磁盤(pán)存儲(chǔ)系統(tǒng)可靠性技術(shù)研究.pdf

1、數(shù)字信息的爆炸性增長(zhǎng)、大數(shù)量的用戶(hù)群和種類(lèi)繁多的多媒體應(yīng)用導(dǎo)致了人們對(duì)海量信息存儲(chǔ)系統(tǒng)的需求。大量的用戶(hù)和數(shù)據(jù)對(duì)于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)的需求各有不同，有些用戶(hù)和應(yīng)用需要提供更高的數(shù)據(jù)可靠性，有些用戶(hù)和應(yīng)用則需要存儲(chǔ)系統(tǒng)提供更快的訪問(wèn)時(shí)間，類(lèi)似這樣的需求使得存儲(chǔ)系統(tǒng)面臨著管理大量不同類(lèi)型數(shù)據(jù)的壓力，而且要求存儲(chǔ)系統(tǒng)具備極高的可用性。此外，由于海量信息存儲(chǔ)系統(tǒng)規(guī)模的增長(zhǎng)，使得企業(yè)在能耗、散熱管理以及機(jī)房空間管理等方面也承受了巨大的壓力。在當(dāng)今存儲(chǔ)系

2、統(tǒng)中，由于磁盤(pán)是構(gòu)成海量存儲(chǔ)系統(tǒng)不可或缺的存儲(chǔ)介質(zhì)，因此，如何構(gòu)造一個(gè)高可靠、高性能、低能耗、適合不同應(yīng)用的磁盤(pán)存儲(chǔ)系統(tǒng)就成為了一個(gè)重要的任務(wù)。本研究主要內(nèi)容包括：
　　 ⑴磁盤(pán)掃描檢測(cè)操作最重要的作用就是盡早發(fā)現(xiàn)磁盤(pán)上潛在扇區(qū)錯(cuò)誤。對(duì)磁盤(pán)的掃描檢測(cè)越頻繁，磁盤(pán)的可靠性越高。掃描一個(gè)磁盤(pán)需要花費(fèi)一定的時(shí)間，在這個(gè)時(shí)間內(nèi)，會(huì)降低磁盤(pán)的性能。從性能方面考慮，需要盡可能減少磁盤(pán)掃描頻率。因此，如何選擇掃描頻率成了系統(tǒng)管理者的一個(gè)難題。

3、提出了一種新的掃描方案來(lái)解決這個(gè)難題。在該方案中，最優(yōu)的掃描頻率由數(shù)據(jù)丟失代價(jià)、掃描頻率、磁盤(pán)失效率、磁盤(pán)潛在扇區(qū)失效率以及RAID的修復(fù)率這幾者來(lái)決定。相比每個(gè)月對(duì)磁盤(pán)進(jìn)行一次掃描檢測(cè)操作方案，研究結(jié)果顯示，從磁盤(pán)開(kāi)始運(yùn)行到17520個(gè)小時(shí)時(shí)，最優(yōu)磁盤(pán)掃描檢測(cè)方案的最大開(kāi)銷(xiāo)降幅達(dá)到了73.3％；在各種磁盤(pán)掃描檢測(cè)方案中，本方案的可靠性也最高。
　　 ⑵如今，大規(guī)模存儲(chǔ)系統(tǒng)中，由于數(shù)據(jù)的增長(zhǎng)，經(jīng)常需要增加新的設(shè)備；另外，由于大量

4、存儲(chǔ)設(shè)備的存在，使得幾乎每天都會(huì)有存儲(chǔ)設(shè)備發(fā)生故障，因此，在采用磁盤(pán)陣列作為存儲(chǔ)設(shè)備的存儲(chǔ)系統(tǒng)中，系統(tǒng)擴(kuò)容和數(shù)據(jù)重建比較常見(jiàn)。系統(tǒng)擴(kuò)容和數(shù)據(jù)重建過(guò)程對(duì)前端應(yīng)用的性能影響很大。為了保障前端應(yīng)用的性能，提出了一種基于灰色預(yù)測(cè)理論的方案（Seesaw）來(lái)保障前端應(yīng)用的性能。在該方案中，首先監(jiān)控前端應(yīng)用的I/O 請(qǐng)求規(guī)律，然后預(yù)測(cè)前端應(yīng)用在接下來(lái)的時(shí)間段內(nèi)的帶寬需求，在盡量滿(mǎn)足前端應(yīng)用帶寬需求的前提下，利用剩余的帶寬能力來(lái)服務(wù)磁盤(pán)陣列的擴(kuò)容和重

5、建請(qǐng)求。實(shí)驗(yàn)顯示，所提方案對(duì)于Financial1，相比沒(méi)有采取本方案時(shí)，前端應(yīng)用平均請(qǐng)求響應(yīng)時(shí)間與磁盤(pán)陣列處于重建時(shí)期相比有明顯提升。
　　 ⑶隨著海量數(shù)據(jù)中心規(guī)模的增加，由潛在扇區(qū)錯(cuò)誤導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失情況越來(lái)越常見(jiàn)。為了防止單盤(pán)內(nèi)由潛在扇區(qū)錯(cuò)誤導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失，現(xiàn)有的做法一是采用磁盤(pán)內(nèi)掃描檢測(cè)技術(shù)，二是采用磁盤(pán)內(nèi)扇區(qū)間編碼方案。磁盤(pán)內(nèi)扇區(qū)間編碼方案以降低磁盤(pán)性能為代價(jià)來(lái)獲得更高的可靠性。該方案并不適合于高性能高可靠性要求的應(yīng)用環(huán)

6、境。由于頻繁訪問(wèn)的數(shù)據(jù)區(qū)域更可能會(huì)發(fā)生潛在扇區(qū)錯(cuò)誤，提出了一種利用冗余熱點(diǎn)數(shù)據(jù)的方法來(lái)提高磁盤(pán)的性能和可靠性方案。該方案利用副本技術(shù)來(lái)提高磁盤(pán)的可靠性，利用磁頭預(yù)測(cè)定位算法來(lái)選擇離磁頭最近的副本數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問(wèn)來(lái)提高性能。理論分析結(jié)果顯示，該方案大大降低了磁盤(pán)發(fā)生潛在扇區(qū)錯(cuò)誤導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失的概率。
　　 ⑷性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，采用該方案時(shí)，磁盤(pán)的訪問(wèn)時(shí)間會(huì)降低20％左右。在采用Shamir 門(mén)限方案的歸檔存儲(chǔ)系統(tǒng)中，將需要存儲(chǔ)的數(shù)

7、據(jù)進(jìn)行分割存放，在恢復(fù)原始數(shù)據(jù)時(shí)則只需要分割后的一部分?jǐn)?shù)據(jù)即可恢復(fù)。在一個(gè)（k，n）門(mén)限方案中，只需要任何k 份數(shù)據(jù)即可恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)。構(gòu)建了一個(gè)節(jié)能的歸檔存儲(chǔ)系統(tǒng)GreenArc。GreenArc 利用門(mén)限方案對(duì)所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)在各個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行分發(fā)，存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)在獲取分發(fā)的數(shù)據(jù)后，選擇其中k個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)保持服務(wù)狀態(tài)，而其他n-k個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)保持待機(jī)狀態(tài)，使得歸檔存儲(chǔ)系統(tǒng)最大化的節(jié)約能耗。實(shí)驗(yàn)表明，在同一門(mén)限方案下，系統(tǒng)負(fù)載越輕，采用Gree