容錯(cuò)存儲系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)研究.pdf

1、冗余容錯(cuò)技術(shù)能夠顯著提高數(shù)據(jù)存儲的可靠性，在實(shí)際存儲系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，容錯(cuò)存儲系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)用中卻存在諸多障礙和挑戰(zhàn)。容錯(cuò)存儲系統(tǒng)的底層編碼結(jié)構(gòu)有著多種實(shí)現(xiàn)方式，但現(xiàn)有的容錯(cuò)編碼大多都存在性能缺陷，且普遍具有碼長限制。另一方面，容錯(cuò)存儲系統(tǒng)利用高數(shù)據(jù)冗余實(shí)現(xiàn)了高容錯(cuò)能力，但同時(shí)也導(dǎo)致了過高的寫開銷和過低的寫性能。研究高性能容錯(cuò)編碼的構(gòu)造方法、容錯(cuò)編碼的碼長擴(kuò)展方法、以及容錯(cuò)存儲系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)和性能優(yōu)化方法等，克服容錯(cuò)存儲系統(tǒng)在

2、實(shí)際應(yīng)用中的各種缺陷，是一項(xiàng)十分重要和緊迫的研究課題。
　　經(jīng)過理論分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)評估，取得了下列一些研究成果。
　　首先，從理論上嚴(yán)格證明了容雙錯(cuò)編碼的存儲效率、更新復(fù)雜度和編解碼計(jì)算復(fù)雜度等性能指標(biāo)的最優(yōu)值。在此理論框架下，提出了一種新的容雙錯(cuò)編碼結(jié)構(gòu)P-Code，P-Code在上述三個(gè)性能指標(biāo)上同時(shí)達(dá)到了理論最優(yōu)值。P-Code的編碼結(jié)構(gòu)與一個(gè)特定二元組集合的劃分相關(guān)聯(lián)，其中每個(gè)二元組對應(yīng)于編碼結(jié)構(gòu)中的一個(gè)數(shù)據(jù)塊

3、，作為該數(shù)據(jù)塊的標(biāo)簽。P-Code的編解碼過程都是基于數(shù)據(jù)塊標(biāo)簽的，簡單直觀，易于理解和工程實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，P-Code的編碼結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的靈活性，同列數(shù)據(jù)塊之間互換標(biāo)簽，不同列之間整體互換標(biāo)簽，都不會影響P-Code的正確性，調(diào)換標(biāo)簽后生成的編碼結(jié)構(gòu)是與原始編碼結(jié)構(gòu)具有相同容錯(cuò)能力的變形形式。
　　RDP（Row-Diagonal Parity）編碼是一種在存儲學(xué)術(shù)界和工業(yè)界得以廣泛關(guān)注和應(yīng)用的容雙錯(cuò)編碼。在對RDP編碼的性能指標(biāo)進(jìn)

4、行分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)RDP編碼的存儲效率和編解碼計(jì)算復(fù)雜度均達(dá)到了理論最優(yōu)值，但更新復(fù)雜度卻沒達(dá)到理論最優(yōu)值。提出了一種改進(jìn)RDP編碼的方案，該方案通過更改RDP編碼結(jié)構(gòu)中行校驗(yàn)塊的放置策略，在保持RDP編碼的存儲效率和編解碼計(jì)算復(fù)雜度的最優(yōu)性的前提下，使其更新復(fù)雜度也達(dá)到了最優(yōu)。
　　容雙錯(cuò)編碼的碼長通常都具有限制，導(dǎo)致基于容雙錯(cuò)編碼的容錯(cuò)存儲系統(tǒng)所能配置的磁盤或節(jié)點(diǎn)數(shù)目也具有限制。水平碼可以通過直接削減數(shù)據(jù)列的方式來擴(kuò)展至任意碼長，

5、而垂直碼卻不能通過這種方式來進(jìn)行碼長擴(kuò)展，因?yàn)榇怪贝a結(jié)構(gòu)中的數(shù)據(jù)列含有校驗(yàn)塊。提出了兩種適用于容雙錯(cuò)垂直碼的碼長擴(kuò)展算法。第一種算法在削減數(shù)據(jù)列時(shí)通過變更校驗(yàn)塊的方式保證了校驗(yàn)條帶的完整性，而第二種算法在削減數(shù)據(jù)列時(shí)將失去校驗(yàn)塊的整個(gè)校驗(yàn)條帶從編碼結(jié)構(gòu)中移除。這兩種算法均能將垂直碼擴(kuò)展至任意碼長，并能保持其原有的容錯(cuò)特性。
　　變更校驗(yàn)塊方式的碼長擴(kuò)展算法保持了垂直碼的最優(yōu)存儲效率，但增加了垂直碼的更新復(fù)雜度和計(jì)算復(fù)雜度；移除校驗(yàn)

6、條帶方式的碼長擴(kuò)展算法降低了垂直碼的存儲效率，但使得垂直碼的更新復(fù)雜度保持最優(yōu)，并進(jìn)一步降低了垂直碼的計(jì)算復(fù)雜度。受此現(xiàn)象的啟發(fā)，又提出了垂直碼的垂直削減算法，該算法以降低垂直碼的存儲效率為代價(jià)，來換取垂直碼更低的計(jì)算復(fù)雜度以及更高的數(shù)據(jù)恢復(fù)效率。
　　為了解決RAID6磁盤陣列的寫性能過低的問題，提出了一種利用日志技術(shù)優(yōu)化RAID6磁盤陣列寫性能的方案RAID6L。RAID6L在RAID6磁盤陣列結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加一個(gè)日志盤，并且

7、在寫數(shù)據(jù)的同時(shí)只將相關(guān)數(shù)據(jù)塊的初始數(shù)據(jù)或更新數(shù)據(jù)記入日志盤中，校驗(yàn)的更新延遲到系統(tǒng)負(fù)載比較輕的時(shí)候再統(tǒng)一處理。由于記錄日志的開銷比更新校驗(yàn)塊的開銷要小很多，因此RAID6L的寫性能比傳統(tǒng)RAID6磁盤陣列要提高很多。同時(shí)，日志盤上的記錄能夠保證RAID6磁盤陣列在不更新校驗(yàn)的時(shí)候仍然具有容雙盤出錯(cuò)的能力。相比于傳統(tǒng)的RAID6磁盤陣列，RAID6L能以較小的可靠性損失換來寫性能的大幅提升。
　　校驗(yàn)日志方案（Parity Logg