存储系统作准备，主要分为以下两个方面：首先，存储节点的控制模块需要对网络接口及网络协议、缓存模块和存储模块进行初始化；其次，控制模块根据访问队列的配置信息分配用于存储所述访问队列的存储空间，并对访问队列进行初始化。
如图5所示，当不同客户端主机或者同一客户端通过RDMA网络对共享存储装置发起多个读操作时，控制模块(FPGA/ASIC)将收到的所有读操作指令存放到访问队列的存储空间，之后根据指令顺序依次进行处理，最终通过网络返回读取数据。当不同客户端主机或者同一客户端通过网络对共享存储装置发起多个写操作时，控制模块将收到的所有写操作指令和数据分别存放到访问队列的存储空间和高速缓存中，之后，根据指令顺序依次进行处理，最终完成所有数据的存储并返回状态信息。
控制模块是整个存储节点的核心，在共享存储系统上电之后，如图6所示，控制模块内部的装置控制器对网络协议模块、命令及数据缓存、命令解析、数据通路和存储控制器等模块进行初始化，包括一些相关寄存器的初始化配置等。初始化完成以后，当共享存储系统通过RDMA网络接收到多个来自客户端主机的读/写访问操作时，控制模块将访问命令缓存到队列存储空间，根据队列空间中的存储顺序依次进行命令解析；当解析到的访问命令为读操作时，存储控制器根据解析的地址从Flash模块中读取相应的访问数据；最终，访问数据经过DDR缓存，通过RDMA网络协议模块封包发送到对应的客户端主机。当解析到的访问命令为写操作时，存储控制器根据解析的地址将DDR缓存的数据写入到对应的Flash模块中，并将写完成的状态信息通过网络发送到相应的客户端主机。
传统的存储服务器主要通过CPU完成存储系统的初始化和数据访问操作，势必会引入软件处理时间，增加客户端主机对存储系统的访问延迟，降低数据的吞吐率。本发明通过引入控制模块(FPGA或者ASIC)这一硬件来处理所有客户端主机的数据访问指令，进而降低访问延迟，提高访问带宽。
需要说明的是，虽然上文按照特定顺序描述了各个步骤，但是并不意味着必须按照上述特定顺序来执行各个步骤，实际上，这些步骤中的一些可以并发执行，甚至改变顺序，只要能够实现所需要的功能即可。
本发明可以是系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于使处理器实现本发明的各个方面的计算机可读程序指令。
计算机可读存储介质可以是保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以包括但不限于电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：便携式移动硬盘、固态硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式压缩盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (9)

1.一种共享存储系统，其特征在于，包括通过网络为主机提供数据存储和访问操作的多个存储节点，其中，所述每个存储节点包括：
网络接口，用于将存储节点接入网络；
缓存模块，用于缓存主机针对所述存储节点写入或读取的数据；
存储模块，用于存储数据；
控制模块，与所述网络接口、缓存模块和存储模块连接，用于接收、缓存并解析来自主机的数据访问命令，以及根据访问命令类型对存储模块进行读写访问并将访问的结果返回给相应的主机。
2.根据权利要求1所述的一种共享存储系统，其特征在于，所述多个存储节点或者所述多个存储节点的一部分通过网络组成远端存储共享资源池为一个或多个主机提供数据存储和访问操作。
3.根据权利要求2所述的一种共享存储系统，其特征在于，所述多个存储节点中的部分存储节点设置于主机内部，所述设置于主机内部的存储节点组成近端存储共享资源池为一个或多个主机提供数据存储和访问操作。
4.根据权利要求1至3任一所述的一种共享存储系统，其特征在于，
所述高速网络接口配置为耦合光纤或电缆；
所述缓存模块配置为双倍速率缓存或高带宽存储器；
所述存储模块配置为非易失性存储介质
所述控制模块配置为FPGA或ASIC。
5.根据权利要求1至3任一所述的一种共享存储系统，其特征在于，所述控制模块包括：
网络协议模块，用于初始化网络协议；
命令及数据缓存模块，用于缓存接收到的来自于主机的数据访问命令以及将通过存储控制器从存储模块读取的数据传输给缓存模块或将要写入存储模块的写数据包传输给存储控制器；
命令解析模块，用于对主机的数据访问命令进行解析；
存储控制器，用于根据命令解析模块解析读操作的地址从存储模块中读取相应的访问数据或根据命令解析模块解析的写操作的地址将写数据包存入存储模块中的对应地址，并回传数据写入状态信息；
装置控制器，用于对网络协议模块、命令及数据缓存模块、命令解析模块、数据通路、存储控制器进行初始化配置。
6.根据权利要求5所述的一种共享存储系统，其特征在于，
所述命令及数据缓存模块包括队列存储空间，所示命令及数据缓存模块将接收到的来自于主机的多个数据访问命令缓存到队列存储空间以形成访问队列。
7.根据权利要求6所述的一种共享存储系统，其特征在于，
所述命令解析模块被配置为按照访问队列的读或写操作顺序依次进行命令解析。
8.根据权利要求1所述的一种共享存储系统，其特征在于，
所述共享存储系统通过支持远程直接数据存取协议的网络，为多个主机并行的提供数据访问通路。
9.一种系统，包括：
一个或者多个主机；
如权利要求1至8任一所述的共享存储系统，其中所述一个或者多个主机通过网络与所述共享存储系统相连。
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