專利名稱：大規(guī)模容錯(cuò)磁盤陣列存儲(chǔ)系統(tǒng)的雙磁頭用戶數(shù)據(jù)更新方法
技術(shù)領(lǐng)域：
大規(guī)模容錯(cuò)磁盤陣列存儲(chǔ)系統(tǒng)的雙磁頭用戶數(shù)據(jù)更新方法屬于容錯(cuò)磁盤陣列存儲(chǔ)系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及其中的I/O性能優(yōu)化技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
隨著磁盤陣列(disk array)存儲(chǔ)系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，存儲(chǔ)系統(tǒng)容量急劇增長(zhǎng)，然而單個(gè)磁盤的出錯(cuò)率卻一直未得到顯著的改善，于是，磁盤容錯(cuò)就成為大規(guī)模磁盤陣列存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一個(gè)十分重要的方面。目前，多副本鏡像技術(shù)雖然可以容忍很多個(gè)磁盤的數(shù)據(jù)丟失，但存儲(chǔ)空間的有效利用率很低，只有1/N(N表示鏡像副本個(gè)數(shù))。于是，各種具有較高容錯(cuò)能力和較高存儲(chǔ)利用率的糾刪碼(erasure code)技術(shù)被提出，以用于構(gòu)建大規(guī)模容錯(cuò)磁盤陣列存儲(chǔ)系統(tǒng)。
在基于糾刪碼的容錯(cuò)磁盤陣列存儲(chǔ)系統(tǒng)中，“小寫(small write)問(wèn)題”嚴(yán)重影響了存儲(chǔ)系統(tǒng)的I/O性能。在目前的單磁頭磁盤驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)中，小寫操作時(shí)對(duì)應(yīng)的校驗(yàn)更新操作是采用一種讀-修改-寫(read-modify-write)的過(guò)程完成的。于是，在一個(gè)容錯(cuò)能力為t的存儲(chǔ)系統(tǒng)中，一個(gè)小寫操作會(huì)引起2(t+1)個(gè)I/O操作，其中包括1個(gè)讀舊的用戶數(shù)據(jù)塊的讀操作，t個(gè)讀舊的校驗(yàn)數(shù)據(jù)塊的讀操作，1個(gè)寫新的用戶數(shù)據(jù)塊的寫操作和t個(gè)寫新的校驗(yàn)數(shù)據(jù)塊的寫操作。這個(gè)過(guò)程極大地增長(zhǎng)了用戶數(shù)據(jù)更新操作的時(shí)間開銷，嚴(yán)重影響了大規(guī)模容錯(cuò)磁盤陣列存儲(chǔ)系統(tǒng)的I/O性能。
目前，已有的各種降低用戶數(shù)據(jù)更新操作時(shí)間開銷的技術(shù)主要可以分為以下兩類 (1)優(yōu)化I/O訪問(wèn)序列的順序這類技術(shù)主要包括三種(a)Cache或Buffer技術(shù)，通過(guò)利用Cache或Buffer來(lái)調(diào)整I/O訪問(wèn)的順序，實(shí)現(xiàn)小寫I/O操作的合并，并優(yōu)化I/O序列的空間局部性，從而達(dá)到降低用戶數(shù)據(jù)更新操作時(shí)間開銷，提高I/O性能的目的；(b)校驗(yàn)浮動(dòng)(floating parity)技術(shù)，在校驗(yàn)的更新操作過(guò)程中，將計(jì)算出的新的校驗(yàn)存放在舊的校驗(yàn)相鄰的空閑磁盤空間中，增強(qiáng)讀-修改-寫過(guò)程中的兩個(gè)I/O操作的空間局部性，從而達(dá)到降低用戶數(shù)據(jù)更新操作時(shí)間開銷，提高I/O性能的目的；(c)校驗(yàn)日志(parity logging)技術(shù)，通過(guò)延遲校驗(yàn)更新操作，實(shí)現(xiàn)多個(gè)校驗(yàn)更新操作的合并，并優(yōu)化校驗(yàn)更新操作的空間局部性，從而達(dá)到降低用戶數(shù)據(jù)更新操作時(shí)間開銷，提高I/O性能的目的。
(2)改變修改操作的實(shí)現(xiàn)層次通過(guò)在磁盤上嵌入額外的計(jì)算和存儲(chǔ)部件，而不改變磁盤驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，將校驗(yàn)更新操作對(duì)應(yīng)的讀-修改-寫過(guò)程中的修改操作在磁盤上完成(而不是在主機(jī)處理器中完成)，降低主機(jī)處理器與磁盤之間的數(shù)據(jù)流量，提高I/O系統(tǒng)的有效吞吐率，并優(yōu)化I/O操作的空間局部性，從而達(dá)到降低用戶數(shù)據(jù)更新操作時(shí)間開銷，提高I/O性能的目的。
盡管這些現(xiàn)有技術(shù)能在一定程度上降低用戶數(shù)據(jù)更新操作時(shí)間開銷，提高I/O性能，但它們都是以目前的單磁頭磁盤驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，它們無(wú)法也不可能改變現(xiàn)有的讀-修改-寫模式。因此，它們?cè)诮档陀脩魯?shù)據(jù)更新操作時(shí)間開銷方面所起的作用十分有限，尤其隨著容錯(cuò)能力t的提高，“小寫問(wèn)題”的加劇，這種局限性表現(xiàn)得越來(lái)越明顯。
與已有技術(shù)不同的是，本發(fā)明提出的大規(guī)模容錯(cuò)磁盤陣列存儲(chǔ)系統(tǒng)的雙磁頭用戶數(shù)據(jù)更新方法是基于一種專用的雙磁頭磁盤驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)，它采用位級(jí)別的流水線技術(shù)實(shí)現(xiàn)塊級(jí)別的復(fù)合操作，一次校驗(yàn)更新操作只需要一個(gè)復(fù)合操作就可以完成，而不需要讀-修改-寫過(guò)程。在一個(gè)容錯(cuò)能力為t的存儲(chǔ)系統(tǒng)中，一個(gè)小寫操作只需要t+2個(gè)I/O操作，其中包括1個(gè)讀舊的用戶數(shù)據(jù)塊的讀操作，1個(gè)寫新的用戶數(shù)據(jù)塊的寫操作和t個(gè)更新校驗(yàn)數(shù)據(jù)塊的復(fù)合操作。與已有技術(shù)相比，它從根本上改變了現(xiàn)有的校驗(yàn)更新模式，減少了用戶數(shù)據(jù)更新操作中引入的I/O操作個(gè)數(shù)，從而從根本上降低了用戶數(shù)據(jù)更新操作時(shí)間開銷，提高了容錯(cuò)磁盤陣列存儲(chǔ)系統(tǒng)的I/O性能。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種大規(guī)模容錯(cuò)磁盤陣列存儲(chǔ)系統(tǒng)的用戶數(shù)據(jù)更新方法，并且這種方法能夠從根本上改變現(xiàn)有的校驗(yàn)更新模式(即，讀-修改-寫模式)，減少用戶數(shù)據(jù)更新操作中引入的I/O操作個(gè)數(shù)，從而從根本上降低用戶數(shù)據(jù)更新操作時(shí)間開銷，提高容錯(cuò)磁盤陣列存儲(chǔ)系統(tǒng)的I/O性能。本方法的核心在于它基于一種專用的雙磁頭磁盤驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)，采用位級(jí)別流水線技術(shù)實(shí)現(xiàn)用于快速校驗(yàn)更新的復(fù)合操作。
本發(fā)明的特征在于它是在一個(gè)基于糾刪碼的容錯(cuò)磁盤陣列存儲(chǔ)系統(tǒng)中依次按照以下步驟實(shí)現(xiàn)的 步驟(1)構(gòu)建所述的基于糾刪碼的容錯(cuò)磁盤陣列存儲(chǔ)系統(tǒng)，并初始化 所述的基于糾刪碼的容錯(cuò)磁盤陣列存儲(chǔ)系統(tǒng)含有磁盤陣列、存儲(chǔ)適配器、存儲(chǔ)有存儲(chǔ)操作系統(tǒng)的內(nèi)存，以及處理器，其中 磁盤陣列，由若干個(gè)具有相同容量的磁盤組成，其中，對(duì)于完全存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù)的磁盤，采用單磁頭磁盤驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)磁盤；對(duì)于完全存儲(chǔ)校驗(yàn)數(shù)據(jù)的磁盤，或同時(shí)存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù)和校驗(yàn)數(shù)據(jù)的磁盤，采用雙磁頭磁盤驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)磁盤，所述的雙磁頭磁盤驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)磁盤在每個(gè)盤面上有兩個(gè)磁頭，包括一個(gè)前端磁頭和一個(gè)后端磁頭，并含有一個(gè)用于位級(jí)別異或運(yùn)算的計(jì)算部件； 存儲(chǔ)適配器，對(duì)所述磁盤陣列中數(shù)據(jù)塊的存儲(chǔ)和訪問(wèn)進(jìn)行控制； 內(nèi)存，是所述磁盤陣列的高速緩沖存儲(chǔ)器，并存儲(chǔ)有包括存儲(chǔ)操作系統(tǒng)在內(nèi)的存儲(chǔ)系統(tǒng)程序，其中，所述的存儲(chǔ)操作系統(tǒng)含有校驗(yàn)更新差分計(jì)算程序； 處理器，為所述磁盤陣列存儲(chǔ)系統(tǒng)執(zhí)行各種計(jì)算和處理程序； 步驟(2)當(dāng)一個(gè)用戶數(shù)據(jù)塊D的更新請(qǐng)求到達(dá)后，所述存儲(chǔ)操作系統(tǒng)利用讀操作從磁盤上讀出舊的用戶數(shù)據(jù)塊Dold，然后再把磁盤上舊的用戶數(shù)據(jù)塊Dold用新的用戶數(shù)據(jù)塊Dnew覆蓋； 步驟(3)當(dāng)讀出所述舊的用戶數(shù)據(jù)塊Dold后，所述存儲(chǔ)操作系統(tǒng)中所述的校驗(yàn)更新差分計(jì)算程序首先把所述的舊的用戶數(shù)據(jù)塊Dold和所述的新的用戶數(shù)據(jù)塊Dnew進(jìn)行異或運(yùn)算，得到兩者的差分值ΔD，即然后根據(jù)所采用的糾刪碼的數(shù)據(jù)編碼方法，按照下面的式子計(jì)算所述用戶數(shù)據(jù)塊D對(duì)應(yīng)的各個(gè)校驗(yàn)數(shù)據(jù)塊P1，P2，…，Pm的更新差分值ΔP1，ΔP2，…，ΔPm，其中，m為所述校驗(yàn)數(shù)據(jù)塊的總個(gè)數(shù) 其中，x1，x2，…，xm分別為所采用的糾刪碼中所述各個(gè)校驗(yàn)數(shù)據(jù)塊P1，P2，…，Pm關(guān)于所述用戶數(shù)據(jù)塊D的乘積系數(shù)； 步驟(4)所述雙磁頭磁盤驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)磁盤根據(jù)步驟(3)得到的所述各個(gè)校驗(yàn)數(shù)據(jù)塊P1，P2，…，Pm的所述更新差分值ΔP1，ΔP2，…，ΔPm，利用復(fù)合操作更新所述各個(gè)校驗(yàn)數(shù)據(jù)塊P1，P2，…，Pm，其中，所述的復(fù)合操作對(duì)校驗(yàn)數(shù)據(jù)塊Pi的更新操作按照以下步驟實(shí)現(xiàn)，1≤i≤m 步驟(4.1)在所述雙磁頭磁盤驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)磁盤收到對(duì)該校驗(yàn)數(shù)據(jù)塊Pi的復(fù)合操作請(qǐng)求后，進(jìn)行磁頭的尋址操作，在完成尋址操作后，所述前端磁頭到達(dá)磁盤盤片上所述校驗(yàn)數(shù)據(jù)塊Pi的起始位置； 步驟(4.2)所述前端磁頭從磁盤盤片上讀出一位舊的校驗(yàn)數(shù)據(jù)位； 步驟(4.3)所述計(jì)算部件把讀出的這位舊的校驗(yàn)數(shù)據(jù)位與所述更新差分值ΔPi中對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)位進(jìn)行異或運(yùn)算，得到新的校驗(yàn)數(shù)據(jù)位； 步驟(4.4)當(dāng)所述后端磁頭到達(dá)磁盤盤片上該校驗(yàn)數(shù)據(jù)位的存儲(chǔ)位置后，所述后端磁頭把計(jì)算出的新的校驗(yàn)數(shù)據(jù)位寫回到磁盤盤片上； 步驟(4.5)所述雙磁頭磁盤驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)磁盤以流水線的方式按照步驟(4.2)至步驟(4.4)所述的步驟執(zhí)行所述校驗(yàn)數(shù)據(jù)塊Pi中各個(gè)數(shù)據(jù)位的更新操作，一直到所述后端磁頭將最后一位新的校驗(yàn)數(shù)據(jù)位寫回到磁盤盤片上為止。
本發(fā)明提出的大規(guī)模容錯(cuò)磁盤陣列存儲(chǔ)系統(tǒng)的雙磁頭用戶數(shù)據(jù)更新方法，是基于一種專用的雙磁頭磁盤驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)，它采用位級(jí)別的流水線技術(shù)實(shí)現(xiàn)塊級(jí)別的復(fù)合操作，一次校驗(yàn)更新操作只需要一個(gè)復(fù)合操作就可以完成，而不需要讀-修改-寫過(guò)程。在一個(gè)容錯(cuò)能力為t的存儲(chǔ)系統(tǒng)中，一個(gè)小寫操作只需要t+2個(gè)I/O操作，其中包括1個(gè)讀舊的用戶數(shù)據(jù)塊的讀操作，1個(gè)寫新的用戶數(shù)據(jù)塊的寫操作和t個(gè)更新校驗(yàn)數(shù)據(jù)塊的復(fù)合操作。與已有技術(shù)相比，它從根本上改變了現(xiàn)有的校驗(yàn)更新模式，減少了用戶數(shù)據(jù)更新操作中引入的I/O操作個(gè)數(shù)，從而從根本上降低了用戶數(shù)據(jù)更新操作時(shí)間開銷，提高了容錯(cuò)磁盤陣列存儲(chǔ)系統(tǒng)的I/O性能。



圖1磁盤陣列存儲(chǔ)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖1.磁盤，2.磁盤陣列，3.存儲(chǔ)適配器，4.內(nèi)存，5.存儲(chǔ)操作系統(tǒng)，6.處理器，7.系統(tǒng)總線； 圖2雙磁頭磁盤驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖8.磁盤盤片，9.磁道，10.磁盤驅(qū)動(dòng)器音圈電機(jī)(VCM)，11.磁臂，12.前端磁頭(讀磁頭)，13.后端磁頭(寫磁頭)； 圖3存儲(chǔ)操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖14.虛擬化系統(tǒng)，15.文件系統(tǒng)，16.虛擬磁盤模塊，17.SCSI目標(biāo)模塊，18.磁盤驅(qū)動(dòng)，19.磁盤存儲(chǔ)，20.FC，21.介質(zhì)訪問(wèn)，22.IP，23.TCP，24.UDP，25.VI，26.DAFS，27.NFS，28.CIFS，29.HTTP，30.iSCSI； 圖4大規(guī)模容錯(cuò)磁盤陣列存儲(chǔ)系統(tǒng)的雙磁頭用戶數(shù)據(jù)更新方法的流程圖； 圖5復(fù)合操作的實(shí)現(xiàn)過(guò)程示意圖(a)前端磁頭開始讀舊的校驗(yàn)數(shù)據(jù)，(b)后端磁頭開始寫新的校驗(yàn)數(shù)據(jù)，(c)前端磁頭完成對(duì)舊的校驗(yàn)數(shù)據(jù)的讀操作，(d)后端磁頭完成對(duì)新的校驗(yàn)數(shù)據(jù)的寫操作； 圖6復(fù)合操作的流水線時(shí)空?qǐng)D； 圖7RAID5與RAID5*(RAID5*表示采用了本發(fā)明提出的雙磁頭用戶數(shù)據(jù)更新方法的RAID5)的I/O性能比較圖(a)I/O操作個(gè)數(shù)比較圖，(b)平均I/O響應(yīng)時(shí)間比較圖。

具體實(shí)施例方式 本發(fā)明的具體應(yīng)用環(huán)境是由磁盤陣列、存儲(chǔ)適配器、內(nèi)存(包括存儲(chǔ)操作系統(tǒng))和處理器共同組成的基于糾刪碼的容錯(cuò)磁盤陣列存儲(chǔ)系統(tǒng)(如圖1所示)。磁盤陣列存儲(chǔ)系統(tǒng)中各組成部分通過(guò)系統(tǒng)總線連接起來(lái)，它們的具體功能如下 (1)磁盤陣列由若干個(gè)具有相同容量的磁盤組成，主要用于存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù)，并同時(shí)存儲(chǔ)用于容錯(cuò)的校驗(yàn)數(shù)據(jù)。用戶數(shù)據(jù)和校驗(yàn)數(shù)據(jù)既可以分開存放在不同的磁盤中，也可以混合存放在相同的磁盤中。其中，對(duì)于完全存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù)的磁盤，采用普通的單磁頭磁盤驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)磁盤；對(duì)于存儲(chǔ)校驗(yàn)數(shù)據(jù)的磁盤，或同時(shí)存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù)和校驗(yàn)數(shù)據(jù)的磁盤，采用專用的雙磁頭磁盤驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)磁盤。
(2)存儲(chǔ)適配器又稱存儲(chǔ)控制器，主要功能是對(duì)磁盤陣列中數(shù)據(jù)塊的存儲(chǔ)和訪問(wèn)進(jìn)行控制。
(3)內(nèi)存(包括存儲(chǔ)操作系統(tǒng))主要作為磁盤陣列的高速緩沖存儲(chǔ)器，并存儲(chǔ)包括存儲(chǔ)操作系統(tǒng)在內(nèi)的存儲(chǔ)系統(tǒng)程序。
(4)處理器為整個(gè)磁盤陣列存儲(chǔ)系統(tǒng)提供高速的運(yùn)算和處理能力，執(zhí)行各種程序。
在實(shí)際應(yīng)用中，本發(fā)明可以應(yīng)用在(但又不局限于)包括直接附屬存儲(chǔ)(directly-attachedstorage，DAS)、網(wǎng)絡(luò)附屬存儲(chǔ)(network-attached storage，NAS)和存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(storage areanetwork，SAN)等在內(nèi)的各種存儲(chǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中。
上述的專用雙磁頭磁盤驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)磁盤支持三種I/O訪問(wèn)操作讀操作、寫操作和復(fù)合操作。其中，讀操作和寫操作與普通的單磁頭磁盤驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)磁盤中的讀操作和寫操作功能完全相同，復(fù)合操作主要是實(shí)現(xiàn)快速的校驗(yàn)更新操作。在磁盤驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部，為了支持復(fù)合操作，每個(gè)磁盤盤片表面關(guān)聯(lián)兩個(gè)相鄰磁頭，一個(gè)前端磁頭和一個(gè)后端磁頭，其中，前端磁頭為讀磁頭，后端磁頭為寫磁頭，兩個(gè)磁頭安置在一個(gè)共同的磁臂上面，如圖2所示。此外，為了支持復(fù)合操作中位級(jí)別的校驗(yàn)修改操作，在磁盤驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部還安置有相應(yīng)的計(jì)算部件和控制部件。
上述的存儲(chǔ)操作系統(tǒng)是指計(jì)算機(jī)中用于數(shù)據(jù)訪問(wèn)管理的可執(zhí)行程序，它既可以作為一個(gè)系統(tǒng)程序在操作內(nèi)核中實(shí)現(xiàn)，如NetApp

Data ONTAPTM存儲(chǔ)操作系統(tǒng)，也可以作為一個(gè)應(yīng)用程序在通用操作系統(tǒng)(如UNIX

或WindowsXP

等)之上實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明采用的是(但不局限于)NetApp

DataONTAPTM操作系統(tǒng)(它實(shí)現(xiàn)了一個(gè)WAFL

文件系統(tǒng))。實(shí)際上，任何一個(gè)合適的存儲(chǔ)操作系統(tǒng)都可以在本發(fā)明中使用。圖3是存儲(chǔ)操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，磁盤驅(qū)動(dòng)層主要實(shí)現(xiàn)磁盤訪問(wèn)協(xié)議，如SCSI協(xié)議；磁盤存儲(chǔ)層主要實(shí)現(xiàn)磁盤存儲(chǔ)協(xié)議，如RAID協(xié)議，本發(fā)明提出的用戶數(shù)據(jù)更新方法主要就是在這一層實(shí)現(xiàn)；虛擬化系統(tǒng)主要是在磁盤軟件與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧之間起橋梁作用，從而確保本發(fā)明能夠在網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)系統(tǒng)中使用，它主要是由文件系統(tǒng)、虛擬磁盤模塊和SCSI目標(biāo)模塊組成。
所述的雙磁頭用戶數(shù)據(jù)更新方法的具體過(guò)程如下(如圖4所示) (1)當(dāng)一個(gè)用戶數(shù)據(jù)塊D的更新請(qǐng)求到達(dá)時(shí)，它首先利用讀操作從磁盤上讀出舊的用戶數(shù)據(jù)塊Dold，然后利用寫操作將磁盤上舊的用戶數(shù)據(jù)塊Dold用新的用戶數(shù)據(jù)塊Dnew覆蓋。
(2)當(dāng)讀出舊的用戶數(shù)據(jù)塊Dold后，執(zhí)行校驗(yàn)更新差分計(jì)算程序，首先將新的用戶數(shù)據(jù)塊Dnew和舊的用戶數(shù)據(jù)塊Dold進(jìn)行異或運(yùn)算，得到兩者的差分值A(chǔ)D(即，)，然后，根據(jù)采用的糾刪碼的數(shù)據(jù)編碼方法，計(jì)算出D對(duì)應(yīng)的各個(gè)校驗(yàn)數(shù)據(jù)塊的更新差分值。
這里，假設(shè)D所對(duì)應(yīng)的校驗(yàn)數(shù)據(jù)塊分別為P1，P2，…，Pm，并且用x1，x2，…，xm分別表示容錯(cuò)磁盤陣列存儲(chǔ)系統(tǒng)所采用的糾刪碼中P1，P2，…，Pm關(guān)于D的乘積系數(shù)，即 則，按照如下關(guān)系式計(jì)算D對(duì)應(yīng)的各個(gè)校驗(yàn)數(shù)據(jù)塊的更新差分值(即，ΔP1，ΔP2，…，ΔPm) (3)最后，根據(jù)計(jì)算出的各個(gè)校驗(yàn)數(shù)據(jù)塊的更新差分值ΔP1，ΔP2，…，ΔPm，利用復(fù)合操作更新各個(gè)校驗(yàn)數(shù)據(jù)塊P1，P2，…，Pm。其中，復(fù)合操作是在一種專用的雙磁頭磁盤驅(qū)動(dòng)器中實(shí)現(xiàn)，采用位級(jí)別的流水線技術(shù)，每條流水線包括三個(gè)執(zhí)行階段 a)讀階段前端磁頭從磁盤盤片上讀出一位舊的校驗(yàn)數(shù)據(jù)位； b)修改階段計(jì)算部件將讀出的舊的校驗(yàn)數(shù)據(jù)位與計(jì)算出的更新差分值中對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)位進(jìn)行異或運(yùn)算，得到新的校驗(yàn)數(shù)據(jù)位； c)寫階段后端磁頭將新的校驗(yàn)數(shù)據(jù)位寫回到磁盤上原來(lái)的位置。
復(fù)合操作的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖5所示。以Pi(1≤i≤m)的更新過(guò)程為例，當(dāng)磁盤驅(qū)動(dòng)器接收到對(duì)Pi的復(fù)合操作請(qǐng)求后，首先進(jìn)行磁頭的尋址操作。當(dāng)完成尋址操作后，前端磁頭到達(dá)校驗(yàn)數(shù)據(jù)塊Pi的起始位置，后端磁頭也到達(dá)同一磁道的后方鄰近位置，然后，前端磁頭開始讀舊的校驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖5(a)所示。當(dāng)前端磁頭讀出一位舊的校驗(yàn)數(shù)據(jù)位后，計(jì)算部件將讀出的這位舊的校驗(yàn)數(shù)據(jù)位與更新差分值ΔPi中對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)位進(jìn)行異或運(yùn)算，得到新的校驗(yàn)數(shù)據(jù)塊中對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)位。當(dāng)后端磁頭到達(dá)校驗(yàn)數(shù)據(jù)塊Pi的起始位置后，后端磁頭開始將計(jì)算出的新的校驗(yàn)數(shù)據(jù)位寫回磁盤，如圖5(b)所示。此后，磁盤驅(qū)動(dòng)器以流水線的方式執(zhí)行Pi中各個(gè)數(shù)據(jù)位的更新操作。當(dāng)前端磁頭到達(dá)校驗(yàn)數(shù)據(jù)塊Pi的末尾位置時(shí)，前端磁頭完成對(duì)舊的校驗(yàn)數(shù)據(jù)塊的讀操作，如圖5(c)所示。最后，當(dāng)后端磁頭到達(dá)校驗(yàn)數(shù)據(jù)塊Pi的末尾位置時(shí)，后端磁頭完成對(duì)新的校驗(yàn)數(shù)據(jù)塊的寫操作，整個(gè)復(fù)合操作完成，如圖5(d)所示。
這里，假設(shè)存儲(chǔ)在磁盤上的舊的校驗(yàn)數(shù)據(jù)塊為Pold，長(zhǎng)度為n位，對(duì)應(yīng)的更新差分值為ΔP，對(duì)應(yīng)的新的校驗(yàn)數(shù)據(jù)塊為Pnew，并且，Pold，ΔP和Pnew分別表示成 則，計(jì)算部件按照如下關(guān)系式計(jì)算Pnew中的各個(gè)數(shù)據(jù)位的值 復(fù)合操作的流水線時(shí)空?qǐng)D如圖6所示。從圖6可以看出，一個(gè)復(fù)合操作所花的時(shí)間與一個(gè)普通的讀操作所花的時(shí)間十分接近。
在本發(fā)明中，一次校驗(yàn)更新操作只需要一個(gè)復(fù)合操作就可以完成，而不需要讀-修改-寫過(guò)程。在一個(gè)容錯(cuò)能力為t的存儲(chǔ)系統(tǒng)中，一個(gè)小寫操作只需要t+2個(gè)I/O操作，其中包括1個(gè)讀舊的用戶數(shù)據(jù)塊的讀操作，1個(gè)寫新的用戶數(shù)據(jù)塊的寫操作和t個(gè)更新校驗(yàn)數(shù)據(jù)塊的復(fù)合操作。它從根本上改變了現(xiàn)有的校驗(yàn)更新模式，減少了用戶數(shù)據(jù)更新操作中引入的I/O操作個(gè)數(shù)，從而從根本上降低了用戶數(shù)據(jù)更新操作時(shí)間開銷，提高了容錯(cuò)磁盤陣列存儲(chǔ)系統(tǒng)的I/O性能。
表1五種I/O負(fù)載的主要特征(IOPS表示每秒的I/O請(qǐng)求個(gè)數(shù)) 在RAID5中，我們對(duì)本發(fā)明提出的雙磁頭用戶數(shù)據(jù)更新方法進(jìn)行了性能模擬測(cè)試。我們基于公認(rèn)的磁盤模擬器DiskSim3.0開發(fā)了一個(gè)I/O負(fù)載驅(qū)動(dòng)的模擬測(cè)試平臺(tái)，模擬測(cè)試配置環(huán)境如下模擬磁盤配置采用QuantumAtlas 10K (9.1 G，10025RPM)，RAID5磁盤陣列由8+1個(gè)磁盤構(gòu)成，條帶大小設(shè)置成32KB。在測(cè)試中，采用了來(lái)自Hewlett-Packard實(shí)驗(yàn)室的五種不同特征的實(shí)際I/O負(fù)載(見表1)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出，本發(fā)明提出的雙磁頭用戶數(shù)據(jù)更新方法顯著地提高了RAID5的I/O性能減少I/O操作個(gè)數(shù)達(dá)23.97％，縮短平均I/O響應(yīng)時(shí)間達(dá)29.23％。
權(quán)利要求
1.大規(guī)模容錯(cuò)磁盤陣列存儲(chǔ)系統(tǒng)的雙磁頭用戶數(shù)據(jù)更新方法，其特征在于，所述方法是在一個(gè)基于糾刪碼的容錯(cuò)磁盤陣列存儲(chǔ)系統(tǒng)中依次按照以下步驟實(shí)現(xiàn)的
步驟(1)構(gòu)建所述的基于糾刪碼的容錯(cuò)磁盤陣列存儲(chǔ)系統(tǒng)，并初始化
所述的基于糾刪碼的容錯(cuò)磁盤陣列存儲(chǔ)系統(tǒng)含有磁盤陣列、存儲(chǔ)適配器、存儲(chǔ)有存儲(chǔ)操作系統(tǒng)的內(nèi)存，以及處理器，其中
磁盤陣列，由若干個(gè)具有相同容量的磁盤組成，其中，對(duì)于完全存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù)的磁盤，采用單磁頭磁盤驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)磁盤；對(duì)于完全存儲(chǔ)校驗(yàn)數(shù)據(jù)的磁盤，或同時(shí)存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù)和校驗(yàn)數(shù)據(jù)的磁盤，采用雙磁頭磁盤驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)磁盤，所述的雙磁頭磁盤驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)磁盤在每個(gè)盤面上有兩個(gè)磁頭，包括一個(gè)前端磁頭和一個(gè)后端磁頭，并含有一個(gè)用于位級(jí)別異或運(yùn)算的計(jì)算部件；
存儲(chǔ)適配器，對(duì)所述磁盤陣列中數(shù)據(jù)塊的存儲(chǔ)和訪問(wèn)進(jìn)行控制；
內(nèi)存，是所述磁盤陣列的高速緩沖存儲(chǔ)器，并存儲(chǔ)有包括存儲(chǔ)操作系統(tǒng)在內(nèi)的存儲(chǔ)系統(tǒng)程序，其中，所述的存儲(chǔ)操作系統(tǒng)含有校驗(yàn)更新差分計(jì)算程序；
處理器，為所述磁盤陣列存儲(chǔ)系統(tǒng)執(zhí)行各種計(jì)算和處理程序；
步驟(2)當(dāng)一個(gè)用戶數(shù)據(jù)塊D的更新請(qǐng)求到達(dá)后，所述存儲(chǔ)操作系統(tǒng)利用讀操作從磁盤上讀出舊的用戶數(shù)據(jù)塊Dold，然后再把磁盤上舊的用戶數(shù)據(jù)塊Dold用新的用戶數(shù)據(jù)塊Dnew覆蓋；
步驟(3)當(dāng)讀出所述舊的用戶數(shù)據(jù)塊Dold后，所述存儲(chǔ)操作系統(tǒng)中所述的校驗(yàn)更新差分計(jì)算程序首先把所述的舊的用戶數(shù)據(jù)塊Dold和所述的新的用戶數(shù)據(jù)塊Dnew進(jìn)行異或運(yùn)算，得到兩者的差分值ΔD，即然后根據(jù)所采用的糾刪碼的數(shù)據(jù)編碼方法，按照下面的式子計(jì)算所述用戶數(shù)據(jù)塊D對(duì)應(yīng)的各個(gè)校驗(yàn)數(shù)據(jù)塊P1，P2，…，Pm的更新差分值ΔP1，ΔP2，…，ΔPm，其中，m為所述校驗(yàn)數(shù)據(jù)塊的總個(gè)數(shù)
其中，x1，x2，…，xm分別為所采用的糾刪碼中所述各個(gè)校驗(yàn)數(shù)據(jù)塊P1，P2，…，Pm關(guān)于所述用戶數(shù)據(jù)塊D的乘積系數(shù)；
步驟(4)所述雙磁頭磁盤驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)磁盤根據(jù)步驟(3)得到的所述各個(gè)校驗(yàn)數(shù)據(jù)塊P1，P2，…，Pm的所述更新差分值ΔP1，ΔP2，…，ΔPm，利用復(fù)合操作更新所述各個(gè)校驗(yàn)數(shù)據(jù)塊P1，P2，…，Pm，其中，所述的復(fù)合操作對(duì)校驗(yàn)數(shù)據(jù)塊Pi的更新操作按照以下步驟實(shí)現(xiàn)，1≤i≤m
步驟(4.1)在所述雙磁頭磁盤驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)磁盤收到對(duì)該校驗(yàn)數(shù)據(jù)塊Pi的復(fù)合操作請(qǐng)求后，進(jìn)行磁頭的尋址操作，在完成尋址操作后，所述前端磁頭到達(dá)磁盤盤片上所述校驗(yàn)數(shù)據(jù)塊Pi的起始位置；
步驟(4.2)所述前端磁頭從磁盤盤片上讀出一位舊的校驗(yàn)數(shù)據(jù)位；
步驟(4.3)所述計(jì)算部件把讀出的這位舊的校驗(yàn)數(shù)據(jù)位與所述更新差分值ΔPi中對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)位進(jìn)行異或運(yùn)算，得到新的校驗(yàn)數(shù)據(jù)位；
步驟(4.4)當(dāng)所述后端磁頭到達(dá)磁盤盤片上該校驗(yàn)數(shù)據(jù)位的存儲(chǔ)位置后，所述后端磁頭把計(jì)算出的新的校驗(yàn)數(shù)據(jù)位寫回到磁盤盤片上；
步驟(4.5)所述雙磁頭磁盤驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)磁盤以流水線的方式按照步驟(4.2)至步驟(4.4)所述的步驟執(zhí)行所述校驗(yàn)數(shù)據(jù)塊Pi中各個(gè)數(shù)據(jù)位的更新操作，一直到所述后端磁頭將最后一位新的校驗(yàn)數(shù)據(jù)位寫回到磁盤盤片上為止。
全文摘要
大規(guī)模容錯(cuò)磁盤陣列存儲(chǔ)系統(tǒng)的雙磁頭用戶數(shù)據(jù)更新方法屬于容錯(cuò)磁盤陣列存儲(chǔ)系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于，在一個(gè)由磁盤陣列、存儲(chǔ)適配器、存儲(chǔ)有存儲(chǔ)操作系統(tǒng)的內(nèi)存和處理器共同組成的基于糾刪碼的容錯(cuò)磁盤陣列存儲(chǔ)系統(tǒng)中，先利用讀操作從磁盤上讀出舊的用戶數(shù)據(jù)塊，并在磁盤上用新的用戶數(shù)據(jù)塊覆蓋舊的用戶數(shù)據(jù)塊，同時(shí)，利用異或運(yùn)算求出新、舊兩個(gè)用戶數(shù)據(jù)塊的差分值，再根據(jù)所采用的糾刪碼中各個(gè)校驗(yàn)數(shù)據(jù)塊關(guān)于用戶數(shù)據(jù)塊的乘積系數(shù)計(jì)算出各個(gè)校驗(yàn)數(shù)據(jù)塊的更新差分值，最后利用雙磁頭磁盤驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)磁盤中基于位級(jí)別流水線技術(shù)的復(fù)合操作完成各個(gè)校驗(yàn)數(shù)據(jù)塊的更新操作。實(shí)驗(yàn)表明，本發(fā)明顯著地減少了I/O操作個(gè)數(shù)，縮短了I/O平均響應(yīng)時(shí)間。
文檔編號(hào)G06F11/10GK101349979SQ20081011967
公開日2009年1月21日 申請(qǐng)日期2008年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月5日
發(fā)明者舒繼武, 李明強(qiáng) 申請(qǐng)人:清華大學(xué)