一种水平型分组并行分布校验的磁盘阵列的构建方法

摘要

本发明涉及一种水平型分组并行分布校验的磁盘阵列的构建方法，适用于连续数据存储，属于独立磁盘冗余阵列技术领域。本发明针对连续数据存储的特点，设计实现一种水平型分组并行分布校验的磁盘阵列SHE-RAID 5，主要包括：存储数据在SHE-RAID 5上的布局、存储数据的读写、校验数据的生成方式、写数据时的数据缓冲与预读优化、磁盘工作状态转换调度等。磁盘阵列SHE-RAID5不但具有良好的冗余数据保护机制，而且能显著降低功耗，延长使用寿命。

主权项

1.一种水平型分组并行分布校验的磁盘阵列的构建方法；水平型分组并行分布校验的磁盘阵列，简称为磁盘阵列SHE-RAID 5；其特征在于：应用于磁盘阵列包含N个磁盘的场景中，其中N≥3且N为正整数；将N个磁盘构造成1行×N列的磁盘矩阵；对全部磁盘进行条带划分，分成N个条带并为每个条带顺序编号，每个条带上有N个存储块，其中1个为校验块，另外N-1个为数据块，校验块由同条带内的N-1个数据块通过异或运算得出，N个校验块顺序分布在阵列的不同磁盘上；用X(i，j)表示磁盘阵列SHE-RAID 5中的一个存储块，其中j表示该存储块所在磁盘的序号，存储块X(i，j)位于磁盘j上；i表示该存储块所在条带；1≤i，j≤N；则存储块X(i，N+1-i)为校验块，用P(i，j)表示；其它存储块为数据块，用L(u，v)表示，其中u表示数据块所在条带的序号，1≤u≤N，v表示该数据块在所属条带内的数据块的序号，序号从1开始，1≤v≤N-1；数据块L(u，v)与存储块的对应关系满足公式1：$L(u,v)=\left\{\begin{array}{cc}X(u,v)& u+v<N+1\\ X(u,v+1)& u+v\ge N+1\end{array}\right.---\left(1\right)$为了提高连续存储带宽，并获得不同的连续存储带宽，以满足不同存储速率的需求，将每个条带上的N-1个数据块平均分成p组，p≥2且p为正整数，每组包含q个数据块，q≥1且q为正整数，q值根据实际存储任务对连续带宽的需求确定；并满足以下关系：N-1＝p×q；每个数据块分成K个大小相等的数据子块，K≥2且K为正整数，然后按照条带顺序依次为全部数据子块编号，同一条带内的数据子块，按照组顺序编号；即：首先为第一条带第1组的第1个数据块中第1个数据子块编号为1；为第一条带中第1组的第2个数据块中第1个数据子块编号为2；……；为第一条带中第1组的第q个数据块中第1个数据子块编号为q；然后为第一条带中第1组的第1个数据块中第2个数据子块编号为q+1；为第一条带第1组的第2个数据块中第2个数据子块编号为q+2；……；为第一条带中第1组的第q个数据块中第2个数据子块编号为2×q；……；以此类推，为第一条带中第1组的第1个数据块中第K个数据子块编号为(K-1)×q+1；为第一条带第1组的第2个数据块中第K个数据子块编号为(K-1)×q+2；……；为第一条带中第1组的第q个数据块中第K个数据子块编号为K×q；然后为第一条带第2组的第1个数据块中第1个数据子块编号为K×q+1；为第一条带中第2组的第2个数据块中第1个数据子块编号为K×q+2；……；为第一条带中第2组的第q个数据块中第1个数据子块编号为(K+1)×q；然后为第一条带中第2组的第1个数据块中第2个数据子块编号为(K+1)×q+1；为第一条带第2组的第2个数据块中第2个数据子块编号为(K+1)×q+2；……；为第一条带中第2组的第q个数据块中第2个数据子块编号为(K+2)×q；……；以此类推，为第一条带中第2组的第1个数据块中第K个数据子块编号为2×K×q-q+1；为第一条带第2组的第2个数据块中第K个数据子块编号为2×K×q-q+2；……；为第一条带中第2组的第q个数据块中第K个数据子块编号为2×K×q；然后为第一条带第p组的第1个数据块中第1个数据子块编号为(p-1)×K×q+1；为第一条带中第p组的第2个数据块中第1个数据子块编号为(p-1)×K×q+2；……；为第一条带中第p组的第q个数据块中第1个数据子块编号为(p-1)×K×q+q；然后为第一条带中第p组的第1个数据块中第2个数据子块编号为(p-1)×K×q+q+1；为第一条带第p组的第2个数据块中第2个数据子块编号为(p-1)×K×q+q+2；……；为第一条带中第p组的第q个数据块中第2个数据子块编号为(p-1)×K×q+q×2；……；以此类推，为第一条带中第p组的第1个数据块中第K个数据子块编号为p×K×q-q+1；为第一条带第p组的第2个数据块中第K个数据子块编号为p×K×q-q+2；……；为第一条带中第p组的第q个数据块中第K个数据子块编号为p×K×q；以此类推，按照相同的编号原则，为第二条带至第N条带的数据子块进行编号；编号相邻的数据子块，其逻辑地址相邻；同一条带内序号相邻的组，其逻辑地址相邻；相邻条带中，前一条带的最后一组与后一条带的第一组的逻辑地址相邻；每个校验块也分成K个大小相等的校验子块，校验子块由所在条带中偏移位置相同的N-1个数据子磁盘阵列块异或运算而得，这样的N-1个数据子块及其异或生成的校验子块组成一个校验条；上述布局方式，可并行访问组内的q个数据块，又使存储任务分布在一组内，其余p-1组数据块所在磁盘没有任务，这样便于调度没有任务的磁盘进入到停止状态，以达到节能和降低磁盘损耗的目的；所述方法进一步包括：控制磁盘工作状态的方法；磁盘工作状态包括：停止、运行、就绪三种状态；磁盘停止状态时，磁盘转轴停止旋转、磁头停止寻道；磁盘运行状态时，磁盘正在执行读写操作，包括转轴旋转、磁头寻道；磁盘就绪状态时，表示将要被读写，此时磁盘转轴旋转、磁头不寻道；进行连续写操作时，绝大部分时间里，只有一组数据块所在磁盘和1个校验块所在磁盘处于运行状态，没有工作的磁盘被调度到停止状态，以达到节能的目的，磁盘工作状态转换调度策略具体为：为每个磁盘设置一个信号量，用Sem i表示，1≤i≤N，设置信号量Sem i的初始值均为0；第1步：根据访问数据的逻辑地址，用LBA表示，计算出该访问数据所在数据块所属的条带u以及所属的组，用r表示；通过公式2得到：其中，条带大小表示条带内各数据块数据之和，组大小为组内各数据块数据之和，MOD表示模运算，加1表示条带编号和组编号均从1开始；然后，使用公式1进一步得到第u条带第r组内的q个数据块L(u，r×q-q+1)、L(u，r×q-q+2)、……、L(u，r×q-q+q)的所属磁盘，以及同条带内校验块所属磁盘为N+1-u，并对第u条带第r组内的q个数据块的所在磁盘和磁盘N+1-u分别处理：若该磁盘处于停止状态，则调度到就绪状态；条带序号u和组序号r分别用于记录当前访问操作的条带序号和组序号；第2步：当第u条带第r组内的q个数据块的所在磁盘和磁盘N+1-u处于就绪状态时，分别向这q+1磁盘进行写操作时，进行写操作的磁盘由就绪状态转为运行状态；第3步：如果本次访问在第u条带第r组内结束，则本次访问结束后，第u条带第r组内的q个数据块所属磁盘及同条带内的校验块所属磁盘N+1-u由运行状态转为就绪状态，然后退出本次调度；否则，在第u条带第r组访问结束前t时刻，t为磁盘由停止状态转为就绪状态所需要的时间，确定相邻组的条带编号，用I表示，及组编号，用R表示，并对第I条带第R组内q个数据块所属磁盘及第I条带内的校验块所属磁盘N+1-I分别处理：若该磁盘处于停止状态，则调度到就绪状态；若该磁盘处于运行状态，则该磁盘的磁盘信号量加1；在第u条带第r组访问结束后，对第u条带第r组内的q个数据块所属磁盘及第u条带内的校验块所属磁盘N+1-u分别处理：将该磁盘对应的信号量减1，如果该磁盘的信号量小于0，则将该磁盘由运行状态转为停止状态，并重新设置该磁盘的信号量为0；否则，将该磁盘由运行状态转为就绪状态；第4步：把记录当前访问所在条带序号的u值更新为I，将记录当前访问所在组序号的r的值更新为R，重复执行第2步到第4步；进行连续读操作时，绝大部分时间里，也只有一组数据块所在磁盘和1个校验块所在磁盘处于运行状态，磁盘工作状态转换调度策略与连续写操作相同。