JP5102776B2 - ストレージアレイにおける三重故障からの効率的な復旧を可能にする三重パリティ技術 - Google Patents
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Description
本発明は、ストレージシステムのアレイに関し、より具体的には、ストレージアレイの任意の3つの記憶装置の故障を効率的に復元する技術に関する。
ストレージシステムは通常、要求に応じてデータを出し入れすることが可能な1以上の記憶装置を含む。ストレージシステムは、種々のストレージアーキテクチャにしたがって実施され、限定はしないが、例えば、ネットワーク・アタッチド・ストレージ環境、ストレージ・エリア・ネットワーク、あるいは、クライアント、若しくはホストコンピュータに直接取り付けられたディスクアセンブリのような種々のストレージアーキテクチャにしたがって実施される。記憶装置は通常、ディスクドライブであり、ここで言う「ディスク」という用語は一般に、内蔵型の回転式磁気媒体記憶装置を意味する。この文脈において「ディスク」という用語とは、ハードディスクドライブ(HDD)やダイレクト・アクセス・ストレージ・デバイス(DASD)と同義である。
本発明は、アレイ内の最大3つまでの記憶装置の同時故障からの効率的復旧が可能であるように構成されたストレージアレイに対し、パリティ計算のオーバヘッドを低減する三重パリティ(TP)技術を含む。このTP技術は、好ましくは、複数のデータディスク、1つの行パリティディスク、1つの対角パリティディスク、及び1つの反対角パリティディスクを含むn個のディスクのような記憶装置を含むアレイにおいて実施される。ただし、pを素数として、数n=p+2である。ディスクは、複数のブロックに分割され、ブロックは複数のストライプに編成される。ただし、各ストライプは、n−3(又は、p−1)行を含む。
A.ストレージシステム環境
図2は、本発明とともに有利に使用されるストレージシステム220を含む環境200を示す略ブロック図である。本明細書に記載する本発明の技術は、ストレージシステム200として実施され、又はストレージシステム200を含む形で実施されるスタンドアロンのコンピュータ、又はその一部を含む、いかなるタイプのコンピュータにも適用することができ、特殊な用途のコンピュータ(例えばファイルサーバ、又はファイラ)にも、汎用コンピュータにも適用することができる。また、本明細書の教示は、限定はしないが、ネットワーク・アタッチド・ストレージ環境、ストレージ・エリア・ネットワーク、あるいは、クライアント若しくはホストコンピュータに直接取り付けられたディスクアセンブリを含む、種々のストレージシステムアーキテクチャに適合する。したがって、「ストレージシステム」という用語は、記憶機能を実施するように構成され、他の装置、又はシステムに関連する何らかのサブシステムだけでなく、そうした構成も含むものとして広い意味で解釈しなければならない。
例えば、対角パリティと反対角パリティはアレイ上で直交する傾きを有し、例えば、対角パリティが傾き1を有するのに対し、反対角パリティは傾き−1を有する。各ストライプにおいて、そのストライプ中の(反)対角パリティ装置以外の記憶装置からそれぞれ、1つのブロックが選択される。このブロックの集合は「行」と呼ばれる。行内の1つのブロックは、その行のパリティ(行パリティ)を保持するために選択され、残りのブロックはデータを保持する。行の形成は、ストライプ中の対角パリティ装置、又は反対角パリティ装置上にないブロックが全て、ちょうど1行に割り当てられるまで継続される。全部でn−3行になる。
ディスクに対するアクセスを容易にするために、ストレージオペレーティングシステム300は、仮想化モジュールと協働するwrite−anyshereファイルシステムを実施し、ディスクによって提供される記憶空間を「仮想化」する。ファイルシステムは、情報を名前付きディレクトリ、及びファイルオブジェクト(以後、「ディレクトリ」、及び「ファイル」)の階層構造としてディスク上に論理編成する。「ディスク上」の各ファイルは、データのような情報を格納するように構成されたディスクブロックの集合として実施される一方、ディレクトリは、特殊フォーマットのファイルとして実施され、その中に、名前や、他のファイル、及びディレクトリへのリンクが格納される。仮想化システムによれば、ファイルシステムは、情報を名前付きvdiskの階層構造としてディスク上にさらに論理編成することが可能となり、それによって、NASシステムとSANシステムの統合アプローチ提供し、ファイルやディレクトリに対するアクセスにはファイルベースのアクセス(NAS)を可能にする一方、ファイルベースのストレージプラットフォーム上のvdiskに対するアクセスには、ブロックベースのアクセス(SAN)を可能にする。
本発明は、アレイ内の最大3つまでの記憶装置の同時故障からの効率的な復旧が可能となるように構成された、ストレージアレイに関するパリティ計算のオーバヘッドを低減する三重パリティ(TP)技術を含む。TP技術は、好ましくは、pを素数として、p=n+2個のディスクのような記憶装置を含むアレイにおいて実施され、例えば、複数のデータディスク、1つの行パリティディスク、1つの対角パリティディスク、及び1つの反対角パリティディスクからなるアレイにおいて実施される。ディスクは複数のブロックに分割され、ブロックは複数のストライプに編成され、各ストライプが、n−3(すなわちp−1)行を含む。1つのストライプを形成するように選択された複数行のブロックは通常、各ディスク上で連続しているが、これは、本発明にとって必須ではない。対角パリティディスクは、アレイの対角パリティ集合(「対角」)に沿って計算されたパリティ情報を記憶する。1ストライプ中のブロックは、n−2本の対角に編成され、各対角は、データディスクと行パリティディスクからn−3個のブロックを含み、1つを除く全ての対角が、自己のパリティをブロックとして対角パリティディスク上に格納する。同様に、反対角パリティディスクは、アレイの反対角パリティ集合(「反対角」)に沿って計算されたパリティ情報を記憶する。特に、反対角は、対角に対して直交する傾きを有する。そのため、新規なTP技術によれば、一様なストライプ深さ、及びディスク3台分に相当するパリティ情報の量が得られる。ディスク3台分は、任意の3つのディスク故障からの復旧に必要となる最小量である。
図8は、本発明の新規なTP技術を使用するときに実施される適当な復元手順を判定する手順800のステップの詳細を示すフロー図である。上記のように、説明の都合上、「RAID4ディスク」は、データディスク、及び行パリティを意味するものとする。なお、データディスクと行パリティディスクは、RAID4構成以外の構成、例えばRAID5で構成される場合もある。手順800はステップ805から始まり、ステップ810へ進み、そこで、1以上のディスク故障が発生する。故障の原因には例えば、ディスクの完全な故障や、ディスクの一部に対するメディアエラーがある。ステップ815において、RAIDシステム340は、故障したディスクが1つであるか、2つであるか、それとも3つであるかを判定し、適当な復旧技術を使用して、故障したディスクの復旧を行う。故障したディスクが1つである場合、手順はステップ820へ分岐する。そこでシステムは、故障したディスクがRAID4ディスクであれば、従来の行パリティを使用してその失われたブロックを計算することにより、あるいは故障したディスクが(反)対角パリティディスクであれば、(反)対角パリティを計算することにより、その単一のディスクを復旧する。
ディスクを対角に割り当てるときに、行パリティディスクとデータディスクの間に区別はないので、(反)対角パリティ集合からの復元を処理するときに、行パリティディスクとデータディスクの違いは無視することができる。例えば、任意の2台のデータディスク、あるいは、任意の1つのデータディスクと行パリティディスクが故障したものと仮定する。あるパリティ集合中の失われたブロックを復元できるのは、そのパリティ集合を構成する残りのブロックが全て、利用可能である場合だけである。XORパリティのアーチファクトは、最初にデータを保持していたかパリティを保持していたかに関わらず、全てのブロックが数学的に等価である点にある。例えば、
アレイ内の1以上の記憶装置故障に応答し、適当な復元技術を判定するために、本発明は例えば、ストレージオペレーティングシステムのディスクストレージ層(RAIDシステム)において、マルチステップ・ステートマシンを実施する。具体的には、3つのRAID4ディスクが故障した場合、まず、「抜けている」対角パリティ、及び反対角パリティ、すなわち、先に格納されなかった対角パリティブロック、及び反対角パリティブロックを計算することにより、三重復元技術を実施する。次にRAIDシステムは、多数のクロスを生成することにより、故障したディスクのうちの中間の(すなわち、中間)ディスクに沿って、多数の4タプル和を計算する。その後、それらの4タプル和は、中間ディスク上の多数の二つ一組の和にまで低減される。生成された二つ一組の和は、解法可能な一組の一次方程式を形成する。中間ディスク上のデータは、例えば、この一組の方程式を解くことによって復元される。中間ディスク上の最初のブロックが復元された後、その解は他の方程式に代入され、これは、中間ディスク上の全てのブロックが復元されるまで継続される。中間ディスクが復元された後、次にシステムは、R−Dパリティ技術を実施し、残り2つのディスクを復旧する。
g=Y−X
h=Z−Y
Claims (34)
- ストレージアレイにおける記憶装置の3以下の同時故障からの復旧を可能にする方法であって、
データ、及び行パリティを格納するように構成された複数の第1の装置、対角パリティを格納するように構成された1つの対角パリティ装置、並びに反対角パリティを格納するように構成された反対角パリティ装置を含む所定数の記憶装置を備え、前記記憶装置の所定数nがp+2であり、pが素数であるアレイを用意するステップと、
各装置を複数のブロックに分割するステップと、
前記ブロックを各装置上の同数のブロックを含む複数のストライプに編成するステップであって、各ストライプがn−3行のブロックを含むように前記ブロックを編成するステップと、
前記複数の第1の装置にわたって規定される対角パリティ集合に沿って対角パリティを定義するステップであって、前記対角パリティ集合が、n−3行のグループの中で循環し、あるストライプの対角パリティ集合に属するブロックが全て、そのストライプに格納されるように、対角パリティを定義するステップと、
1つを除く全ての対角パリティ集合について、対角パリティを計算し、前記対角パリティ装置に格納するステップと、
前記複数の第1の装置にわたって規定される反対角パリティ集合に沿って反対角パリティを定義するステップであって、前記反対角パリティ集合が、n−3行のグループの中で循環し、あるストライプの反対角パリティ集合に属するブロックが全て、そのストライプに格納されるように、反対角パリティを定義するステップと、
1つを除く全ての反対角パリティ集合について、反対角パリティを計算し、前記反対角パリティ装置に格納するステップと
からなる方法。 - あるストライプ中の行パリティブロックが全て、単一の装置に格納される、請求項1に記載の方法。
- 前記第1の装置は複数のデータ装置を含み、前記データ装置は全て存在するのではなく、不在のデータ装置はゼロ値のデータを格納するものとして処理される、請求項1に記載の方法。
- 異なる装置内において、パリティブロックの位置が、装置ごとにシフトされる、請求項1に記載の方法。
- 前記ストライプのサイズは、2の乗数個のビットである、請求項1に記載の方法。
- ストレージアレイにおける記憶装置の3以下の同時故障からの復旧を可能にするように構成されたシステムであって、
データ、及びパリティを格納するように構成された複数の第1の装置、対角パリティを格納するように構成された1つの対角パリティ装置、並びに反対角パリティを格納するように構成された反対角パリティ装置を含む所定数の記憶装置を備え、前記記憶装置の所定数nがp+2であり、pが素数である前記ストレージアレイと、
(i)前記複数の第1の装置にわたって規定される対角パリティ集合に沿って対角パリティを計算し、(ii)1つを除く全ての対角パリティ集合について対角パリティを前記対角パリティ装置に格納し、(iii)前記複数の第1の装置にわたって規定される反対角パリティ集合に沿って反対角パリティを計算し、(iv)1つを除く全ての反対角パリティ集合について反対角パリティを前記反対角パリティ装置に格納する、三重パリティ(TP)技術を実施するように構成されたデバイスストレージ層を含むストレージオペレーティングシステムと、
前記ストレージオペレーティングシステムを実行することにより、前記TPパリティ技術にしたがって前記ストレージアレイに対する双方向のストレージアクセス操作を実施するように構成された処理要素と
からなるシステム。 - あるストライプ中の行パリティブロックが全て、単一の装置に格納される、請求項6に記載のシステム。
- 前記デバイスストレージ層はRAIDシステムであり、前記記憶装置はディスクである、請求項6に記載のシステム。
- 前記RAIDシステムは、各ディスクをさらに複数のブロックに分割し、該ブロックを複数のストライプに編成する、請求項8に記載のシステム。
- n=p+2として、各ストライプが、n−3行のブロックを含み、各行が、各ディスクから1つのブロックを有する、請求項9に記載のシステム。
- 前記装置は、ビデオテープ、磁気テープ、光学媒体、DVD、バブルメモリ、磁気ディスク、電気的ランダムアクセスメモリ、及びMEMSデバイスのうちのいずれかである、請求項6に記載のシステム。
- 前記第1の装置は複数のデータ装置を含み、前記データ装置は全て存在するのではなく、不在のデータ装置はゼロ値のデータを格納するものとして処理される、請求項6に記載のシステム。
- ストレージアレイにおける記憶装置の3以下の同時故障からの復旧を可能にする装置であって、
データ、及び行パリティを格納するように構成された複数の第1の装置、対角パリティを格納するように構成された1つの対角パリティ装置、並びに反対角パリティを格納するように構成された反対角パリティ装置を含む所定数の記憶装置を備え、前記記憶装置の所定数nがp+2であり、pが素数であるアレイを設ける手段と、
各装置を複数のブロックに分割する手段と、
前記複数の第1の装置にわたって規定される対角パリティ集合に沿って対角パリティを定義する手段であって、前記対角パリティ集合が、n−3行のグループの中で循環し、あるストライプの対角パリティ集合に属するブロックが全て、そのストライプに格納されるように、対角パリティを定義する手段と、
1つを除く全ての対角パリティ集合について、対角パリティを計算し、前記対角パリティ装置に格納する手段と、
前記複数の第1の装置にわたって規定される反対角パリティ集合に沿って反対角パリティを定義する手段であって、前記反対角パリティ集合が、n−3行のグループの中で循環し、あるストライプの反対角パリティ集合に属するブロックが全て、そのストライプに格納されるように、反対角パリティを定義する手段と、
1つを除く全ての反対角パリティ集合について、反対角パリティを計算し、前記反対角パリティ装置に格納する手段と
からなる装置。 - あるストライプ中の行パリティブロックが全て、単一の装置に格納される、請求項13に記載の装置。
- 各装置を複数のブロックに分割する手段と、
前記ブロックを複数のストライプに編成する手段と
をさらに含む、請求項13に記載の装置。 - 前記格納する手段は、1つを除き、ストライプの対角パリティ集合のそれぞれについて、対角パリティブロックを前記対角パリティ装置に格納する手段を含む、請求項15に記載の装置。
- 前記格納する手段は、1つを除き、ストライプの反対角パリティ集合のそれぞれについて、反対角パリティブロックを前記反対角パリティ装置に格納する手段を含む、請求項15に記載の装置。
- 前記第1の装置は複数のデータ装置を含み、前記データ装置は全て存在するのではなく、不在のデータ装置はゼロ値のデータを格納するものとして処理される、請求項13に記載の装置。
- 前記ストライプのサイズは、2の乗数個のビットである、請求項15に記載の装置。
- 各ストライプ中のブロックの数に第1のブロックサイズを乗じたものは、ファイルシステムがストレージアレイにアクセスするために使用する第2のブロックサイズに等しい、請求項15に記載の装置。
- ストレージアレイにおける2つの記憶装置の2以下の同時故障からの復旧を可能にする実行可能プログラム命令が格納されたコンピュータ読み取り可能な記憶媒体であって、前記実行可能プログラム命令が、
データ、及び行パリティを格納するように構成された複数の第1の装置、対角パリティを格納するように構成された1つの対角パリティ装置、並びに反対角パリティを格納するように構成された反対角パリティ装置を含む所定数の記憶装置を備え、前期記憶装置の所定数nがp+2であり、pが素数であるアレイを形成し、
各装置を複数のブロックに分割し、
各ストライプがn−3行のブロックを含むように、前記ブロックを各装置上の同数のブロックを含む複数のストライプに編成し、
前記複数の第1の装置にわたって規定される対角パリティ集合に沿って対角パリティを定義し、前記対角パリティ集合が、n−3行のグループの中で循環し、あるストライプの対角パリティ集合に属するブロックが全て、そのストライプに格納されるようにし、
1つを除く全ての対角パリティ集合について、対角パリティを計算し、前記対角パリティ装置に格納し、
前記複数の第1の装置にわたって規定される反対角パリティ集合に沿って反対角パリティを定義し、前記反対角パリティ集合が、n−3行のグループの中で循環し、あるストライプの反対角パリティ集合に属するブロックが全て、そのストライプに格納されるようにし、
1つを除く全ての反対角パリティ集合について、反対角パリティを計算し、前記反対角パリティ装置に格納するためのプログラム命令からなる、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体。 - あるストライプ中の行パリティブロックが全て、単一の装置に格納される、請求項21に記載のコンピュータ読み取り可能な記憶媒体。
- ストレージアレイにおける3つの記憶装置の3以下の同時故障からの復旧を可能にする方法であって、
データ、及び行パリティを格納するように構成された複数の第1の装置、対角パリティを格納するように構成された対角パリティ装置、並びに反対角パリティを格納するように構成された反対角パリティ装置を含む所定数の記憶装置を備えたアレイを用意するステップと、
前記複数の第1の装置にわたって規定される対角パリティ集合に沿って対角パリティを計算するステップと、
1つを除く全て前記対角パリティ集合について、対角パリティを前記対角パリティ装置に格納するステップと、
前記複数の第1の装置にわたって規定される反対角パリティ集合に沿って反対角パリティを計算するステップと、
1つを除く全ての前記反対角パリティ集合について、反対角パリティを前記反対角パリティ装置に格納するステップと
からなる方法。 - 各装置を複数のブロックに分割するステップと、
前記ブロックを複数のストライプに編成するステップと
をさらに含む、請求項23に記載の方法。 - 前記第1の装置は複数のデータ装置を含み、前記データ装置は全て存在するのではなく、不在のデータ装置はゼロ値のデータを格納するものとして処理される、請求項23に記載の方法。
- 前記記憶装置の所定数はnであり、n=p+2であり、pは素数である、請求項23に記載の方法。
- ストレージアレイにおける記憶装置の3つの同時故障からの復旧を可能にする方法であって、
失われた対角パリティ、及び反対角パリティを計算するステップと、
行、対角、及び反対角のそれぞれに沿って、一組の故障した記憶装置のそれぞれに対し、代数計算を実施するステップと、
故障した中間記憶装置に対して4タプル一組の和を計算するステップと
からなる方法。 - 前記失われた対角パリティを計算するステップは、対角パリティ記憶装置上の複数のブロックを計算することからなる、請求項27に記載の方法。
- 前記失われた反対角パリティを計算するステップは、反対角パリティ記憶装置上の複数のブロックを計算することからなる、請求項27に記載の方法。
- 前記中間記憶装置に対して4タプル一組の和を計算するステップは、
故障した記憶装置に順位を付けるステップと、
前記記憶装置の各行について
(a) 一行の記憶装置を選択し、
(b) 前記選択された行に対応する失われた記憶装置上のブロックの行パリティ和を読み出し、
(c) 第1の故障した記憶装置について、前記選択された行にあるブロックの対角パリティを読み出し、
(d) 第2の故障した記憶装置について、前記選択された行にあるブロックの反対角パリティを読み出し、
(e) 前記反対角、及び対角の最後の行に対応する失われた記憶装置のブロックの行パリティ和を読み出すステップと、
前記ステップ(b)、(c)、(d)、及び(e)の結果に対して排他的論理和(XOR)演算を実施することにより、4タプル和を形成するステップと
をさらに含む、請求項27に記載の方法。 - 前記4タプル和を前記中間記憶装置上での二つ一組の和に低減するステップと、
前記中間記憶装置を復旧するステップと
をさらに含む、請求項27に記載の方法。 - 行−対角パリティ復元技術を実施し、残りの故障した記憶装置を復元するステップをさらに含む、請求項31に記載の方法。
- 前記記憶装置はディスクである、請求項27に記載の方法。
- 前記代数演算は、排他的論理和(XOR)からなる、請求項27に記載の方法。
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