CN1228726C - 基于多通道存储设备的海量存储系统及其系统控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多通道存储设备的海量存储系统，包括服务器和若干多通道存储设备；多通道存储设备包括主机通道接口装置、存储设备接口装置、网络接口装置和阵列运行控制装置，通过PCI总线相连，形成含主机通道、存储设备通道和网络通道的多通道存储设备；服务器红经其外设适配器接入主机通道；多通道存储设备经各自网络接口连入网络。该系统采用了命令与数据分流的控制方法。本发明具有：①扩展性好；②服务器负载轻，存储设备免受单一外设通道制约，存储设备并行性高；③实现了文件系统集中管理与数据分布存取，管理效率高；④用户I/O数据直接在存储设备与用户间传输，I/O路径短，系统延迟低，提高了平均数传率。
Description
技术领域
本发明属于存储技术领域，具体涉及一利基于多通道存储设备的海量存储系统及其系统控制方法。
背景技术
近几年来，各种共享与交换的数据信息以难以置信的速度急剧增加，导致了用户对存储产品的容量和带宽的持续性地、爆炸性增长。例如，在许多前沿性的课题研究领域(如人类基因、气候分析等)中，要求的存储容量至少在1TB以上，而且容量需求还在不断增长。与此同时，随着网络的普及和多媒体应用推广等，对存储服务带宽的要求也在不断同步提高，在某些重要课题中甚至要求1TB/S的带宽。而现有存储系统，由于受到服务器与存储设备单连接模式的制约，尽管可以通过累加使用高密度、大容量存储设备的方式来满足容量上的要求，但它不能同时提高存储带宽。而且大量存储设备上的I/O数据都需经由服务器转发给客户，这种工作模式不仅容易导致外设通道拥塞，还会因为数据存取和传输过程中经历的多次存储转发，增加系统开销和传输延迟，导致平均数传率降低和服务等待时间加长。特别是当大量客户发出请求时，上述问题会更加突出，形成“服务器瓶颈”。
有鉴于此，十分有必要构造一种具有良好的扩展性能、可提供高速数据传输率且可缓解服务器负载的海量存储系统，以满足人们日益苛刻的存储要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有海量存储系统的系统结构和用户服务模式的不足，从改进其系统结构的角度构造一种可满足人们对容量、带宽需求不断增长的基于多通道存储设备的海量存储系统，并减少服务器负载、提高I/O服务性能；本发明还提供了该海量存储系统的控制方法。
本发明的一种基于多通道存储设备的海量存储系统，包括服务器和若干多通道存储设备；多通道存储设备包括主机通道接口装置、存储设备接口装置、网络接口装置和阵列运行控制装置，前三个装置通过PCI总线与阵列运行控制装置相连，构成具有主机通道、存储设备通道和网络通道的多通道存储设备，作为系统的基本存储节点，服务器通过其配置的外设适配器接入主机通道；多通道存储设备通过各自的网络接口连入与服务器相同或不同的网络；服务器通过网络通道接收用户的命令请求和响应请求结果，用户通过多通道存储设备的网络通道进行文件数据的传输；多通道存储设备在阵列运行控制装置的控制调度下，接受并执行来自主机通道、网络通道的服务器或用户的命令；其中，
阵列运行控制装置包括CPU、RAM和EPROM，提供计算能力和运行环境以实现各装置初始化、命令分解/合并、数据分块/重组、协议变换、缓存管理和I/O任务调度的控制功能；
主机通道接口装置由主机通道接口构成；存储设备接口装置由存储设备接口构成，提供与存储设备的连接，存储设备为磁盘驱动器，其类型由存储设备通道接口类型决定；
主机通道接口和存储设备接口均执行面向块设备级的协议，主机通道接口设置成TARGET态的外设接口；存储设备接口设置成MASTER态的外设接口；
网络接口装置由网络通道接口组成。
上述海量存储系统的系统控制方法，其步骤为：
①、由服务器通过主机通道对所连的各个多通道存储设备实施集中式的设备与文件系统管理；服务器通过其网络通道接收用户的文件服务请求；
②、多通道存储设备负责数据访问和网络传输操作，利用其网络通道作为用户数据通道，进行网络用户与多通道存储设备间的直接数据传输；对于所有非读写文件的请求，服务器直接执行并向用户返回结果；
③、对于读写文件请求，服务器执行文件地址信息提取/地址空间预分配的处理，将地址信息和用户权限信息返回用户，并同时通知多通道存储设备，上述过程中派生的存储I/O命令将通过服务器主机通道交给相应多通道存储设备完成；此后的数据存取和传输任务将在多通道存储设备和用户间进行，待完成所有的存取和传输后，用户通知服务器结束服务。
本发明具有如下特点：
(1)系统的可扩展性好，系统通过增加多通道存储设备增加存储容量的同时，也增加了数据通道数，实现了扩容与增速同步。
(2)系统采用的命令与数据分流处理方式，可以大幅度减少服务器的负载，避免存储设备性能的发挥受单一外设通道的制约。
(3)系统内多个多通道存储设备运行具有高度并行性，除了可以实现并行存取操作外，还可以实现数据的并行网络传输。
(4)实现了集中的文件系统管理与分布的数据存取，保证了管理的高效率与存储的高性能。
(5)用户I/O数据直接从多通道存储设备传输到用户，缩短了I/O路径，减少了系统延迟，提高了平均数传率。
附图说明
图1为本发明中海量存储系统的基本组成结构图；
图2为多通道存储设备的系统结构示意图；
图3为多通道存储设备控制装置的控制流程示意图；
图4为本发明采用FC通道的海量存储系统实施例的结构示意图；
图5为本发明一种实施例的示意图。
图6为本发明中的服务器控制流程图。
具体实施方式
如图1所示，本发明包括服务器S(可以是多个)和若干多通道存储设备D1…、Dn，服务器通过外设通道适配器1形成的主机通道10与存储设备D1…Dn相连，同时服务器S与多通道存储设备通过各自的网络接口4.0、4.1，…，4.n连入网络。多通道存储设备D1…Dn均具有主机通道接口1.1…1.n、设备通道接口2.1…2.n和网络通道接口4.1…4.n，形成具有主机通道10、存储设备通道3.1…3.n和网络通道6.1…6.n的多通道存储设备，作为系统的基本存储节点。服务器通过网络通道6.0接收用户的命令请求和响应请求结果，用户通过多通道存储设备的网络通道6.1…6.n进行文件数据的传输。
多通道存储设备的系统结构见图2，包含阵列运行控制装置150、主机通道接口装置112、存储设备接口装置122以及网络接口装置132，各装置之间通过PCI总线140物理连接。
阵列运行控制装置150包括CPU 152、RAM 151和EPROM 153，提供计算能力和运行环境以实现各装置初始化、命令分解/合并、数据分块/重组、协议变换、缓存管理和I/O任务调度的控制功能。
主机通道接口装置112由主机通道接口1.1~1.n构成。
存储设备接口装置122由存储设备接口2.11~2.1n构成，提供与存储设备的连接。存储设备为磁盘驱动器，其类型由存储设备通道接口类型决定。
主机通道接口和存储设备接口均执行面向块设备级的协议，其中，主机通道接口设置成TARGET态的外设接口，根据性能、成本采用SCSI、FC等。存储设备接口设置成MASTER态的外设接口，如FC、SCSI和IDE等。
网络接口装置132由网络通道接口4.11~4.1n组成，网络接口可以采用相同或不同的形式，各网络接口可以接入同一网络或不同网络中。
上述阵列运行控制装置可构成主机通道10.1~10.n，存储设备通道3.11~3.1n以及网络通道6.11～6.1n。
如图3所示，多通道存储设备在加电启动后，会建立主机通道中断例程以及网络通道服务端口的监听例程。若从主机通道接收到SCSI命令，则以高优先级进入I/O任务队列；若从网络通道服务端口接收到网络用户请求，则启动用户请求处理进程，根据其处理能力派生出一组I/O命令，逐次提交进入I/O任务队列。所有进入I/O任务队列的I/O命令按一定的优先原则排序后，根据设置的阵列级别进行命令分解，形成对应多个磁盘的命令链。多个命令链上的I/O命令在交付底层执行以前要经过Buffer管理功能处理，剔除命中的命令并返回执行结果，其余命令交由I/O调度过程执行。I/O调度过程启动相应的存储设备接口驱动磁盘执行I/O命令。当所启动的I/O命令都执行完毕后，判断所有操作是否都正常，若无错误，则回送执行结果。服务器发来的命令通过主机通道接口回送给服务器；用户命令执行结果返回到用户请求处理进程，用户请求处理进程检查用户I/O命令组是否全部执行完毕，若全部执行完，则将结果通过网络通道返回给远端用户，若尚未执行完，则继续向低层提交I/O命令直至全部完成。
该海量存储系统采用命令与数据分流的控制方法，由服务器S通过主机通道10对各个多通道存储设备实施集中式的设备与文件系统管理，保持了与以往系统的高度兼容性，保护了先期软件(如操作系统、文件系统、I/O设备驱动等)的投资；由多通道存储设备负责数据访问和网络传输操作，利用其网络通道6.1…6.n作为用户数据通道，进行网络用户与多通道存储设备间的直接数据传输。系统运行时，服务器S通过其网络通道6.0接收用户的文件服务请求，首先进行用户级、文件系统级的管理及预处理操作，期间所派生的I/O命令通过主机通道10交给多通道存储设备执行。对于用户的管理功能请求，服务器直接执行完毕后通过网络通道6.O向用户返回结果，结束服务。对于涉及大量数据I/O的文件存取请求在进行完管理及预处理操作后，服务器通过网络通道向用户返回一系列读写指示信息，结束第一阶段的操作。然后用户依据该信息通过网络向多通道存储设备提出数据访问与传输要求，并由多通道存储设备执行相应的数据访问和传输操作，完成对用户请求的服务。
该海量存储系统充分体现了多通道、并行处理的原则，若在服务器上接入多个多通道存储设备，则每接入一个便扩展了一个网络通道，存储数据访问可利用此网络通道，进行用户与多通道存储设备间的直接数据传送，实现了容量和速度同步扩展的理想。
如图4所示，如果服务器S1…Sm采用FC类型外设通道适配器，并使用具有FC主机通道的多通道存储设备D1…Dn，以及FC交换机(10.0)，则可构成与SAN(Storage Area Network)11结构相似但又不同的海量存储系统。相同之处在于它们都是基于FC交换网络形成的存储系统。不同之处在于SAN系统中存储设备与公共网络用户C1、C2…Ci的数据交换需要通过服务器，而本发明的海量存储系统中多通道存储设备可利用各自到公共网络的接口与用户直接交换数据。
附图5是本发明的一个具体实施例，服务器S使用的是普通PC机，CPU为的配置为PentiumMMX200，内存64M，通过DFE530TX网络接口适配器接入由百兆交换机(6)形成的百兆以太网，外设通道接口采用Symbios公司的SYM53C895 SCSI-PCI适配器和多通道存储设备相连。服务器通过SCSI总线(10)连接多通道磁盘阵列D1和多通道磁盘阵列D2。两个阵列的主机通道接口均采用Symbios公司的SYM53C895 SCSI-PCI适配器，并设置为SLAVE状态，网络通道接口均采用DFE530TX网络接口适配器接入百兆交换网。多通道磁盘阵列D1为SCSI阵列，CPU型号为P2-450，内存64M，设备通道接口采用了三块SYM53C875 SCSI-PCI适配器，每个SCSI通道上挂一个SCSI硬盘。多通道磁盘阵列D2为EIDE阵列，CPU型号为P2-450，内存64M，设备通道接口直接利用了PC机主板上的IDE接口芯片，每个IDE通道挂一个可支持ATA 100/66的IDE硬盘。
用户对文件系统的访问请求一般分为目录请求和文件请求。目录请求包括读目录属性、修改目录属性、列目录内容、建立新目录、删除空目录；文件请求包括读文件属性、修改文件属性、读文件、建立并写新文件、删除文件。其中读文件和建立并写新文件这两种请求会涉及到大量I/O数据流动，而其它请求是对文件系统的结构及文件属性的管理，所涉及的数据量相对较少。按照命令与数据分流的控制方法，系统运行时，服务器将对每一个用户请求进行用户身份、权限检查，并对合法有效的请求分类处理：服务器执行所有非读写文件类请求，并直接向用户返回结果；对于读写文件请求，服务器执行文件地址信息提取(对于读文件请求)或地址空间预分配(对于写文件请求)的处理，将整理了的地址信息和用户权限信息返回用户，并同时通知多通道存储设备。上述过程中派生的存储I/O命令将通过服务器主机通道交给相应多通道存储设备完成。此后的数据存取和传输任务将由多通道存储设备进行，待用户与多通道存储设备间完成了相应的存取和传输后，用户通知服务器结束本次服务。上述服务器处理过程见附图6。
服务器通过网络将预处理结果传输给用户，用户接受后再通过网络把请求和读写地址信息直接提交给多通道存储设备。多通道存储设备在收到服务器的用户权限通知后，即启动读/写进程等待用户读/写指令，在用户发送来读/写文件请求和地址组信息后，立即执行，并将执行结果回送用户。
按照该控制方法，用户在向海量存储系统获取文件读写服务请求时，将按如下步骤进行。对读文件数据请求的步骤为：
①客户机向服务器发出读文件请求；
②服务器对请求确认，并对请求进行分析，获取文件所在多通道存储设备位置和文件的存储地址组；
③服务器向多通道存储设备发山用户授权；
④多通道存储设备启动读进程，等待客户机请求的到来；
⑤服务器向客户机发出确认、授权字、存储设备的地址及数据存储地址组；
⑥客户机根据地址建立与多通道存储设备的网络连接，直接发送对应文件数据的读I/O请求；
⑦多通道存储设备执行I/O请求，得到数据后直接传送给客户机；
⑧客户机向服务器和多通道存储设备发出结束信号，读过程结束；
写文件请求的步骤为：
①客户机向服务器发出写文件请求和相关控制信息；
②服务器确认后，为此文件预先分配存储空间，得到请求文件所在多通道存储设备位置和文件的存储地址；
③服务器向多通道存储设备发出用户授权；
④服务器向客户机发出授权字、存储设备的地址及数据存储地址组；
⑤客户机根据地址建立与多通道存储设备的网络连接，将I/O请求和文件数据传输给多通道存储设备；
⑥多通道存储设备按照约定的数据存储地址，执行写文件数据操作，完成后通知客户机；
⑦客户机向多通道存储设备和服务器发送结束信息，写过程结束。
本发明改变了海量存储系统中服务器通过单一外设通道连接存储设备的结构，形成了服务器和存储设备间的多通道连接结构，使服务器与存储设备的关系由原来的主从关系转变为对等关系，并采用命令与数据分流处理模式，分离系统中管理功能及其对应I/O操作与实际文件数据I/O操作及传输任务，一方面极大地减轻服务器负载，另一方面缩短用户数据路径、提高用户数据传输率。
Claims (2)
1、一种基于多通道存储设备的海量存储系统，包括服务器和若干多通道存储设备，其特征在于：所述多通道存储设备(D1…Dn)包括主机通道接口装置(112)、存储设备接口装置(122)、网络接口装置(132)和阵列运行控制装置(150)，前三个装置通过PCI总线(140)与阵列运行控制装置(150)相连，构成具有主机通道(10)、存储设备通道(3.i)和网络通道(6.i)的多通道存储设备(Di)，作为系统的基本存储节点，服务器(S)通过其配置的外设适配器(1)接入主机通道(10)；多通道存储设备(D.1…D.n)通过各自的网络接口(4.1…4.n)连入与服务器(S)相同或不同的网络；服务器(S)通过网络通道(6.0)接收用户的命令请求和响应请求结果，用户通过多通道存储设备的网络通道(6.1…6.n)进行文件数据的传输；多通道存储设备(D1…Dn)在阵列运行控制装置(150)的控制调度下，接受并执行来自主机通道、网络通道的服务器或用户的命令；其中，
* 阵列运行控制装置(150)包括CPU(152)、RAM(151)和EPROM(153)，提供计算能力和运行环境以实现各装置初始化、命令分解/合并、数据分块/重组、协议变换、缓存管理和I/O任务调度的控制功能；
* 主机通道接口装置(112)由主机通道接口(1.1--1.n)构成；
* 存储设备接口装置(122)由存储设备接口(2.11--2.1n)构成，提供与存储设备的连接，存储设备为磁盘驱动器，其类型由存储设备通道接口类型决定；
* 主机通道接口(1.1-1.n)和存储设备接口(2.11-2.1n)均执行面向块设备级的协议，主机通道接口设置成TARGET态的外设接口；存储设备接口设置成MASTER态的外设接口；
* 网络接口装置(132)由网络通道接口(4.11-4.1n)组成。
2、权利要求1所述海量存储系统的系统控制方法，其步骤为：
①由服务器(S)通过主机通道(10)对所连的各个多通道存储设备(D1…Dn)实施集中式的设备与文件系统管理；服务器(S)通过其网络通道(6.i)接收用户的文件服务请求；
②多通道存储设备(D1…Dn)负责数据访问和网络传输操作，利用其网络通道(6.1…6.n)作为用户数据通道，进行网络用户与多通道存储设备间的直接数据传输；
③对于所有非读写文件的请求，服务器直接执行并向用户返回结果；对于读写文件请求，服务器(S)执行文件地址信息提取/地址空间预分配的处理，将地址信息和用户权限信息返回用户，并同时通知多通道存储设备，上述过程中派生的存储I/O命令将通过服务器主机通道(10)交给相应多通道存储设备完成；此后的数据存取和传输任务将在多通道存储设备和用户间进行，待完成所有的存取和传输后，用户通知服务器结束服务。
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