CN111679793B - 一种基于star码的单盘故障快速恢复方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于STAR码的单盘故障快速恢复方法，其对于任意素数m，磁盘x发生故障，当x为冗余数据盘时，本方法的恢复方法等同于传统恢复方法。当x为原始数据盘时，为了达到数据读取量的下界，本方法选择行校验集合恢复故障盘x的前(m－1)/2块数据，剩余的(m－1)/2块选择对角线校验集合恢复，同时根据不同的丢失，需要选择不同的对角线校验集合。本方法解决了现有方法对STAR码的单盘故障进行恢复需要大量读取数据造成运算量大的问题。

Description

一种基于STAR码的单盘故障快速恢复方法

技术领域

本发明涉及计算机存储领域，具体涉及一种基于STAR码的单盘故障快速恢复方法。

背景技术

随着近年来计算机存储系统的规模不断扩大，系统中发生磁盘故障的概率也在增大，导致数据的可靠性无法得到很好的保证。存储系统中，一旦发生磁盘故障，为了保证数据不被丢失，需要对故障盘中的数据进行恢复。故障盘的恢复可视为故障盘中数据的重构过程，它需要从系统中其他磁盘读取一定量的数据，重构出故障盘中的数据。如何尽可能快地恢复故障盘中的数据，减少恢复时间可以提高整个系统可靠性，故障恢复时间与从其它磁盘读取的数据量之间存在正比关系。因此恢复过程中读取的数据量是影响恢复时间的重要因素，如果可以减少恢复过程中数据的读取量，则可以加快恢复速度，提高整个系统的可靠性。

目前大多数存储系统采用在线的故障恢复模式，也即在故障恢复的过程中，系统仍然需要处理用户的读、写等服务请求。恢复过程中的大量磁盘数据读取操作会直接影响对用户的服务质量，此时减少恢复时读取的数据量，同样可以缓解整个系统的负载，降低恢复对服务质量的影响。目前针对磁盘故障快速恢复的研究主要有通过增加额外的存储空间来减少恢复时间，以及对恢复请求操作进行优化和调度等。

STAR码是阵列存储系统中最为常用的容三错编码策略之一，它通过在系统中添加三个磁盘的冗余信息来保证任意三个磁盘发生故障后，数据仍可恢复。然而，在实际系统中，单个磁盘发生故障的概率远大于两个及两个以上磁盘同时发生故障的概率，这表明尽快恢复单盘故障进而降低多个磁盘同时出于故障状态的几率是十分必要的。

STAR码是对EVENODD码的扩展，在基于素数m的有限域中，由m+3列组成，并且其中的前m列包含的是信息数据而最后的3列包含的是冗余数据。该编码的前两个奇偶列的编码规则和EVENODD的编码规则完全相同，也就是说，如果没有第三列，则STAR蜕化为EVENODD码。对EVENODD码的扩展在最后一个奇偶列，也就是第m+2列。最后一列的计算和第m+1列的计算非常的相似，只是对角线的斜率为+1而不是第m+1列使用的-1。

STAR码的传统单盘恢复算法为：1)如果发生故障的为数据盘，传统恢复算法利用行校验即第一列冗余数据来恢复故障盘中所有数据，也即读取行校验盘以及剩余数据盘中的所有数据进行恢复；2)如果发生故障的为校验盘，则恢复算法等同于编码算法，也即读取数据盘中的所有数据并按照编码规则重构出校验数据。

假设故障盘为数据盘，传统恢复算法需要读取行校验盘以及剩余数据盘中的所有数据进行恢复，共需要读取(m-1)×m块数据用于恢复故障盘的m-1块丢失数据。对于任意素数m，恢复故障盘中的m－1块数据，传统恢复算法需要从磁盘中读取的数据量为m×(m－1)。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于STAR码的单盘故障快速恢复方法解决了现有方法对STAR码的单盘故障进行恢复需要大量读取数据造成运算量大的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

提供一种基于STAR码的单盘故障快速恢复方法，其包括以下步骤：

S1、判断丢失记录的节点是否为校验盘，若是则进入步骤S2，否则进入步骤S3；

S2、读取数据盘中的所有数据并根据该磁盘的编码规则重构出校验数据，完成基于STAR码的单盘故障快速恢复并结束；

S3、判断丢失记录的节点是否为前(m+1)/2个磁盘，若是则选取m+2校验盘作为其恢复基础，否则选取m+1校验盘作为其恢复基础；其中m为素数；

S4、对于丢失记录的节点中前(m-1)/2个数据块，获取与该数据块位于同一列且除开该数据块以外的前m个数据，并对前m个数据进行异或运算，将异或结果作为该数据块的恢复值；

S5、对于丢失记录的节点中后(m-1)/2个数据块，获取作为该数据块恢复基础的校验盘中该数据块所参与构建的冗余数据块；

S6、获取除该数据块外参与构建步骤S5中得到的冗余数据块的其余数据；

S7、将步骤S6中得到的所有数据及对应的冗余数据块进行异或运算，将异或结果作为该数据块的恢复值；

S8、将得到的恢复值存储到新的磁盘中，并将该磁盘加入到丢失记录的节点所在的存储系统中，完成基于STAR码的单盘故障快速恢复。

本发明的有益效果为：当故障盘为原始数据盘时，采用本方法进行单盘故障恢复需要的数据读取量为(m×(m－1)/2+(m-1)/2+(m-1)/2-1)/((m-1)×(m+3))。因此本方法比传统恢复算法减少了数据读取量，尤其当m变大时，数据的读取量减少逐渐趋近于50％。

附图说明

图1为本发明的流程示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，该基于STAR码的单盘故障快速恢复方法包括以下步骤：

S1、判断丢失记录的节点是否为校验盘，若是则进入步骤S2，否则进入步骤S3；

S2、读取数据盘中的所有数据并根据该磁盘的编码规则重构出校验数据，完成基于STAR码的单盘故障快速恢复并结束；

S3、判断丢失记录的节点是否为前(m+1)/2个磁盘，若是则选取m+2校验盘作为其恢复基础，否则选取m+1校验盘作为其恢复基础；其中m为素数；

S4、对于丢失记录的节点中前(m-1)/2个数据块，获取与该数据块位于同一列且除开该数据块以外的前m个数据，并对前m个数据进行异或运算，将异或结果作为该数据块的恢复值；

S5、对于丢失记录的节点中后(m-1)/2个数据块，获取作为该数据块恢复基础的校验盘中该数据块所参与构建的冗余数据块；

S6、获取除该数据块外参与构建步骤S5中得到的冗余数据块的其余数据；

S7、将步骤S6中得到的所有数据及对应的冗余数据块进行异或运算，将异或结果作为该数据块的恢复值；

S8、将得到的恢复值存储到新的磁盘中，并将该磁盘加入到丢失记录的节点所在的存储系统中，完成基于STAR码的单盘故障快速恢复。

在本发明的一个实施例中，以素数m＝5时的STAR编码数据为例，表1为素数5时的STAR码编码后的数据样式。

表1：素数5时的STAR码编码后的数据样式

0

1

2

3

4

m

m+1

m+2

A1

B1

C1

D1

E1

A1^B1^…^E1

S1^A1^C4^D3^E2

S2^A1^B2^C3^D4

A2

B2

C2

D2

E2

A2^B2^…^E2

S1^A2^B1^D4^E3

S2^A2^B3^C4^E1

A3

B3

C3

D3

E3

A3^B4^…^E3

S1^A3^B2^C1^E4

S2^A3^B4^D1^E2

A4

B4

C4

D4

E4

A4^B4^…^E4

S1^A4^B3^C2^D1

S2^A4^C1^D2^E3

假设数据盘1丢失，则丢失数据块为(B1，B2，B3，B4)。由于1小于(5+1)/2，所以选取m+2校验盘作为其恢复基础。对于丢失记录的节点中前(m-1)/2个数据块，即前2个数据块，分别为B1和B2。对于数据块B1，获取与数据块B1位于同一列且除开数据块B1以外的前5个数据(分别为A1、C1、D1、E1和m盘第一个数据块)，并对前5个数据进行异或运算，将异或结果作为该数据块的恢复值，即B1＝A1⊕C1⊕D1⊕E1⊕(m盘第一个数据块)。同理，B2＝A2⊕C2⊕D2⊕E2⊕(m盘第二个数据块)。其中⊕表示异或运算。

对于后两个丢失数据块B3和B4，以B3为例，B3参与构建的m+2磁盘中的冗余数据块为第二个数据块，其余参与构建的数据包括S2、A2、C4和E1。其中A2、C4和E1可以直接读取，S2为m+2校验盘对应的调整子，即S2＝B1⊕C2⊕D3⊕E4(调整子的计算方式为本领域的公知常识，具体计算原理不再赘述)。因此数据块B3＝S2⊕A2⊕C3⊕E1⊕(m+2校验盘中的第二个数据块)。同理，数据块B4＝S2⊕A3⊕D1⊕E2⊕(m+2校验盘中的第三个数据块)。至此即恢复得到丢失数据块为B1，B2，B3和B4的数值，将得到的恢复值存储到新的磁盘中，并将该磁盘加入到丢失记录的节点所在的存储系统中，完成基于STAR码的单盘故障快速恢复。

在本发明的另一个实施例中，以素数m＝7时的STAR编码数据为例，表2为素数7时的STAR码编码后的数据样式。

表1：素数7时的STAR码编码后的数据样式

假设数据盘6数据丢失，即数据块G1～G6丢失。由于素数为7，则前3个数据块(G1、G2和G3)的恢复方式相同，且数据盘6不是前4个磁盘，因此选择m+1校验盘作为其恢复数据。以数据块G1为例，G1＝A1⊕B1⊕C1⊕D1⊕E1⊕F1⊕(m+1校验盘中的第一个数据块)。m+1校验盘对应的调整子S1＝B6⊕C5⊕D4⊕E3⊕F2⊕G1，恢复数据块G4所需要的数据块为A3、B2、C1、E6、F5和m+1校验盘中的第三个数据块，即G4＝S1⊕A3⊕B2⊕C1⊕E6⊕F5⊕(m+1校验盘中的第三个数据块)。同理，数据块G5＝S1⊕A4⊕B3⊕C2⊕D1⊕F6⊕(m+1校验盘中的第四个数据块)，数据块G6＝S1⊕A5⊕B4⊕C3⊕D2⊕E1⊕(m+1校验盘中的第五个数据块)。至此即恢复得到丢失数据块为G1～G6的数值，将得到的恢复值存储到新的磁盘中，并将该磁盘加入到丢失记录的节点所在的存储系统中，完成基于STAR码的单盘故障快速恢复。

在具体实施过程中，可以通过存放重复块的异或值来减少占用的额外内存，降低数据恢复过程中对内存的占用。

综上所述，当故障盘为原始数据盘时，采用本方法进行单盘故障恢复需要的数据读取量为(m×(m－1)/2+(m-1)/2+(m-1)/2-1)/((m-1)×(m+3))。因此本方法比传统恢复算法减少了数据读取量，尤其当m变大时，数据的读取量减少逐渐趋近于50％。

Claims (1)

1.一种基于STAR码的单盘故障快速恢复方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、判断丢失记录的节点是否为校验盘，若是则进入步骤S2，否则进入步骤S3；

S2、读取数据盘中的所有数据并根据该磁盘的编码规则重构出校验数据，完成基于STAR码的单盘故障快速恢复并结束；

S3、判断丢失记录的节点是否为前(m+1)/2个磁盘，若是则选取m+2校验盘作为其恢复基础，否则选取m+1校验盘作为其恢复基础；其中m为素数；

S4、对于丢失记录的节点中前(m-1)/2个数据块，获取与该数据块位于同一列且除开该数据块以外的前m个数据，并对前m个数据进行异或运算，将异或结果作为该数据块的恢复值；

S5、对于丢失记录的节点中后(m-1)/2个数据块，获取作为该数据块恢复基础的校验盘中该数据块所参与构建的冗余数据块；

S6、获取除该数据块外参与构建步骤S5中得到的冗余数据块的其余数据；

S7、将步骤S6中得到的所有数据及对应的冗余数据块进行异或运算，将异或结果作为该数据块的恢复值；

S8、将得到的恢复值存储到新的磁盘中，并将该磁盘加入到丢失记录的节点所在的存储系统中，完成基于STAR码的单盘故障快速恢复。

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