盤陣列的數(shù)據(jù)布局技術(shù)研究.pdf

1、磁盤陣列是構(gòu)建高性能、高可靠和大容量磁盤存儲(chǔ)系統(tǒng)的一項(xiàng)重要技術(shù)，隨著磁盤技術(shù)和新型存儲(chǔ)器如固態(tài)盤技術(shù)等的發(fā)展，傳統(tǒng)的磁盤陣列技術(shù)正面臨著一些挑戰(zhàn)。磁盤容量以每年60％速度增長(zhǎng)，而磁盤的性能指標(biāo)，如尋道時(shí)間和旋轉(zhuǎn)延遲等僅僅以10％左右的速度增長(zhǎng)。此外，研究發(fā)現(xiàn)大規(guī)模存儲(chǔ)系統(tǒng)中磁盤的故障率遠(yuǎn)超出了磁盤廠商標(biāo)稱的數(shù)值。磁盤容量、性能和可靠性的不平衡發(fā)展導(dǎo)致傳統(tǒng)的磁盤陣列數(shù)據(jù)布局方式不能夠滿足用戶對(duì)磁盤陣列性能和可靠性的需求。并且用戶對(duì)綠色存儲(chǔ)

2、的迫切需求，要求磁盤陣列在能耗方面能夠有所改進(jìn)，而傳統(tǒng)磁盤陣列的設(shè)計(jì)初衷是沒有考慮能耗的。同時(shí)，隨著固態(tài)盤技術(shù)的日益發(fā)展，固態(tài)盤陣列技術(shù)也面臨著一些挑戰(zhàn)。因此，對(duì)傳統(tǒng)磁盤陣列的數(shù)據(jù)布局方式進(jìn)行優(yōu)化，以提供高性能、高可靠和低能耗的存儲(chǔ)系統(tǒng)是一項(xiàng)緊迫的任務(wù)。
　　 鏡像磁盤陣列由于鏡像冗余的特性導(dǎo)致對(duì)于每個(gè)寫請(qǐng)求，均在互為鏡像的兩個(gè)磁盤都完成寫請(qǐng)求后才能返回該請(qǐng)求的完成信號(hào)，因此寫性能較差，同時(shí)雙冗余特性也使其運(yùn)行時(shí)耗能較多。針對(duì)鏡

3、像磁盤陣列的寫性能問(wèn)題和能耗問(wèn)題提出了兩種改進(jìn)的數(shù)據(jù)布局方案：提高性能的數(shù)據(jù)布局方法RAID10L和提高能效的數(shù)據(jù)布局方法GRAID。RAID10L的基本思想是對(duì)所有的寫請(qǐng)求采取寫平衡，即從兩個(gè)互為鏡像的磁盤中選取一個(gè)磁盤寫入（采用最短尋道時(shí)間優(yōu)先策略），同時(shí)將該數(shù)據(jù)順序地寫入到日志盤中，并且在非易失性存儲(chǔ)器中標(biāo)記該請(qǐng)求，操作完成后即報(bào)告寫請(qǐng)求完成。將數(shù)據(jù)從一個(gè)磁盤更新到其對(duì)應(yīng)鏡像盤的操作延遲到空閑時(shí)間段進(jìn)行，這樣大大提高了鏡像磁盤陣列

4、的性能。性能評(píng)估結(jié)果表明相比于RAID10和RAID0，RAID10L對(duì)性能有27.3％-47.1％的提升。GRAID的基本思想是對(duì)所有的寫請(qǐng)求，一份數(shù)據(jù)寫入兩個(gè)鏡像盤中的一個(gè)，另一份數(shù)據(jù)順序地寫入日志盤中，并且在非易失性存儲(chǔ)器中標(biāo)記該請(qǐng)求，另一個(gè)鏡像盤置于低能耗狀態(tài)。一段時(shí)間后再把所有的鏡像磁盤旋轉(zhuǎn)起來(lái)，將修改過(guò)的數(shù)據(jù)從主磁盤更新到鏡像盤中。這樣可以最大限度地保證GRAID 關(guān)閉一半的磁盤來(lái)節(jié)約能耗，相比于現(xiàn)有的節(jié)能技術(shù)，可靠性也得到

5、了保證。性能評(píng)估結(jié)果表明，GRAID的能效明顯優(yōu)于RAID10，最多提高了32.1％，平均為25.4％。另外，在RAID10L和GRAID的基礎(chǔ)上提出了采用鏡像和校驗(yàn)兩種冗余機(jī)制保護(hù)的磁盤陣列MP-RAID，進(jìn)一步提高了磁盤陣列的可靠性。MP-RAID通過(guò)自我調(diào)節(jié)的方式在鏡像和校驗(yàn)兩種冗余保護(hù)機(jī)制下切換，以達(dá)到節(jié)約能耗和提高性能的目的。
　　 基于Flash 存儲(chǔ)介質(zhì)的固態(tài)盤具有小寫性能差和擦除次數(shù)有限的特性，因此不能簡(jiǎn)單地將磁

6、盤陣列技術(shù)應(yīng)用到固態(tài)盤陣列中。為了充分挖掘固態(tài)盤和磁盤的性能特性，提出了一種混合式盤陣列HPDA。HPDA是使用固態(tài)盤做數(shù)據(jù)盤、磁盤做校驗(yàn)盤的RAID4 陣列結(jié)構(gòu)，消除了由于校驗(yàn)信息頻繁更新而導(dǎo)致的固態(tài)盤存儲(chǔ)介質(zhì)損耗問(wèn)題，但是該架構(gòu)并沒有解決校驗(yàn)盤陣列的小寫性能問(wèn)題和快速數(shù)據(jù)恢復(fù)問(wèn)題。為此在該RAID4 架構(gòu)上又加入一塊磁盤，與校驗(yàn)盤中的剩余磁盤空間組成一個(gè)鏡像緩存空間，暫時(shí)緩存來(lái)自主機(jī)的隨機(jī)寫請(qǐng)求數(shù)據(jù)。由于寫入鏡像緩存空間的數(shù)據(jù)是順序