JP2007533012A - データ格納のための情報処理と輸送アーキテクチャ - Google Patents
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Abstract
Description
一般には、本発明の実施は、ECL(Effective Cross Layer)に関するもので、このECLは、ネットワーク・ストレージの高効率な情報格納、処理およびコミュニケーションを実現する。ECLの一実施例は、図1に示すように、インターネット上でのデータ・コミュニケーションに最近使用されているいくつかの他のプロトコルを組み合わせたものである。ECLによって処理される情報は、図8に示す量子と呼ばれる固定のデータユニットサイズにフォーマット化される。ECLと量子データ処理との組み合わせは、データ処理時間の短縮化と処理能力の向上に導く。
背景として、従来の層構造のプロトコルは、各層でのプロトコルデータユニット(PDU)の可変サイズが認められていた。より上位層のPDUは、下位層に入り通過することができた。通過の際、より下位の層は、上位層のPDUを寸断することができた。寸断された各PDUは、各々のプロトコルのヘッダに追加される。CRC(巡回冗長チェック)は、エラーチェックの目的でトレーラ(trailer)に追加される。ヘッダ、寸断されたPDU、およびトレーラは、一緒になって下位層のPDUを形成する。寸断されたPDUを、ヘッダおよびトレーラによって包むことを、カプセル化と呼ぶ。この寸断とカプセル化の処理は、下位層のPDUが、プロトコル・スタックの次の下位層に入り通過する度に、繰り返される。
SCSIのようなデータ伝送、次世代標準暗号化方式(AES)のような暗号化、およびRAIDのようなコード化による信頼性は、ブロック単位で順応する。本発明において、有利なことに、好ましい実施では、これらの機能のデータユニットのブロックサイズを統一している。さらに、これらの機能は、プロトコル層を横断してコピーすること無く、中央にて実行することができる。
本発明による「効果的に交差する層」の実施例を、図3Bに示す。「効果的に交差する層(ECL)」は、以下の機能性を含むヘッダを使用する。ヘッダには、iSCSI、遠隔直接メモリアクセス(RDMA)、直接データ配置(DDP)、TCP(MPA)の骨組み用に調整されたマーカPDU、および伝送制御用プロトコル(TCP)・メカニズムの機能が含まれる。「効果的に交差する層」内のいくつかの機能は、以下のように設定される。
1)iSCSI機能:「効果的に交差する層」は、iSCSIの機能の大部分を保有する。読み出し、書き込み用の情報、およびEDUの長さは維持される。
2)コピー回避:iWARPパッケージソフト内のコピー回避機能は、DDPとRDMAとのプロトコルによって実行される。DDPプロトコルは、カーネルのコピー(TCP/IPに関するコピー)無しで、アプリケーションバッファに直接設定できるように、伝送用ペイロードのバッファアドレスを特定する。RDMAは、アプリケーションに対して、リード・ライト動作を連絡する。RDMAのリード・ライト指示動作は、iSCSIのヘッダで規定される。ECLのヘッダは、またバッファアドレス情報を提供する。
3)ECLの輸送機能:ECLのヘッダは、また輸送用ヘッダとして機能する。
4)セキュリティへの配慮:キー・サーバからキーへのアクセス権を有するクライアントのみが、検索データを解読できる。セキュリティは、TCP層の下位にあるIPSecを使用する代わりに、高い層の機能として考慮される。
ストレージ用プロトコルの層を横断して発生するエラーのチェックの共同処理に使用される、量子データ格納(QDS)の実例の好ましい方法を図8に示す。この図について、手っ取り早く簡潔に説明する。CRCトレーラは、たびたび関連するヘッダに挿入することができる。複数の層を横断して固定サイズのデータユニットを使用することは、コピー・ゼロのメカニズムに基づき、当該データユニットを一箇所のメモリ装置に格納することである。このことは、複数層のストレージ用プロトコルのためにその場でのエラーチェック機能を可能にする。この交差する層に適した処理は、交差する層のエラーチェック処理に関わる下記技術革新に一体化しており、エラーチェック処理のために必要とされる計算を大幅に低減する結果が得られる。エラーチェック処理は、ストレージ用プロトコル処理の計算サイクルの最も大きな部分を、たびたび消費している。
Cg=(Hg2n+Pi)modDg.
上記の式において、nはデータPiの長さを示す。「ヘッダ+データ」の剰余数を、除数Dgによるモジュロ演算により見つける。こうして、HgとPiとに添付する4バイトの剰余数Cgを生成し、HgPiCgの連結で表されるGBE層のPDUを形成する。数式で表現すると、下記の式を得る。
Pg=Hg2n+32+Pi232+Cg.
受信側のGBE層のNICにおいて、NIC内部のハードウェアは、PgmodDgの剰余数を計算する。GBE層のPDUで、エラーが発生していないとき、PgmodDg=0を得る。PgmodDg≠0のとき、エラーが検出され、GBE層のPDUは廃棄される。この結果、受信側のGBE層のNICは、送信側のGBE層に、廃棄したGBE層のPDUを再送信することを要求する。
Pi,original=Hi2m+32+P 232+Ci.
この式において、m=1024×8を得ることができ、この数はビットにおける量子のサイズである。CRCチェックは、下記の式となる。
Ci=(Hi2m+P )modDi.
端末から端末へのルーティングの過程において、Pi≠Pi,originalの結果として、データ破損を知ることができる。iSCSIにおいても、CRCエラーチェック機能はPimodDi≠0となる結果を得る。
(Hg2n+32+Cg)modD=[(HgmodD)×(2n+32modD)+Cg]modD.
上記の式の右側は、非常に長い除算(>1024B)を非常に短い(数十バイト内に)除算と乗算とに簡単化する。この計算は、ホスト計算機で容易に処理することができる。
本発明による一実施例は、改良したQDS用伝送プロトコルを利用する。このQDSは、望ましいことに、TCPの信頼性とUDPの高スループットを実現する。この実施例では、改良した比率ベースのフロー制御を使用しており、このフロー制御は、長距離間でのアプリケーションでの高スループットに、より適した方法である。さらに、この実施例では、データ破損または損失パケットの再送信のために、選択可能なリピートのアプローチ法を使用する。
TCPのウィンドウ型フロー制御は、データ量を認知すること無く、送信データの任意のウィンドウ量を許容する。ウィンドウ・サイズは、ネットワークの輻輳状態に順応する。要求される高スループットや長時間の伝送遅れに対応して、送信側のデータ量は、大きくすることができる。ウィンドウ・サイズに適合させるため、TCP動作時の大部分は、開始遅れおよび輻輳回避の方法を使用する。送信側は、徐々にウィンドウ・サイズを大きくする。輻輳が検出されたとき、しばしばウィンドウ・サイズを半分まで縮小する。輻輳が持続するとき、ウィンドウ・サイズを、等比級数的に縮小させる。
一例として、最大のバーストまたは4MBのウィンドウ・サイズおよび1KBの量子サイズを仮定すると、バースト内の各量子は1バースト当り4096量子以下なので、12ビットでアドレス指定することができる。これが、量子アドレスとなる。16MBの最大バースト・サイズを標準のiSCSIとして採用すると、このとき14ビットの量子アドレスが使用できる。
バースト・サイズは、通常のTCPウィンドウ・サイズに比較して、一般的には大きい。従って、追加するフロー制御メカニズムは、ネットワークの輻輳を処理することが必要となる。フロー制御のバージョン版は、端末と端末との間の経路内で、最も遅延してかつ最も輻輳しているリンク箇所に適用するために、情報源の送信比率を規制する。高速ストリームのパケットを送信したとき、遅いリンクは、送信の流れを低下させることになる。受信端におけるパケットの到着時間間隔は、最も遅いリンクで利用できる処理能力の良い指標となる。送信側は、受信側で測定された平均到着時間間隔よりも大きい時間間隔Tで、連続して送信するべきである。到着時間間隔の分散も、また経路品質の指標になり、小さな分散が望ましい。大きな分散は、確実に到着時間間隔Tを増大させる可能性がある。
RAIDは、データの信頼性を促進させる。ディスク故障に対する保護を、冗長的なコード化および配列ディスクへの格納データの分散化により、実行している。配列ディスクに格納されたデータの冗長的なコード化によって実現されている信頼性に加えて、RAIDは、より高速な並列データ格納および分散化(データ)による検索を可能にしている。
本発明によるネットワーク化されたRAIDの技術を、図6に示す。図6は、パリティの形成方法およびディスク故障の修正方法を示す。第1のステップとして、暗号化したn個の量子x=(x1,x2,…,xn)のバスケットが提供される。これらの量子は、バスケットy=(y1,y2,…,ym)へとコード化される。コード化された量子yiは、図6(a)のパリティの図で示すように、量子xiの数のビット単位の排他的論理和によって形成される。計算を簡単にするため、図に示すパリティはわずかにしてある。
本発明の実施例は、新規で改良されたコードを使用する。このコードは、陰陽コードと呼ばれ、とりわけ、消去処理を取り扱う。名前が示唆するように、陰陽部分は、原型のデータ(陽のコピー)と負のイメージ(陰のコピー)から成る。図7に示すように、陽のデータは、4つのディスク内の系統的データであり、例えば、x1,x2,x3,x4である。次のステップで、下記の式で示すデータのパリティが計算される。
陰陽コードについては説明したので、QDSのためのRAIDのプロトコルの特徴について説明する。
Claims (37)
- 通信システムにおいて、データを送信する方法において、
クライアント装置は、ネットワーク媒体を介して、データパケットをストレージ・ターゲットと送受信し、ネットワーク層を通過させてデータを送信することが、アドレスすることとデータを参照することを含む方法であって、
前記データをデータブロックにカプセル化すること、
前記ネットワーク媒体を介して、前記データブロックを送信すること、
前記データブロックを処理すること、および
前記データブロックを前記ストレージ・ターゲットに格納することを包含し、
ここに、前記データブロックは、前記データブロックで格納するために、カプセル化からの同一サイズを維持し、これによりネットワーク層を通過するデータのアドレスすることと参照することを単純化し、そして、通信システムでのデータ送信機能を向上させる方法。 - 前記データブロックをネットワーク接続するステップをさらに含む請求項1に記載の方法。
- 前記格納するステップが、
前記ストレージ・ターゲットのメモリ・ロケーションに、前記データブロックを格納すること、
1つの層から別の層へデータをコピーすることなく、データのネットワーク・ストレージ用プロトコルの複数の層を共同で処理すること、をさらに含む請求項1に記載の方法。 - 前記同一サイズのデータブロックを処理するステップが、エラー制御処理を含む請求項1に記載の方法。
- 前記エラー制御処理が、SNACK(Selective Negative Acknowledgment)エラー処理を使用する請求項4に記載の方法。
- 前記データブロックを処理するステップが、前記ストレージ・ターゲットに前記データブロックを格納する前に、前記データブロックを暗号化することを含む請求項1に記載の方法。
- 前記処理ステップが、前記データブロックに巡回冗長コード(CRC)チェックを実行することをさらに含み、CRCチェックが、検証されたCRCデータに結果をもたらす請求項6に記載の方法。
- 前記検証されたCRCデータが、前記データブロックと一緒に、前記ストレージ・ターゲットに格納される請求項7に記載の方法。
- 前記処理ステップが、エラーのために、1つ以上のプロトコル層を共同で処理することを含む請求項1に記載の方法。
- 前記処理ステップが、コード化処理を含み、該コード化処理において、
データブロックのグループは、該データブロックの原型データのコピーとして、分離したメモリ・ディスクに格納され、
該データブロックのグループに属するデータの陰性イメージのコピーは、分離したメモリ・ディスクの別の組に格納される請求項1に記載の方法。 - グループ内における各ブロックの陰性イメージのコピーは、当該ブロック以外のグループ内にあるすべてのブロックの排他的論理和の合計である請求項10に記載の方法。
- 前記データブロックを処理するステップが、原型データと陰性イメージとのRAID(Redundant Array of Inexpensive Disks)コードを計算することを含み、これにより、前記通信システムにおけるデータ送信機能を向上させる請求項1に記載の方法。
- ネットワーク内でのデータ格納方法であって、通信システムにおいてデータを処理、送信および格納することを含み、
ネットワーク・ストレージ用プロトコルの複数層を横断するデータブロックのために、共通の固定サイズのデータブロックを使用して、少なくとも1つのクライアント装置と少なくとも1つのデータストレージ・ターゲットとの間で、ネットワーク媒体を介して、データを交換する方法。 - 前記データブロックが、量子データユニット(quantum data unit)である請求項13に記載の方法。
- プロトコルの1つの層からプロトコルの別の層へ前記データブロックをコピーすることなく、共通アドレスと参照とを使用して、ネットワーク・ストレージ用プロトコルの複数層によって処理される最終システムのメモリ・ロケーションにデータを格納する請求項13に記載の方法。
- 前記固定サイズのデータブロックを処理するステップが、少なくとも1つのクライアント装置で各ブロックのデータを暗号化すること、および前記ターゲットに前記データブロックを格納すること、を含む請求項13に記載の方法。
- 前記ターゲットが、前記データブロックを解読しない請求項16に記載の方法。
- 前記処理ステップが、少なくとも1つのクライアント装置で、前記データブロックを解読することをさらに含む請求項17に記載の方法。
- 前記処理ステップが、ストレージ用プロトコルの複数層のために、共同のエラー検出を実行することを含む請求項13に記載の方法。
- 前記エラー検出を実行するステップが、事前計算、ヘッダおよびトレーラからなるグループによる計算をすることにより、ストレージ用プロトコルの上位層でエラー検出することを、さらに含む請求項19に記載の方法。
- 前記送信するステップが、エラー時再送信処理、検出エラー付きの同一サイズのデータブロックの再送信処理、および、送信または上位プロトコル層から得られた再送信されたデータブロックを合成する処理を含む請求項13に記載の方法。
- 前記エラー送信処理がSNACK(Selective Negative Acknowledgment)を使用する請求項21に記載の方法。
- 前記処理ステップは、原型のデータブロックの右回りの排他的論理和によって生成される固定サイズの冗長ブロックと一緒に固定サイズのデータブロックを使用して、ディスクまたは送信での失敗をエラー訂正する処理を含み、そして前記データブロックおよび冗長ブロックを、分離したストレージ用ディスクに格納する請求項13に記載の方法。
- 前記冗長ブロックは、第1のコピーが1つ以上の固定サイズのデータブロックを含むコード化処理によって生成され、および、一つ以上の同一サイズのデータブロックの各冗長ブロックは、該データブロック以外の1つ以上のすべての排他的論理和の合計である請求項23に記載の方法。
- 各ブロックの冗長コピーは、すべてのブロックのパリティと一緒に当該ブロックの排他的論理和の数学的等式によって生成される請求項24に記載の方法。
- 前記すべてのブロックのパリティは、すべてのブロックのブロック単位の排他的論理和である請求項25に記載の方法。
- 前記処理ステップは、ネットワーク・ストレージ用プロトコルの層を横断してデータをコピーすること無く、1つのメモリ・ロケーションで実行される請求項13に記載の方法。
- ネットワークを横断してデータの格納を実行する装置は、
少なくとも1つのストレージ装置、
通信媒体を介して、前記少なくとも1つのストレージ装置と通信状態にあるクライアント装置であって、前記少なくとも1つのストレージ装置と通信するためのネットワークプロトコルを使用できるクライアント装置、および
データを共通の固定サイズのデータユニットに処理し、該データユニットを前記少なくとも1つのストレージ装置に送信するために、前記クライアント装置と協働するロジックと、を具備する装置。 - 前記データユニットは、ストレージ用プロトコルの複数層の全域で固定サイズを維持する請求項28に記載の装置。
- 前記ロジックは、前記データユニットにCRCチェックを実行し、CRCチェックが前記データユニットを検証した後で、CRCレーラを各データユニットに追加する請求項29に記載の装置。
- データ処理システムは、
データ処理手段、
ネットワーク媒体を介して、前記データ処理手段と通信する少なくとも1つのデータ格納手段、および
前記データユニットを少なくとも1つのストレージ装置から送信するとき、および前記データユニットを少なくとも1つのデータストレージ・ネットワークから受信するとき、データを、ネットワークプロトコルの複数層の全域で共通サイズを維持するような共通サイズのデータユニットに処理する手段、を具備するシステム。 - エラー制御処理手段をさらに含む請求項31に記載のシステム。
- データ検証手段をさらに含む請求項31に記載のシステム。
- データのコード化手段をさらに含む請求項31に記載のシステム。
- 1つ以上のストレージ装置に、冗長データを準備し格納する手段をさらに含む請求項31に記載のシステム。
- データ暗号化手段をさらに含む請求項31に記載のシステム。
- 複数の計算機媒体の1つにおいて、請求項1〜27のいずれか1項に記載の方法を実現する計算機コード。
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