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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Diese
Erfindung bezieht sich auf Datenspeichersysteme, z. B. hierarchische
Plattenarrayspeichersysteme, und auf Verfahren zum Verwenden von Speicherplatten
unterschiedlicher Kapazität
in einem einzelnen Speichervolumen bei derartigen Systemen.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Computersysteme
werden in Bezug auf Geschwindigkeit, Zuverlässigkeit und Verarbeitungsfähigkeit
ständig
verbessert. Folglich sind Computer in der Lage, komplexere und anspruchsvollere
Anwendungen zu handhaben. Während
jedoch Computer immer besser werden, nehmen auch die Leistungsanforderungen
zu, die an Massenspeicher- und Eingabe-/Ausgabevorrichtungen (I-/O-Vorrichtungen) gestellt
werden. Es besteht weiterhin ein Bedarf, Massenspeichersysteme zu
entwerfen, die in Bezug auf die Leistungsfähigkeit mit sich weiter entwickelnden
Computersystemen Schritt halten.
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Diese
Erfindung betrifft insbesondere die Massenspeichersysteme des Plattenarray-Typs. Plattenarraydatenspeichersysteme
weisen Mehrfach-Speicherplattenlaufwerksvorrichtungen auf, die angeordnet
und koordiniert sind, um ein einziges Massenspeichersystem zu bilden.
Für derartige Speichersysteme
gibt es drei Hauptentwurfskriterien: Kosten, Leistungsfähigkeit
und Verfügbarkeit.
Am wünschenswertesten
ist es, Speichervorrichtungen zu erzeugen, die geringe Kosten pro
Megabyte, eine hohe Eingangs-/Ausgangsleistungsfähigkeit
und eine hohe Datenverfügbarkeit
aufweisen. „Verfügbarkeit" ist die Fähigkeit,
Daten, die in dem Speichersystem gespeichert sind, wiederzugewinnen,
obwohl ein Teil der Daten aufgrund eines Ausfalls oder aus einem
anderen Grund unzugänglich
wurde, und die Fähig keit,
einen fortgesetzten Betrieb im Fall eines derartigen Ausfalls zu
gewährleisten.
In der Regel wird eine Datenverfügbarkeit
durch die Verwendung einer Redundanz geliefert, wobei Daten, oder
Beziehungen zwischen Daten, an mehreren Plätzen gespeichert sind.
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Es
gibt zwei übliche
Verfahren zum Speichern von redundanten Daten. Gemäß dem ersten bzw. „Spiegel"-Verfahren werden
Daten dupliziert und in zwei getrennten Bereichen des Speichersystems
gespeichert. Bei einem Plattenarray werden die identischen Daten
beispielsweise auf zwei getrennten Platten in dem Plattenarray bereitgestellt.
Das Spiegelverfahren weist die Vorteile einer hohen Leistungsfähigkeit
und einer hohen Datenverfügbarkeit aufgrund
der Duplexspeichertechnik auf. Das Spiegelverfahren ist jedoch auch
relativ teuer, da es die Kosten des Speicherns von Daten effektiv
verdoppelt.
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Bei
dem zweiten bzw. „Paritäts"-Verfahren wird ein
Teil des Speicherbereichs verwendet, um redundante Daten zu speichern,
die Größe des redundanten
Speicherbereichs ist jedoch geringer als der zum Speichern der ursprünglichen
Daten verwendete verbleibende Speicherbereich. Bei einem Plattenarray,
das fünf
Platten aufweist, könnten
beispielsweise vier Platten verwendet werden, um Daten zu speichern,
wobei die fünfte
Platte für
das Speichern von redundanten Daten reserviert ist. Das Paritätsverfahren
ist vorteilhaft, da es kostengünstiger
ist als das Spiegelverfahren, im Vergleich zu dem Spiegelverfahren
weist es jedoch auch geringere Leistungsfähigkeits- und Verfügbarkeitscharakteristika
auf.
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Ein
Problem, auf das man beim Entwurf von Plattenarraydatenspeichersystemen
stößt, betrifft
die Maximierung der Nutzung der Speicherkapazität, die durch die Speicherplatten
bereitgestellt wird, während
die gewünschte
Verfügbarkeit
und Zuverlässigkeit
der Daten durch Redundanz aufrechterhalten wird. Dieses Problem
ist bei „homogenen" Plattenarrays, die
Speicherplattenlaufwerksvorrichtungen gleicher Speicherkapazität verwenden,
weniger ausgeprägt.
Dagegen ist das Problem bei „heterogenen" Plattenarrays, die
Speicherplatten unterschiedlicher Speicherkapazität verwenden,
sehr deutlich vorhanden. Herkömmliche
heterogene Plattenarrays nutzen oft nicht den Anteil der Kapazität auf jeder
Speicherplatte, der über
die Kapazität
der kleinsten Platte in der Konfiguration hinausgeht. Diese Unternutzung führt zu höheren Speicherkosten,
was nicht wünschenswert
ist.
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Eine
bekannte Lösung
besteht darin, die ungleichmäßigen Speicherplatten
unterschiedlicher Kapazität
dem Hostcomputersystem als mehrere unabhängige Speichervolumina zu präsentieren.
Diese Lösung
weist den Nachteil einer erhöhten
Komplexität
und Schwierigkeit bei der Kapazitätsplanung und Datenverwaltung
auf.
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Ein
weiteres damit verbundenes Problem betrifft ein Hinzufügen von
Speicherplattenlaufwerksvorrichtungen einer größeren Kapazität zu einen
bereits vorhandenen Plattenarrayspeichersystem. Die sich entwickelte
Technologie verbessert die Speicherkapazität von Plattenlaufwerksvorrichtungen
immer weiter, und somit weisen Speicherplatten, die zu einem späteren Zeitpunkt
erworben werden, um die Speicherkapazität eines existierenden Plattenarrays zu
erhöhen, üblicherweise
eine größere Kapazität auf als ältere Platten,
die derzeit in dem Plattenarray vorliegen. Ein Hinzufügen dieser
neuen, größeren Platten
kann ein zuvor homogenes Plattenarray aus dem Gleichgewicht bringen
sowie ein bereits heterogenes Plattenarray weiter diversifizieren.
Bei herkömmlichen
Plattenarrays wird die zusätzliche
Speicherkapazität
der neuen Platten oft verschwendet, da sie die Kapazität der kleinsten
Platte in der Konfiguration übersteigt.
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Die
US-A-5,166,939 beschreibt eine Massenspeichervorrichtung, die aus
einer Mehrzahl von physischen Speichervorrichtungen besteht und
in der Lage ist, je nach Bedarf so wohl eine hohe Bandbreite und
Hybridationsrate bereitzustellen, zusammen mit einer hohen Zuverlässigkeit.
Die Vorrichtung ist in eine oder mehrere Redundanzgruppen unterteilt. Jede
Redundanzgruppe ist wiederum in eine oder mehrere Datengruppen unterteilt,
von denen sich jede eventuell lediglich über eine kleine Anzahl der Laufwerke
in der Redundanzgruppe erstreckt, wobei eine hohe Anforderungsrate
bereitgestellt wird, oder sich über
eine große
Anzahl von Laufwerken erstrecken, wobei hohe Bandbreite bereitgestellt
wird.
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Das
IBM Technical Disclosure Bulletin, Band 33, Nr. 8, Januar 1991,
Seiten 270–272, „USING DUAL
ACTUATOR SHARED DATA DIRECT ACCESS STORAGE DEVICES IN A REDUNDANT
ARRAY", beschreibt
eine Technik zum Verwenden von von zwei Betätigungsgliedern gemeinsam verwendeten
Datendirektzugriffsspeichervorrichtungen in einem Plattenarray,
um die Leistungsfähigkeit
zu verbessern und gleichzeitig den zusätzlichen Vorteil der Kostenverringerung
durch Eliminieren des Erfordernisses einer erweiterten Batteriesicherung
bereitzustellen.
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Die
EP 0 584 804 A beschreibt
ein redundantes Array von Platten, bei dem die Platten in Bereiche verschiedener
Größen unterteilt
sind, sodass in einem Bereich einer entsprechenden Größe auf einer einzelnen
Platte kleine Datenmengen gespeichert werden können, anstatt dass sie über mehrere
Platten verteilt sind. Eine Nutzungsstatustabelle gibt an, welche
Bereiche in Gebrauch sind. Prüfinformationen
werden lediglich für
solche Bereiche erzeugt und gespeichert, die als im Gebrauch befindlich
angegeben werden. Wenn die neuen Prüfinformationen erzeugt werden,
ist es also möglich,
das Ablesen unnötiger
alter Daten und alter Prüfinformationen
wegzulassen. Wenn eine Platte ausfällt und durch eine Bereitschaftsplatte
ersetzt wird, werden lediglich diejenigen Daten rekonstruiert, die
sich in Bereichen befinden, die als im Gebrauch empfindlich angegeben werden.
Prüfinforma tionen
können
auf einer Festkörperplatte
gespeichert werden.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, für eine verbesserte
Nutzung der gesamten Speicherkapazität in einem Plattenarraydatenspeichersystem
zu sorgen und dabei die Datenverfügbarkeit aufrechtzuerhalten,
ohne darauf zurückzugreifen,
mehrere unabhängige
Speicherwerte zu definieren.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Ferner
ermöglicht
die vorliegende Erfindung, dass Plattenarrays zusätzliche
Speicherplatten einer unterschiedlichen Kapazität beherbergen und ihre gesamte
Kapazität
nutzen.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung liefert Verfahren zum Verwenden ungleichartiger Speicherplatten
unterschiedlicher Kapazitäten
in einem heterogenen hierarchischen Plattenarray. Die Erfindung
erzielt diese Vollnutzung, ohne die Speicherplatten unterschiedlicher Kapazitäten als
getrennte Speichervolumina zu präsentieren,
sondern präsentiert
die dem Hostcomputer statt dessen als ein einzelnes Volumen.
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Gemäß einem
Verfahren zum Nutzen der Speicherkapazität ist ein heterogenes hierarchisches Plattenarray
konfiguriert, um zumindest zwei gleich große Speicherplatten zu umfassen,
die auch die größte Kapazität der Speicherplatten
in dem Plattenarray aufweisen. Alle Speicherplatten in dem Array
werden anschließend
zu mehreren Regionen segmentiert. RAID-Bereiche werden aus benachbarten Regionen über die
mehreren Platten hinweg gebildet. Die benachbarten Regionen stellen
einen physikalischen Speicherraum an denselben physikalischen Adressen
auf einzelnen Speicherplatten dar.
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Die
RAID-Bereiche werden in einen virtuellen Speicherraum abgebildet,
der eine Ansicht des physikalischen Speicherraums als einzelnes
Speichervolumen liefert. Anschließend können Daten in den RAID-Bereichen
gemäß ausgewählten RAID-Ebenen (z. B. RAID-Ebene
1 oder RAID-Ebene 5) gespeichert werden, wobei jeder RAID-Bereich einige
redundante Daten speichert. Die zwei oder mehreren größten Platten
können
somit verwendet werden, um Daten gemäß einer Spiegelredundanz (für zwei Platten
oder mehrere Platten der größten Kapazität) und/oder
Paritätsredundanz
(für drei
oder mehr Platten der größten Kapazität) in den
benachbarten Speicherregionen, die die Platten der nächstgrößten Kapazität überschreiten,
zu speichern.
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Beschreibung
der Zeichnungen
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Unter
Bezugnahme auf die folgenden beigefügten Zeichnungen, in denen
Beispiele gezeigt sind, die den besten Modus zum Praktizieren der
Erfindung verkörpern,
werden nachfolgend bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung
beschrieben.
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1 ist
ein schematisches Blockdiagramm eines Speichersystems gemäß dieser
Erfindung.
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2 ist
eine schematische Veranschaulichung eines Speicherraums auf mehreren
Speicherplatten und zeigt eine Datenspeicherung gemäß RAID-Ebene
1.
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3 ist
eine schematische Veranschaulichung eines Speicherraums auf mehreren
Speicherplatten und zeigt eine Datenspeicherung gemäß RRID-Ebene
5.
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4 ist
eine schematische Veranschaulichung einer Speicherabbildungsanordnung
dieser Erfindung, bei der zwei virtuelle Speicherplätze auf einen
physischen Speicherplatz abgebildet werden.
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5 eine
schematische Veranschaulichung eines Speicherraums auf mehreren
Speicherplatten unterschiedlicher Kapazität, wobei die zwei größten Platten
dieselbe Kapazität
aufweisen. 5 demonstriert das Verfahren
zum Bilden benachbarter Bereiche auf den Speicherplatten, einschließlich der zwei
größten Platten,
für eine
Datenredundanzspeicherung.
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6 ein
Flussdiagramm, das die Schritte des in 5 demonstrierten
Verfahrens zeigt.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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1 zeigt
ein Datenspeichersystem 10, das gemäß dieser Erfindung aufgebaut
ist. Vorzugsweise ist das Datenspeichersystem 10 ein Plattenarray-Datenspeichersystem,
das ein heterogenes hierarchisches Plattenarray 11 umfasst,
das eine Mehrzahl von ungleichartigen Speicherplatten 12 unterschiedlicher
Speicherkapazitäten
aufweist. Das Datenspeichersystem 10 umfasst ferner eine
mit dem Plattenarray 11 gekoppelte Plattenarraysteuerung 14 zum
Koordinieren eines Datentransfers zu und von den Speicherplatten 12 sowie
ein RAID-Verwaltungssystem 16.
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Für die Zwecke
dieser Offenbarung ist eine „Platte" jegliche nicht-flüchtige,
direkt zugreifbare, wiederbeschreibbare Massenspeichervorrichtung, die
die Fähigkeit
aufweist, ihre eigenen Speicherausfälle zu erfassen. Sie umfasst
sowohl sich drehende magnetische und optische Platten als auch Festzustandsplatten,
oder nicht-flüchtige
elektronische Speicherelemente (z. B. PROMs, EPROMs und EEPROMs).
Der Begriff „Plattenarray" umfasst eine Sammlung
von Platten, die Hardware, die erforderlich ist, um sie mit einem
oder mehreren Hostcomputern zu verbinden, und eine Verwaltungssoftware,
die verwendet wird, um den Betrieb der physischen Platten zu steuern
und sie der Host-Betriebsumgebung als eine oder mehrere virtuelle
Platten zu präsentieren.
Eine „virtuelle
Platte" ist eine
abstrakte Entität, die
durch die Verwaltungssoftware in dem Plattenarray verwirklicht ist.
Die Begriffe „einzelnes
Volumen" oder „Volumensatz" bedeuten eine Gruppe
physikalischer Speicherplatten, die zusammengehören und als Einheit fungieren.
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Der
Begriff „RAID" (Redundant Array
of Independent Plattes, redundantes Array aus unabhängigen Platten)
bedeutet ein Plattenarray, bei dem ein Teil der physischen Speicherkapazität verwendet wird,
um redundante Informationen über
Benutzerdaten, die auf dem Rest der Speicherkapazität gespeichert
sind, zu speichern. Die redundanten Informationen ermöglichen
eine Regeneration von Benutzerdaten für den Fall, dass eine der zu
dem Array gehörenden
Platten oder der Zugriffspfad zu derselben ausfällt. Eine ausführlichere
Erläuterung
von RAID-Systemen findet sich in einem Buch mit dem Titel The RAIDBook:
A Source Book for RAID Technology, das am 9. Juni 1993 von RAID
Advisory Board, Lino Lakes, Minnesota, veröffentlicht wurde.
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Die
Plattenarraysteuerung 14 ist über einen oder mehrere Schnittstellenbusse 13,
beispielsweise eine Kleincomputer-Schnittstelle (SCSI – small computer system interface)
mit dem Plattenarray 11 gekoppelt. Das RAID-Verwaltungssystem 16 ist über ein
Schnittstellenprotokoll 15 wirksam mit der Plattenarraysteuerung 14 gekoppelt.
Ferner ist das Datenspeichersystem 10 über einen I/O-Schnittstellenbus 17 mit
einem Hostcomputer (nicht gezeigt) gekoppelt. Das RAID-Verwaltungssystem 16 kann
als separate Komponente verkörpert
sein oder kann in der Plattenarraysteuerung 14 oder in
dem Hostcomputer konfiguriert sein. Das RAID-Verwaltungssystem 16 stellt
eine Datenverwaltungseinrichtung zum Steuern von Plattenspeicherungs-
und von Zuverlässigkeitsebenen
sowie zum Transferieren von Daten zwischen verschiedenen Zuverlässigkeits-Speicherstufen
bereit. Diese Zuverlässigkeits-Speicherebenen
sind, wie nachfolgend beschrieben wird, vorzugsweise Spiegel- oder
Paritäts- Redundanzebenen,
können
jedoch auch eine Zuverlässigkeits-Speicherebene ohne
jegliche Redundanz umfassen.
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Die
Plattenarraysteuerung 14 ist vorzugsweise als duale Steuerung
implementiert, die aus der Plattenarraysteuerung A 14a und
aus der Plattenarraysteuerung B 14b besteht. Die dualen
Steuerungen 14a und 14b verbessern die Zuverlässigkeit,
indem sie für
den Fall, dass eine Steuerung funktionsuntüchtig wird, eine fortlaufende
Sicherung und Redundanz liefern. Die Verfahren dieser Erfindung
können
jedoch mit einer einzelnen Steuerung oder anderen Steuerungskonfigurationen
praktiziert werden.
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Das
hierarchische Plattenarray 11 kann als unterschiedliche
Speicherplätze,
einschließlich
seines physischen Speicherplatzes und eines oder mehrerer virtueller
Speicherplätze,
charakterisiert werden. Diese verschiedenen Speicheransichten sind
durch Abbildungstechniken verbunden. Beispielsweise kann der physische
Speicherplatz des Plattenarrays in einen virtuellen Speicherplatz
abgebildet werden, der Speicherbereiche gemäß den verschiedenen Datenzuverlässigkeitsebenen
darstellt. Manche Bereiche in dem virtuellen Speicherplatz können einer
ersten Zuverlässigkeitsspeicherebene zugewiesen
sein, beispielsweise Spiegel- oder RAID-Ebene 1, und andere Bereiche
können
einer zweiten Zuverlässigkeitsspeicherebene
zugewiesen sein, beispielsweise Paritäts- oder RAID-Ebene 5. Die
verschiedenen Abbildungstechniken und virtuellen Plätze, die
RAID-Ebenen betreffen, werden nachfolgend unter Bezugnahme auf 4 ausführlicher beschrieben.
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Das
Datenspeichersystem 10 umfasst einen Speicherabbildungsspeicher 21,
der eine durchgängige
Speicherung der virtuellen Abbildungsinformationen liefert, die
verwendet werden, um verschiedene Speicherplätze aufeinander abzubilden.
Der Speicherabbildungsspeicher befindet sich außerhalb des Plattenarrays und
vorzugsweise in der Plattenarraysteuerung 14. Die Speicherabbildungsinformationen können durch die
Steuerung oder das RAID-Verwaltungssystem kontinuierlich oder periodisch
aktualisiert werden, während
sich die verschiedenen Abbildungskonfigurationen unter den verschiedenen
Ansichten ändern.
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Vorzugsweise
ist der Speicherabbildungsspeicher 21 als zwei nicht-flüchtige RAMs
(Direktzugriffsspeicher) 21a und 21b verkörpert, die
in jeweiligen Steuerungen 14a und 14b angeordnet
sind. Ein Beispiel eines nicht-flüchtigen RAM (NVRAM) ist ein batteriegepufferter
RAM. Ein batteriegepufferter RAM verwendet Energie von einer unabhängigen Batteriequelle,
um im Falle eines Verlustes von Leistung an das Speichersystem 10 die
Daten über
einen bestimmten Zeitraum in dem Speicher beizubehalten. Ein bevorzugter
Aufbau ist ein selbstauffrischender batteriegepufferter DRAM (dynamischer
RAM).
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Die
dualen NVRAMs 21a und 21b sorgen für eine redundante
Speicherung der Speicherabbildungsinformationen. Die virtuellen
Abbildungsinformationen werden dupliziert und gemäß Spiegelredundanztechniken
in beiden NVRAMs 21a und 21b gespeichert. Auf
diese Weise kann der NVRAM 21a dafür reserviert sein, die ursprünglichen
Abbildungsinformationen zu speichern, und der NVRAM 21b kann
dafür reserviert
sein, die redundanten Abbildungsinformationen zu speichern. Bei
einem alternativen Aufbau kann ein gespiegelter Speicherabbildungsspeicher
unter Verwendung eines einzelnen nichtflüchtigen RAMs mit einem ausreichenden Platz,
um die Daten im Duplikat zu speichern, konfiguriert sein.
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Wie
in 1 gezeigt ist, weist das heterogene Plattenarray 11 mehrere
ungleichartige Speicherplattenlaufwerksvorrichtungen 12 mit
Kapazitäten unterschiedlicher
Größen auf.
Beispielhafte Größen dieser
Speicherplatten sind ein, zwei oder drei Gigabytes, obwohl auch
andere Größen geeignet
sind. Trotz der unterschiedlichen Kapazität werden die Speicherplatten 12 dem
Hostcomputer als einzelner Volumensatz präsentiert, bei dem die mehreren
Platten zusammen als eine zusammenhängende Speichereinheit fungieren.
Zusätzlich
ist das Datenspeichersystem 10 entworfen, um ein „heißes Einstecken" („hot plug") zusätzlicher
Platten ähnlicher
oder unterschiedlicher Kapazität
in vorhandene mechanische Buchten in dem Plattenarray zu ermöglichen, während das
Plattenarray in Betrieb ist. Die Speicherplatten können unabhängig voneinander
mit mechanischen Buchten, die eine Schnittstellenbildung mit einem
SCSI-Bus 13 liefern, verbunden bzw. von denselben getrennt
sein. Die Plattenarraysteuerung 14 erkennt Speicherplatten 12 unabhängig davon,
in welche Bucht sie eingesteckt sind.
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Die
Speicherplatten 12 in dem Plattenarray 11 kann
man sich zu Erläuterungszwecken
von Konzept her so vorstellen, dass sie in einer Spiegelgruppe 18 mehrerer
Platten 20 und einer Paritätsgruppe 22 mehrerer
Platten 24 angeordnet sind. Die Spiegelgruppe 18 stellt
eine erste Speicherstelle oder einen ersten RAID-Bereich des Plattenarrays
dar, die bzw. der Daten gemäß einer
ersten bzw. Spiegelredundanzebene speichert. Diese Spiegelredundanzebene
wird auch als RAID-Ebene 1 angesehen. Die RAID-Ebene 1 bzw. Plattenspiegelung
bietet die höchste
Datenzuverlässigkeit,
indem sie insofern einen Eins-zu-Eins-Schutz bietet, als jedes Datenbit dupliziert
und in dem Datenspeichersystem gespeichert wird. Die Spiegelredundanz
ist durch die drei Paare von Platten 20 in 1 schematisch
dargestellt. Ursprüngliche
Daten können
auf einem ersten Satz von Platten 26 gespeichert werden,
während duplikative,
redundante Daten auf dem paarigen zweiten Satz von Platten 28 gespeichert
werden.
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2 veranschaulicht
die Speicherung von Daten gemäß der RAID-Ebene
1 noch ausführlicher. Die
vertikalen Spalten stellen einzelne Platten dar, von denen Platten
0, 1, 2 und 3 veranschaulicht sind. Der physikalische Speicherraum,
der in diesem Plattenarray von vier Platten enthalten ist, kann
zu mehreren Streifen konfiguriert sein, wie durch die horizontalen
Zeilen dargestellt ist. Ein „Streifen" erstreckt sich über die
Speicherplatten und besteht aus zahlreichen, eine gleiche Größe aufweisenden
Segmenten eines Speicherraums, wobei jeder Platte in dem Array ein
Segment zugeordnet ist. Das heißt,
dass ein Segment der Abschnitt eines Streifens ist, der sich auf
einer einzelnen Platte befindet. Jeder Streifen hält eine
vorbestimmte Anzahl von Daten, die über die Speicherplatten verteilt
sind. Manche Segmente eines Streifens werden für ursprüngliche Daten verwendet, während andere
Segmente für
redundante Daten verwendet werden.
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Bei
diesem Beispiel einer Spiegelredundanz (RAID-Ebene 1) werden Daten,
die auf der Platte 0 in dem Segment 0 des Streifens 0 gespeichert
sind, dupliziert und auf der Platte 1 in dem Segment 0' des Streifens 0
gespeichert. Desgleichen werden Daten, die auf der Platte 2 in dem
Segment 5 des Streifens 2 gespeichert sind, zu dem Segment 5' des Streifens 2
auf der Platte 3 gespiegelt. Auf diese Weise wird jede Dateneinheit
dupliziert und auf den Platten gespeichert. Der Redundanzentwurf
der 2 ist zu Erläuterungszwecken
vorgesehen. Die redundanten Daten müssen nicht sauber in demselben
Streifen plaziert werden, wie gezeigt ist. Beispielsweise könnten Daten,
die auf der Platte 0 in dem Segment 2 des Streifens 1 gespeichert
sind, dupliziert werden und auf der Platte 3 in dem Segment T' des Streifens S plaziert
werden.
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Unter
erneuter Bezugnahme auf 1 stellt die Paritätsgruppe 22 der
Platten 24 eine zweite Speicherposition bzw. einen zweiten
RAID-Bereich dar, in der bzw. dem Daten gemäß einer zweiten Redundanzebene,
z. B. RAID-Ebene 5, gespeichert werden. In dieser erläuternden
Veranschaulichung von sechs Platten sind ursprüngliche Daten auf der fünften Platte 30 gespeichert,
und redundante „Paritäts"-Daten sind auf der
sechsten Platte 32 gespeichert.
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3 zeigt
einen Paritäts-RAID-Bereich-Entwurf
etwas ausführlicher. Ähnlich dem
Layout des Spiegel-RAID-Bereichs der 2 kann der physikalische
Speicherraum der Platten 0, 1, 2, 3 zu mehreren Streifen gleicher
Größe konfiguriert
sein. Bei diesem veranschaulichten Beispiel werden Daten gemäß der RAID-Ebene
5 gespeichert, und die redundanten Daten werden in den Segmenten
gespeichert, auf die durch den Buchstaben P Bezug genommen wird.
Die redundanten P-Segmente
speichern die Parität
der anderen Segmente in dem Streifen. In dem Streifen 0 speichert
das redundante P-Segment auf
der Platte 3 beispielsweise die Parität der Platten 0, 1 und 2. Die
Parität
für jeden
Streifen wird durch eine bestimmte Funktion, z. B. eine Exklusiv-ODER-Funktion, berechnet,
die durch das Symbol „⊕" dargestellt wird.
Die Paritäten
für die
ersten vier Streifen (wobei die tiefgestellte Zahl den entsprechenden
Streifen darstellt) lauten wie folgt: P0 = Segment 0 ⊕ Segment 1 ⊕ Segment
2
= Platte 0 ⊕ Platte
1 ⊕ Platte
2 P1 = Segment 3 ⊕ Segment
4 ⊕ Segment
5
= Platte 0 ⊕ Platte
1 ⊕ Platte
3 P2 = Segment 6 ⊕ Segment
7 ⊕ Segment
8
= Platte 0 ⊕ Platte
2 ⊕ Platte
3 P3 = Segment 9 ⊕ Segment
10 ⊕ Segment
11
= Platte 1 ⊕ Platte
2 ⊕ Platte
3
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Eine
Paritätsredundanz
ermöglicht
eine Regeneration von Daten, die auf einer der Platten nicht mehr
zur Verfügung
stehen. Wenn beispielsweise die Daten in dem Segment 5 nicht mehr
zur Verfügung stehen,
kann ihr Inhalt aus den Segmenten 3 und 4 und den Paritätsdaten
in dem Segment P ermittelt werden. Eine Paritätsspeicherung ist kostengünstiger
als eine Spiegelspeicherung, ist jedoch auch weniger zuverlässig und
weist eine geringere Leistungsfähigkeit
auf.
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Die
Plattenanordnung der 1 ist zu Konzeptionszwecken
vorgesehen. In der Praxis weist das Plattenarray 11 einfach
eine Mehrzahl von Platten 12 auf, die in der Lage sind,
Daten gemäß einer Spiegel-
und Paritätsredundanz
zu speichern. Aus dem durch alle Platten 12 gelieferten,
zur Verfügung stehenden
Speicherplatz wird ein Abschnitt dieses Speicherplatzes einer Spiegelredundanz
zugewiesen, und ein weiterer Abschnitt wird einer Paritätsredundanz
zugewiesen. Vorzugsweise sind die Platten 12 konfiguriert,
um mehrere gleich große
Speicherregionen (die bei 4 mit dem
Bezugszeichen 35 benannt sind) zu enthalten, wobei einzelne
Regionen mehrere Segmente aufweisen. Zusätzlich wird dem Benutzer oder
Host eine einheitliche Ansicht des gesamten Speicherraums präsentiert,
sodass die RAID-Bereiche und Datenredundanzspeichertechniken für den Benutzer
oder Host transparent sind. Diese Merkmale werden unter Bezugnahme
auf 4 nachstehend ausführlicher erörtert.
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Das
Datenspeichersystem 10 verwaltet die „Migration bzw. Bewegung" von Daten zwischen Spiegel-
und Paritätsspeicherschemata.
Die Verwaltung beider Redundanztypen wird durch das RAID-Verwaltungssystem 16 (1)
koordiniert. Das RAID-Verwaltungssystem 16 verwaltet die
zwei unterschiedlichen Typen von RAID-Bereichen in dem Plattenarray
als Speicherhierarchie, wobei die Spiegel-RAID-Bereiche ähnlich einem
Cache für
die Paritäts-RAID-Bereiche
agieren. Nachdem Daten von einem Paritäts-RAID-Bereich zu einem Spiegel-RAID-Bereich bewegt
wurden, steht der Raum, den sie einst in dem Paritäts-RAID-Bereich
einnahmen, für
eine Speicherung anderer Daten zur Verfügung. Das RAID-Verwaltungssystem 16 verschiebt und
organisiert die Daten zwischen dem Spiegel- und dem Paritäts-RAID-Bereich
gemäß einem
definierten Leistungsfähigkeitsprotokoll,
und verwaltet die Daten ansonsten auf ebensolche Weise. Der Vorgang
des Bewegens von Daten zwischen dem Spiegel- und dem Paritäts-RAID-Bereich
wird als „Migration" bezeichnet.
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Das
Datenspeichersystem 10 platziert die kritischeren Daten
in die Spiegel-RAID-Bereiche, da dies die höchste Leistungsfähigkeit
und Zuverlässigkeit
liefert. Die Leistungsfähigkeitsprotokolle,
die durch das RAID-Verwaltungssystem 16 implementiert sind,
umfassen eine von zwei bevorzugten Migrationsrichtlinien. Gemäß der ersten
Migrationsrichtlinie, die als „Zugriffshäufigkeit" bekannt ist, werden die
Daten in dem hierarchischen Plattenarray, auf die am häufigsten
zugegriffen wird, in dem Spiegel-RAID-Bereich 18 beibehalten.
Daten, auf die weniger häufig
zugegriffen wird, werden in dem Paritäts-RAID-Bereich 22 gehalten.
Gemäß einer
zweiten Migrationsrichtlinie, die als „Zugriffsaktualität" bekannt ist, werden
die Daten, deren Zugriff am wenigsten lange zurückliegt, in dem Spiegel-RAID-Bereich 18 beibehalten,
während
diejenigen Daten, auf die vor längerer
Zeit zugegriffen wurde, in dem Paritäts-RAID-Bereich 22 gespeichert
werden. Es können
auch andere Leistungsfähigkeitsprotokolle
verwendet werden. Idealerweise sind solche Protokolle auf der Basis
der spezifischen Computeranwendung und der Erfordernisse des Benutzers
definiert.
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Auf
diese Weise „stimmt" das RAID-Verwaltungssystem 16 die
Speicherressourcen eines Datenspeichersystems gemäß den Anwendungs-
bzw. Benutzeranforderungen effektiv „ab". Bei einer Anwendung, die eine hohe
Leistungsfähigkeit
und Zuverlässigkeit
erfordert, kann das RAID-Verwaltungssystem beispielsweise einen
proportional größeren Spiegel-RAID-Bereich erzeugen
und definieren, wodurch ein größerer Umfang
an physischer Speicherkapazität
der Spiegelredundanz gewidmet wird, im Vergleich zu dem Paritäts-RAID-Bereich.
Umgekehrt kann das RAID-Verwaltungssystem bei einer Anwendung, bei
der die Kosten im Vordergrund stehen und bei der der Leistungsfähigkeit
oder Zuverlässigkeit weniger
Bedeutung beigemessen wird, einen im Vergleich zu dem Spiegel-RAID-Bereich proportional größeren Paritäts-RAID-Bereich
einrichten. Dementsprechend liefert das Datenspeichersystem dieser Erfindung
eine maximale Flexibilität
und Anpassung.
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4 veranschaulicht
ein Speicherabbilden des verfügbaren
Speicherplatzes des Datenspeichersystems 10 als mehrere
Lagen eines abgebildeten virtuellen Speicherplatzes. Jedes vertikal
verlängerte
Rechteck in dem Diagramm stellt eine Ansicht des physischen Speicherplatzes
dar. Bei diesem Diagramm wird auf den physischen Speicherplatz 34 durch
zwei virtuelle Speicheransichten 40 und 50 Bezug
genommen. Der physische Speicherplatz 34 wird durch vier
Platten (z. B. Platten 12 in 1) dargestellt,
die durch die Bezugszeichen 0, 1, 2 und 3 benannt sind. Die den
Platten zugeordneten vier Rechtecke stellen eine Ansicht des physischen
Speicherplatzes dar, bei der die Platten 1, 2 und 3 eine ungefähr gleiche
Speicherkapazität
aufweisen und die Platte 0 eine etwas geringere Speicherkapazität aufweist.
Der Speicherplatz 34 ist in Bereiche A0, A1, A2 usw. unterteilt.
Einzelne Bereiche enthalten zahlreiche Streifen, z. B. Streifen
O–Q in
jedem Bereich A0. Einzelne Bereiche enthalten ferner zahlreiche
Regionen 35. Die Regionen 35 bestehen vorzugsweise
aus einer ausgewählten
Anzahl von eine einheitliche Größe aufweisenden
Segmenten auf jeder Speicherplatte, sodass die Regionen über das
gesamte Plattenarray eine gleiche Größe aufweisen.
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Der
Speicherplatz der Platten wird in eine virtuelle erste bzw. Zwischenansicht 40 der
RAID-Ebene des physischen Speicherplatzes 34 abgebildet. Diese
erste virtuelle Ansicht ist vom Konzept her ein Satz von RAID-Bereichen,
der, wenn er durch den Benutzer oder das Host-Anwendungsprogramm
betrachtet wird, einen großen
Speicherplatz darstellt, der den gesamten Speicherplatz auf den
Platten 0, 1, 2 und 3 angibt. Dementsprechend ist die Höhe des Rechtecks
in den RAID-Bereichen höher
als die der Platten gezeigt.
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Der
RAID-Bereich-Speicherplatz 40 ist die Speicheransicht,
die den Spiegel- und Paritätsspeicherplatz
identifiziert. Beispielsweise kann ein RAID-Bereich 42 einen
Spiegel-RAID-Bereich
von M Blöcken 43 darstellen,
während
der RAID-Bereich 44 einen
Paritäts-RAID-Bereich
von N Blöcken 45 darstellen
kann. Diese RAID-Bereiche beziehen sich auf entsprechende physische
Bereiche A0, A1, A2 usw. auf dem physischen Speicherplatz 34.
Die Spiegel- und Paritäts-RAID-Bereiche können den
gesamten Speicherplatz 34 des Plattenarrays einnehmen,
müssen
aber nicht. Dementsprechend kann während bestimmter Anwendungen
ein unbenutzter und unbezeichneter Speicherplatz vorliegen, der
keinem bestimmten RAID-Bereich entspricht. Ein solcher Speicherplatz
kann jedoch in einen Spiegel- oder Paritäts-RAID-Bereich umgewandelt
werden.
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Der
in den RAID-Bereichen verfügbare
Speicherplatz wird in eine virtuelle zweite oder vordere Ansicht 50 abgebildet,
die eine Speicheransicht ist, dem Benutzer oder dem Host-Anwendungsprogramm
präsentiert
wird. Bei einer Betrachtung durch den Benutzer oder das Host-Anwendungsprogramm stellt
die zweite virtuelle Ansicht 50 auch eine einzige große Speicherkapazität dar, die
den verfügbaren Speicherplatz
auf den Speicherplatten 12 angibt. Der virtuelle Speicherplatz 50 präsentiert
eine Ansicht eines linearen Satzes von gleich großen Speicherblöcken 52 und 53,
die einzeln als 0, 1, 2, ... J – 1,
J, J + 1, ..., L – 1,
L, L + 1, ..., usw. bezeichnet werden. Der virtuelle Blockspeicherplatz 50 wird
in der durch die RAID-Bereiche 40 dargestellten Ansicht
durch eine Tabelle von Bezugnahmen oder Zeigern auf Speicherblöcke dargestellt
(wie durch Pfeile 54 dargestellt ist). Es gibt mindestens
zwei RAID-Bereiche, auf die von der Virtuelle-Blöcke-Tabelle
verwiesen werden kann, so dass sowohl Spiegel- als auch Paritätsspeicherbereiche
zur Verfügung
stehen. Vorzugsweise ist die Speicherkapazität der RAID-Bereiche 40 in Blöcke derselben
Größe wie die
der Ansicht des virtuellen Blockes eines Speicherplatzes unterteilt.
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Das
RAID-Verwaltungssystem 16 kann die Konfiguration der RAID-Bereiche
dynamisch verändern.
Die RAID-Bereiche können
je nach den zu einem bestimmten Zeitpunkt herrschenden Datenzuverlässigkeitsanforderungen
vergrößert oder
verkleinert werden. Folglich befinden sich das Abbilden der RAID- Bereiche in der ersten
virtuellen Ansicht 40 auf die Platten und das Abbilden
der vorderen virtuellen Ansicht 50 auf die RAID-Ansicht 40 allgemein
in einem Veränderungszuständ. Der
Speicherabbildungsspeicher in den NVRAMs 21a und 21b (1) behält die aktuellen
Abbildungsinformationen bei, die durch das RAID-Verwaltungssystem 16 verwendet werden,
um die RAID-Bereiche auf die Platten abzubilden, und behält die Informationen
bei, die verwendet werden, um zwischen die zwei virtuellen Ansichten
abzubilden. Während
das RAID-Verwaltungssystem
die Abbildungen der RAID-Ebene dynamisch verändert, aktualisiert es auch
die Abbildungsinformationen in dem Speicherabbildungsspeicher 21,
um die Veränderungen
zu reflektieren.
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Die
Migrationsoperation des Datenspeichersystems 10 ist in
der gleichzeitig anhängigen U.S.-Patentanmeldung
Seriennummer 08/108, 137, die am 19. August 1993 eingereicht und
ebenfalls Hewlett-Packard zugewiesen wurde, ausführlicher beschrieben.
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Die
Verfahren zum Maximieren der Nutzung einer Speicherkapazität in einem
heterogenen hierarchischen Plattenarray werden nun unter Bezugnahme
auf 5–8 beschrieben.
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5 und 6 zeigen
ein erstes Verfahren zum vollständigen
Ausnutzen einer Speicherkapazität
in einem heterogenen Plattenarray. Dieses Verfahren verwendet eine
Regel, die besagt, dass zumindest zwei Speicherplatten der größten Kapazität in der
Plattenarraykonfiguration vorliegen sollen. Somit besteht der erste
Schritt 100 darin, das Plattenarray mit zwei oder mehreren
Speicherplatten mit gleicher Kapazität, die die Speicherkapazität der verbleibenden
Platten in dem Array übersteigt,
zu konfigurieren. Hier ist ein heterogenes Plattenarray von ungleichartigen
Platten 0–4
konfiguriert, um zwei große Speicherplatten
1 und 4, die dieselbe Kapazität
aufweisen, zu umfassen. Diese Kapazität ist größer als die Speicherkapazitäten der
anderen Platten 0, 2 und 3.
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Bei
Schritt 102 werden die Speicherplatten 0–4 zu mehreren
Regionen segmentiert, die allgemein durch das Bezugszeichen 35 bezeichnet
werden. Die Regionen 35 weisen in den gesamten Plattenarray
vorzugsweise eine gleiche Größe auf und bestehen
aus einem oder mehreren Segmenten gleicher Größe (siehe 4).
Die RAID-Bereiche A0–A4 usw.
werden anschließend
aus benachbarten Regionen auf mehreren Speicherplatten gebildet
(Schritt 104). „Benachbarte
Regionen" sind Regionen,
die die physikalischen Speicherräume
auf unterschiedlichen Platten, die alle dieselbe physikalische Adresse
aufweisen, darstellen. Beispielsweise umfassen RAID-Bereiche A3, A4 usw.
jeweils eine Region von allen fünf
Speicherplatten 0–4
an derselben physikalischen Adresse auf jeder Platte; RAID-Bereich
A2 umfasst eine Region von vier Speicherplatten 0, 1, 3 und 4; und
RAID-Bereiche A0 und A1 umfassen jeweils eine Region der Platte
1 und 4.
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Bei
Schritt 106 werden die RAID-Bereiche A0–A4 in eine virtuelle Ansicht
eines einzelnen Volumens abgebildet, wie oben bei 4 beschrieben wurde.
Somit nutzt das Verfahren dieser Erfindung den gesamten Speicherraum
in dem heterogenen Plattenarray, ohne das Array dem Hostcomputer
gegenüber
als unabhängige
Volumina charakterisieren zu müssen.
Statt dessen kann das gesamte heterogene Array als einzelnes Volumen
präsentiert
werden. Anschließend
werden Daten gemäß ausgewählten RAID-Ebenen,
z. B. RAID-Ebene 1 und/oder RAID-Ebene
5, in den benachbarten RAID-Bereichen (wie sie durch die linearen
horizontalen Pfeile dargestellt sind) gespeichert (Schritt 108).
Jeder RAID-Bereich speichert einige redundante Daten.
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Dieses
Verfahren ist insofern vorteilhaft, als es eine Nutzung des gesamten
Speicherraums auf allen Speicherplatten in dem heterogenen Plattenarray
eines einzelnen Volumens ermöglicht.
Um diesen Punkt zu veranschaulichen, kann der kombinierte Speicherraum
der RAID-Bereiche A3, A4 usw. als Satz 0 definiert werden. Der Speicherraum
in dem Satz 0 ist äquivalent
zu der Menge an Speicherraum, die heterogene Plattenarrays des Standes
der Technik zur Verfügung
stellten. Bei bekannten Arrays wurde jedoch jede Plattenkapazität, die über die
Platte mit der kleinsten Kapazität
(d. h. Platte 2) hinausging, nicht genutzt, es sei denn, der Entwurf
griff auf den komplexeren Entwurf, zahlreiche Speichervolumina zu
präsentieren,
zurück.
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Gemäß den Techniken
dieser Erfindung wird jedoch die zusätzliche Kapazität der Platten
0, 1, 3 und 4 genutzt. Der RAID-Bereich A2 umfasst eine Region von
den Speicherplatten 0, 1, 3 und 4, wodurch ein zusätzlicher
Speicherraum des Satzes 1 definiert wird, der aus vier Platten besteht.
Die RAID-Bereiche A0 und A1 umfassen jeweils eine Region von den
Platten 1 und 4, wobei dieser summierte Raum Satz 2 eines zusätzlichen
Speicherraums definiert. Somit ermöglicht das Verfahren dieser
Erfindung eine vollständige
Nutzung des gesamten Plattenraums in allen Platten 0–4, wodurch
die Speichernutzung gegenüber
dem Stand der Technik um den gesamten Raum in den Sätzen 1 und
2 verbessert wird.
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Es
ist anzumerken, dass Daten in den Sätzen 0 und 1 (d. h. RAID-Bereichen
A2, A3, A4 usw.) gemäß entweder
der RAID-Ebene 1
oder der RAID-Ebene 5 gespeichert werden können. Diese RAID-Bereiche enthalten
benachbarte Regionen von drei oder mehr Speicherplatten, wodurch
die Paritätsspeicherung
möglich
wird. Daten werden in dem Satz 2 (d. h. RAID-Bereiche A0–A1) gemäß der RAID-Ebene 1 oder Spiegelredundanz
gespeichert. Eine Platte wird verwendet, um die ursprünglichen Daten
zu speichern, und die andere Platte wird verwendet, um die redundanten
Daten zu speichern. Übrigens
kann dieselbe Spiegelredundanz unter Verwendung der RAID-Ebene 5 in dem aus
zwei Platten bestehenden Satz bewerkstelligt werden. Eine Platte wird
verwendet, um die ursprünglichen
Daten zu speichern, die andere Platte wird verwendet, um die Paritätsdaten
zu speichern. Die Paritätsdaten
erweisen sich als identisch mit den ursprünglichen Daten und spiegeln
somit auf effektive Weise die ursprünglichen Daten.
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Das
Verfahren dieser Erfindung nutzt die Speicherkapazität eines
heterogenen Plattenarrays vollständig.
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Das
Verfahren dieser Erfindung weist den zusätzlichen Vorteil auf, dass
es die Flexibilität
und Anpassbarkeit an neuere Platten einer noch größeren Kapazität fördert. Wenn
bei einer vorhandenen Plattenarraykonfiguration eine maximale Kapazität erreicht
wird, können
ohne weiteres eine oder mehrere Speicherplatten einer größeren Kapazität integriert werden,
ohne dass man Angst haben müsste,
den überschüssigen neuen
Raum nicht vollständig
zu nutzen. Die hierin beschriebenen Techniken ermöglichen,
dass das Plattenarray neu konfiguriert wird, um den gesamten Raum
auf allen Speicherplatten in dem Array zu nutzen.
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Das
Verfahren dieser Erfindung ist insofern vorteilhaft, als es eine
vollständige
Nutzung von Speicherplatten unterschiedlicher Kapazität in einem
heterogenen hierarchischen Plattenarray ermöglicht. Die Erfindung erzielt
dies, ohne die Speicherplatten als mehrere Speichervolumina zu präsentieren,
sondern präsentiert
sie dem Hostcomputersystem statt dessen als ein einzelnes Volumen.