多節(jié)點容錯存儲系統(tǒng)的數(shù)據(jù)與緩存組織研究.pdf

1、信息資源的爆炸性增長、云計算模式的興起與應(yīng)用，對存儲系統(tǒng)的存儲容量、數(shù)據(jù)可用性以及I/O性能等方面提出了巨大挑戰(zhàn)。構(gòu)建超大容量、高性能、高可靠性的存儲系統(tǒng)是學(xué)術(shù)界和工業(yè)界一直追求的目標(biāo)?，F(xiàn)代存儲系統(tǒng)往往由成百上千個存儲節(jié)點組成，多個存儲節(jié)點同時出現(xiàn)故障概率大大增加，會出現(xiàn)因存儲節(jié)點故障導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失的災(zāi)難性后果。因此，如何設(shè)計多節(jié)點容錯存儲系統(tǒng)的數(shù)據(jù)容錯方案，如何提高多節(jié)點容錯存儲系統(tǒng)的I/O性能，已是海量存儲系統(tǒng)迫切需要解決的問題。

2、r>　　 本文以如何提高海量存儲系統(tǒng)的可靠性和I/O性能為研究目標(biāo)，對多節(jié)點容錯存儲系統(tǒng)的數(shù)據(jù)容錯和緩存組織問題進(jìn)行了探索性和創(chuàng)新性研究，主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新性成果如下：
　　 1、針對雙節(jié)點容錯存儲系統(tǒng)的數(shù)據(jù)容錯問題，提出了一種高效的數(shù)據(jù)容錯方案--水平旋轉(zhuǎn)碼HRC。HRC是一類最小列距離為3的MDS陣列碼.滿足RAID-6規(guī)范，且具有最優(yōu)的編譯碼復(fù)雜度。本文從理論上定義了HRC，證明了其糾正任意雙列刪除錯誤的能力和MDS性質(zhì)

3、，并給出糾正雙列刪除錯誤的快速譯碼算法。與現(xiàn)有的RAID-6實現(xiàn)方案如EVENODD和RS碼比較，HRC具有編譯碼算法簡單，實現(xiàn)復(fù)雜度低，易于軟硬件實現(xiàn)等特點。
　　 2、針對三節(jié)點容錯存儲系統(tǒng)的數(shù)據(jù)容錯問題，通過擴(kuò)展HRC提出了兩種高效的數(shù)據(jù)容錯方案扇狀碼FSC和三星碼TSC。從幾何特性上看，F(xiàn)SC和TSC是在HRC基礎(chǔ)上分別增加了一列斜率為-2和斜率為1的校驗。TSC通過優(yōu)化第三列校驗的生成方式可以獲得比FSC更快的譯碼速度

4、。本文從理論上證明了FSC和TSC糾正任意3列刪除錯誤的能力，并給出了各種刪除錯誤模式下的譯碼算法。FSC和TSC都是最小列距離為4的MDS陣列碼，編譯碼速度優(yōu)于G-EVENODD碼(r=3)和STAR碼。
　　 3、針對多節(jié)點(≥4)容錯存儲系統(tǒng)的數(shù)據(jù)容錯問題，提出了一種高效的數(shù)據(jù)容錯方案-垂直旋轉(zhuǎn)碼VRC。VRC采用糾刪碼的圖表示方法描述，是一種垂直陣列碼。VRC具有較高容錯能力、參數(shù)限制少、適應(yīng)性高等特點，基于VRC構(gòu)建的

5、存儲系統(tǒng)具有負(fù)載均衡、最優(yōu)更新代價等優(yōu)點。本文闡述了VRC的編碼思想和構(gòu)造方法，提出了用解線性方程組方法進(jìn)行譯碼，從理論上證明了VRC能糾正任意q個節(jié)點刪除錯誤。與其他能糾正任意q個存儲節(jié)點刪除錯誤的編碼，如RS碼、LDPC碼相比，VRC具有編譯碼規(guī)則簡單，編澤碼計算開銷小等優(yōu)點。
　　 4、針對多節(jié)點容錯存儲系統(tǒng)的緩存結(jié)構(gòu)設(shè)計問題，提出了一種基于DRAM和固態(tài)硬盤的多元化存儲介質(zhì)緩存結(jié)構(gòu)M-Cache，以及該緩存結(jié)構(gòu)的高效組織

6、和管理方法。在M-Cache中，根據(jù)訪問方式的不同，主機(jī)訪問數(shù)據(jù)被劃分為主機(jī)讀數(shù)據(jù)和主機(jī)寫數(shù)據(jù)。DRAM存儲器既存放主機(jī)讀數(shù)據(jù)又存放主機(jī)寫數(shù)據(jù)，基于Flash的固態(tài)硬盤只存放主機(jī)寫數(shù)據(jù)，主機(jī)寫數(shù)據(jù)在寫入DRAM存儲器的同時也被寫入基于Flash的固態(tài)硬盤。新的緩存結(jié)構(gòu)M-Cache充分利用了DRAM存儲器的快速隨機(jī)訪問特性和基于Flash的固態(tài)硬盤掉電后長久保存數(shù)據(jù)能力，提高了緩存系統(tǒng)的讀寫性能和數(shù)據(jù)的可靠性。
　　 5、針對多

7、節(jié)點容錯存儲系統(tǒng)的緩存置換管理問題，提出了一種寫優(yōu)先的緩存置換管理算法WP-LRU。WP-LRU算法基于存儲系統(tǒng)緩存中淘汰主機(jī)寫數(shù)據(jù)塊的代價遠(yuǎn)大于淘汰主機(jī)讀數(shù)據(jù)塊的原理，根據(jù)主機(jī)訪問模式的不同將緩存中的數(shù)據(jù)塊劃分為主機(jī)讀數(shù)據(jù)塊和主機(jī)寫數(shù)據(jù)塊，對兩種不同類型的數(shù)據(jù)塊實施不同的管理策略：主機(jī)讀數(shù)據(jù)塊使用常見的LRU算法進(jìn)行管理，主機(jī)寫數(shù)據(jù)塊使用聚合寫算法進(jìn)行管理。WP-LRU算法具有良好的擴(kuò)展性，在不改變緩存命中率的情況下可降低系統(tǒng)的平均服