一種raid4系統及其數據讀寫方法
2023-08-05 16:59:11 1
專利名稱：一種raid4系統及其數據讀寫方法
技術領域：
本發明涉及計算機存儲領域，具體涉及一種RAID4系統及其數據讀寫方法。
背景技術：
RAID (Redundant Access Independent Disks，獨立冗餘磁碟陣列)技術已經作 為一種成熟的技術廣泛應用於數據存儲中。RAID技術具有從RAIDO到6七種基本的RAID 級別，不同RAID級別代表著不同的存儲性能、數據安全性和存儲成本。其中RAID4是在 RAID3的基礎上發展起來的。如圖1所示，在RAID4模式中，盤陣包含N個存儲數據的磁碟 (簡稱數據盤)以及一個專用於存儲奇偶校驗信息的磁碟(簡稱校驗盤)，它以條帶(Data striping)為基礎，在把文件數據分塊後寫進一個數據盤的同時，對其它數據盤內與該數據 塊相同盤內位置的所有數據塊計算出它們的奇偶校驗值(X0R操作來完成)，最終形成一個 由奇偶校驗值組成的信息塊，並將其寫入校驗盤，這被稱為數據保護(Data guarding) 0它 的好處是提供了容錯能力，即這N+1個磁碟中任何一個出現故障，都不會造成丟失數據的 問題。因為奇偶校驗的對稱性，可以用剩下的N個磁碟的內容，計算出存放在有故障磁碟中 的正確的數據內容，儘管這一計算比較費時間。相對於機械磁碟技術，固態存儲是一種完全採用半導體晶片作為數據存儲介質和 讀取機構的存儲形式，摒棄了磁碟物理和機械特性的缺陷，其具有高IOPSanput/Output Operations Per Second，即每秒進行讀寫操作的次數)和低功耗的特徵，典型的固態硬碟 (SSD)的IOPS可以達到機械硬碟的20倍以上。因此採用SSD作為RAID4系統的校驗盤，可 以顯著提高RAID4系統的響應能力以及降低系統功耗。現有的採用SSD作為校驗盤的RAID4 系統如圖2所示，其包括RAID控制器203和盤陣，盤陣包括N個數據盤(N為大於等於2的 正整數)構成的磁碟陣列204和一個用作校驗盤的SSD 205。主機端為伺服器201、202，它 同時支持光纖通道 206 和 iSCSlGnternet Small Computer System hterface，網際網路小 型計算機系統接口 )通道207，並通過二個通道與RAID控制器203連接，RAID控制器203 與盤陣連接。該系統讀數據的流程為RAID控制器對讀請求的讀地址空間按照條帶進行拆 分，從對應的數據盤中讀出各條帶數據，之後將這些條帶數據緩存在RAID控制器中，再傳 送到主機端。該系統寫數據的流程為先把數據盤中的需要寫的條帶數據和校驗盤中的校 驗數據讀出到RAID控制器中緩存，並對它們進行反向計算從而得到其它數據盤內與該條 帶數據相同盤內位置的所有數據的校驗和，此校驗和再與新條帶數據進行XOR操作，計算 出新校驗數據，然後把新條帶數據寫入到相應數據盤，新校驗數據寫入到校驗盤。因此，一 次寫操作需要進行校驗盤的讀和寫各一次，即兩次10操作。由此可見，採用SSD作為校驗盤的RAID4系統的校驗盤瓶頸問題仍然存在，原因在 於，簡單的將SSD代替傳統機械硬碟，並沒有改變其10讀寫方式，任何一個數據盤發生寫操 作，都需要更新校驗盤，即使SSD的讀寫速度較機械硬碟快，但對大數據量更新操作校驗盤 的響應能力仍然決定了整個系統的10響應能力。
發明內容
本發明的目的在於提供一種具有簡化IO操作功能的新型SSD作為校驗盤的RAID4 系統及其數據讀寫方法，該系統通過大幅減少讀寫數據時校驗盤的IO操作數，有效消除校 驗盤的讀寫瓶頸，進而提高系統的性能。本發明提供的RAID4系統，包括RAID控制器和盤陣，盤陣包括由多個數據盤構成 的磁碟陣列和一個用作校驗盤的SSD，RAID控制器與盤陣連接，其特徵在於，RAID控制器通 過SSD自定義的接口命令實現與SSD之間的數據交互，在SSD的控制器中增設緩存模塊和 異或模塊，緩存模塊用於存儲RAID控制器寫入SSD的數據，異或模塊取代控制器中的校驗 更新模塊，實現校驗信息的計算功能，以實現數據的讀寫。本發明所提供的系統採用SSD作為校驗盤，將傳統RAID控制器中的校驗更新模塊 改放到SSD中實現，使得該SSD具有簡化IO操作功能。與傳統SSD作為校驗盤的RAID4系 統相比本發明所提供的系統，減少了 RAID控制器與校驗盤之間因更新校驗數據而產生的 IO操作數。因而本發明具有以下優點1.由於採用SSD作為校驗盤，顯著提高了 RAID4系統的響應能力，同時降低了系統 功耗；2.由於採用具有簡化IO操作功能的SSD作為校驗盤，大幅減少了讀寫數據時校驗 盤的IO操作數；3.由於採用具有簡化IO操作功能的SSD作為校驗盤，有效消除了校驗盤 的讀寫瓶頸；3.由於採用具有簡化IO操作功能的SSD作為校驗盤，大大提高了系統的性能；4.由於採用具有簡化IO操作功能的SSD作為校驗盤，校驗更新模塊在SSD中實 現，大大降低了 RAID控制器的設計難度和成本。
圖1為現有RAID4系統的拓撲結構示意圖；圖2為現有的採用SSD作為校驗盤的RAID4系統的整體結構示意圖；圖3為本發明提供的RAID4系統的整體結構示意圖；圖4為本發明中具有簡化IO操作功能的SSD的整體結構示意圖；圖5為本發明所提供系統中的讀操作示意圖；圖6為本發明所提供系統中的寫操作示意具體實施例方式下面將結合本發明實施實例中的附圖，對本發明實例中的技術方案進行清楚、完 整的描述，本文所描述的實施例是本發明的一部分實例，而不是全部的實施例。基於本發明 的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例， 都屬於本發明保護的範圍。本發明提供的RAID4系統(也稱之為RAID 4+系統)如圖3所示，與現有的RAID4 系統一樣，均包括RAID控制器303和盤陣，盤陣包括磁碟陣列304和一個用作校驗盤的SSD 305。主機端伺服器301、302通過光纖通道306和iSCSI通道307與RAID控制器303連接。 由於RAID4+系統的需要，與現有技術的普通SSD作為校驗盤不同，本發明採用的是一種改
4造後的SSD，該SSD具有簡化IO操作功能。如圖4所示，改造後的SSD是在現有結構的SSD 的控制器部分加入了兩個功能模塊緩存模塊(Data BUffer)4093，和異或模塊4091，其中 緩存模塊4093除了作為數據緩衝之外，由於SSD的寫壽命問題，使用性能較好的緩存硬體 以及較優的寫策略，可以減少對SSD的快閃記憶體介質的寫次數(在主機對相同地址多次寫操作 時，可以在緩存裡最終合併成一個操作並發送到快閃記憶體介質)，從而延緩SSD的寫壽命。另外， 異或模塊4091是將原本設置在RAID控制器中的校驗更新模塊改為在SSD中的現場可編程 邏輯門陣列中實現，將原本要在RAID控制器這層進行的數據異或處理改為在SSD控制器中 進行處理，這樣做的好處是減少RAID控制器與SSD之間因更新校驗數據而產生的IO操作 數，以提高系統整體性能。因為在RAID控制器中計算校驗時，需要先讀回原來的校驗信息， 並與新寫入到數據盤的數據計算以生成新的校驗信息，因此在校驗盤內計算校驗能避免不 必要的數據傳輸動作，發揮輸入輸出接口的最大能力，從而提高系統整體性能。本發明提供的改造後的SSD實現了一組自定義的接口命令，RAID控制器通過使用 這組自定義的接口命令來調用校驗計算相關的功能。這組自定義的接口命令包括「異或 寫」等，由SSD的異或模塊完成。在進行寫操作時，RAID控制器使用「異或寫」命令將數據 盤中的原條帶數據以及需要寫入數據盤的新條帶數據一次性的寫入SSD緩存模塊，由SSD 的異或模塊進行校驗計算。下面，闡述本發明系統的讀寫方法。本發明的RAID4+系統的讀操作方法與傳統RAID4系統是一致的，如圖5所示，以 SCSKSmall Computer System hterface，小型計算機系統接口)協議為例，讀操作包括以 下步驟步驟501，RAID控制器收到來自伺服器的讀請求，並響應；步驟502，對該命令請求的讀地址空間按照條帶進行拆分，這些屬於同一個讀請求 的條帶用隊列管理起來；步驟503，RAID控制器的處理線程為每一個條帶構造一個目標盤和RAID控制器緩 衝模塊之間通信的讀命令，並且將命令發送到對應的數據盤；步驟504，RAID控制器從對應的數據盤中讀出各條帶數據，之後將這些條帶數據 緩存在RAID控制器中；步驟505，將RAID控制器中緩存的數據向主機端進行傳輸。如圖6所示，RAID4+系統的寫操作包括以下步驟步驟601，RAID控制器收到來自伺服器的寫請求，並響應；步驟602，對該命令請求的寫地址空間按照條帶進行拆分，這些屬於同一個寫命令 的條帶用隊列管理起來。步驟603，RAID控制器為每一個條帶計算出其目標數據盤，以及每一個條帶的目 標寫位置所對應的校驗信息在校驗盤的位置。步驟604，RAID控制器將原始的條帶數據讀入RAID控制器中緩存，之後調用SSD 的自定義命令「異或寫」，將原始的條帶數據1和需要寫入的新條帶數據1』同時寫入SSD 的緩存模塊。步驟605，在SSD中異或模塊進行異或運算1 1' P=P'(其中數據P位原始的校 驗數據)，得到新的校驗數據條帶P』 ；
步驟606，將校驗數據條帶P』寫入作為校驗盤的SSD的相應位置，同時將條帶數據 1，寫入相應的數據盤中。由以上寫操作方法可知，RAID4+系統的一次寫操作，只進行了一次校驗盤的IO操 作，與現有技術中的RAID4系統相比，大幅減少了讀寫數據時校驗盤的IO操作數。在典型的RAID系統中，在計算校驗數據的時候，有兩種情況；一種是用寫操作要 修改的目標數據與校驗盤數據計算，另一種是用寫操作要修改的目標數據所在的條帶的其 他數據盤的數據來直接計算。根據RAID系統的實現策略不同，本發明的寫操作一般步驟分 為兩種情況。情況1的步驟為步驟1 讀入寫操作要修改的目標數據並緩存。步驟2 將寫操作要修改的目標數據和寫操作的數據送到用作校驗盤的固態硬碟 中，對應的命令是「異或寫」。步驟3 將寫操作的數據送到目標數據盤。情況2的步驟為步驟1 讀入寫操作要修改的目標數據所在的條帶的其他數據盤的數據。步驟2 將寫操作要修改的目標數據所在的條帶的其他數據和寫操作的數據送到 用作校驗盤的固態硬碟中，對應的命令是「異或寫」。步驟3 將寫操作的數據送到目標數據盤。本發明不僅局限於上述具體實施方式
，本領域一般技術人員根據本發明公開的內 容，可以採用其它多種具體實施方式
實施本發明，因此，凡是採用本發明的設計結構和思 路，做一些簡單的變化或更改的設計，都落入本發明保護的範圍。
權利要求
1.一種RAID4系統，包括RAID控制器和盤陣，盤陣包括由多個數據盤構成的磁碟陣列 和一個用作校驗盤的固態硬碟，RAID控制器與盤陣連接，其特徵在於，RAID控制器通過自 定義的接口命令實現與固態硬碟之間的數據交互，在固態硬碟的控制器中增設緩存模塊和 異或模塊，緩存模塊用於存儲RAID控制器寫入固態硬碟的數據，異或模塊取代RAID控制器 中的校驗更新模塊，實現校驗信息的計算功能。
2.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述自定義的接口命令為「異或寫」命令， 在進行寫操作時，RAID控制器使用「異或寫」命令將數據盤中的原條帶數據以及需要寫入 數據盤的新條帶數據一次性的寫入固態硬碟緩存模塊，由固態硬碟的異或模塊進行校驗計 笪弁。
3.—種權利要求1或2所述的RAID4系統的讀方法，其特徵在於，該方法包括以下步驟步驟501，RAID控制器收到來自伺服器的讀請求，並響應；步驟502，對該命令請求的讀地址空間按照條帶進行拆分，這些屬於同一個讀請求的條 帶用隊列管理起來；步驟503，RAID控制器的處理線程為每一個條帶構造一個目標盤和RAID控制器緩衝模 塊之間通信的讀命令，並且將命令發送到對應的數據盤；步驟504，RAID控制器從對應的數據盤中讀出各條帶數據，之後將這些條帶數據 緩存在RAID控制器中；步驟505，將RAID控制器中緩存的數據向主機端進行傳輸。
4.一種權利要求1或2所述的RAID4系統的寫方法，其特徵在於，該方法包括以下步驟步驟601，RAID控制器收到來自伺服器的寫請求，並響應；步驟602，對該命令請求的寫地址空間按照條帶進行拆分，這些屬於同一個寫命令的條 帶用隊列管理起來；步驟603，RAID控制器為每一個條帶計算出其目標數據盤，以及每一個條帶的目標寫 位置所對應的校驗信息在校驗盤的位置；步驟604，RAID控制器將原始的條帶數據讀入RAID控制器中緩存，之後調用SSD的自 定義命令「異或寫」，將原始的條帶數據1和需要寫入的新條帶數據1』同時寫入SSD的緩 存模塊；步驟605，在SSD中異或模塊中進行異或運算1 1』 P=P'(其中數據P位原始的校 驗數據)，得到新的校驗數據條帶P』 ；步驟606，將校驗數據條帶P』寫入作為校驗盤的SSD的相應位置，同時將條帶數據1』 寫入相應的數據盤中。
全文摘要
本發明公開了一種RAID4系統及其數據讀寫方法。該RAID4系統包括RAID控制器和盤陣，盤陣包括由多個數據盤構成的磁碟陣列和一個用作校驗盤的固態硬碟，RAID控制器與盤陣連接，其特徵在於，RAID控制器通過自定義的接口命令實現與固態硬碟之間的數據交互，在固態硬碟的控制器中增設緩存模塊和異或模塊，緩存模塊用於存儲RAID控制器寫入固態硬碟的數據，異或模塊取代RAID控制器中的校驗更新模塊，實現校驗信息的計算功能。該系統通過對作為校驗盤的固態硬碟進行改造，同時提供相應的數據讀寫方法，大幅減少了讀寫數據時校驗盤的IO操作數，有效消除校驗盤的讀寫瓶頸，進而提高了系統的性能。
文檔編號G06F3/06GK102122235SQ201110025349
公開日2011年7月13日 申請日期2011年1月24日 優先權日2011年1月24日
發明者吳非, 王亞軒, 陳祥 申請人:華中科技大學, 武漢固捷聯訊科技有限公司