樹(shù)結(jié)構(gòu)磁盤(pán)陣列組織策略及關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、數(shù)字化信息的爆炸性增長(zhǎng)，對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能、擴(kuò)展性和可用性等提出了較高的要求。磁盤(pán)陣列（Redundant Array of Independent Disk, RAID）作為存儲(chǔ)系統(tǒng)中的核心存儲(chǔ)設(shè)備，其以可靠性高、并行性好等優(yōu)點(diǎn)，從提出之日起就備受學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注。然而現(xiàn)有磁盤(pán)陣列所采用的集中式控制結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生性能瓶頸，且擴(kuò)展性不好。高端企業(yè)級(jí)磁盤(pán)陣列往往采用專用的硬件部件，并通過(guò)高度冗余的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和定制的通道結(jié)構(gòu)來(lái)提高陣列的性能和

2、可靠性，但這些方法價(jià)格昂貴且升級(jí)困難。因此，探尋一種具有高性價(jià)比、高可靠、易擴(kuò)展的大規(guī)模磁盤(pán)陣列組織方法，來(lái)應(yīng)對(duì)飛速增長(zhǎng)的存儲(chǔ)需求，已成為擺在研究者面前的重要課題。
　　 采用標(biāo)準(zhǔn)存儲(chǔ)單元構(gòu)建模塊化存儲(chǔ)系統(tǒng)是當(dāng)前存儲(chǔ)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，該方法具有性價(jià)比高和擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)，但現(xiàn)有模塊化存儲(chǔ)系統(tǒng)研究忽略了存儲(chǔ)單元之間的組織結(jié)構(gòu)，借鑒高性能計(jì)算領(lǐng)域中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究，并考慮到存儲(chǔ)系統(tǒng)I/O訪問(wèn)自身的特點(diǎn)，提出了一種模塊化樹(shù)結(jié)構(gòu)互聯(lián)的分層磁盤(pán)

3、陣列結(jié)構(gòu)MT2RAID（Modular Tree-connected Multi-Tier RAID）。MT2RAID由標(biāo)準(zhǔn)的存儲(chǔ)系統(tǒng)單元組成，其中每個(gè)存儲(chǔ)單元包含CPU、內(nèi)存、磁盤(pán)和接口部件等，存儲(chǔ)單元之間通過(guò)胖樹(shù)結(jié)構(gòu)互聯(lián)通道進(jìn)行連接。
　　 在MT2RAID結(jié)構(gòu)中，每個(gè)存儲(chǔ)單元都是一個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)子系統(tǒng)，由于其由標(biāo)準(zhǔn)部件組成，只能提供有限的性能和可靠性，為了滿足系統(tǒng)不同性能和可靠性的要求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了三種不同的數(shù)據(jù)分布方式，M

4、T2RAID-S采用無(wú)校驗(yàn)塊交叉方式，MT2RAID-M采用分級(jí)鏡像方式，MT2RAID-P采用分級(jí)塊交叉奇偶校驗(yàn)方式?？紤]到MT2RAID層次性結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，進(jìn)而又采用層間寫(xiě)日志方法和層間緩存方法來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)讀寫(xiě)性能。
　　 與集中式磁盤(pán)陣列結(jié)構(gòu)相比，MT2RAID結(jié)構(gòu)在性價(jià)比和擴(kuò)展性上具有很大優(yōu)勢(shì)，但MT2RAID結(jié)構(gòu)中每個(gè)存儲(chǔ)單元的資源有限。為了最大限度地提高M(jìn)T2RAID結(jié)構(gòu)的性能，采用全局協(xié)作緩存管理方法，充分利用M

5、T2RAID結(jié)構(gòu)中其它存儲(chǔ)單元的空閑緩存資源，在不增加每個(gè)存儲(chǔ)單元內(nèi)存大小的情況下，提高M(jìn)T2RAID結(jié)構(gòu)中緩存資源的利用率，減少磁盤(pán)I/O。同時(shí)，MT2RAID全局緩存空間大小也會(huì)隨著系統(tǒng)中存儲(chǔ)單元的增加而線性增長(zhǎng)。
　　 MT2RAID作為一個(gè)由模塊化存儲(chǔ)單元構(gòu)成的大規(guī)模磁盤(pán)陣列結(jié)構(gòu)，其存儲(chǔ)空間管理是需要解決的另一個(gè)重要問(wèn)題，隨著應(yīng)用需求的增加，存儲(chǔ)系統(tǒng)應(yīng)能提供靈活多變的存儲(chǔ)服務(wù)。MT2RAID通過(guò)內(nèi)部存儲(chǔ)虛擬化方法將各存儲(chǔ)

6、單元的存儲(chǔ)空間形成一個(gè)虛擬存儲(chǔ)池，進(jìn)行統(tǒng)一管理，并根據(jù)外部應(yīng)用需求進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配，這種方式還有利于提高存儲(chǔ)單元中磁盤(pán)存儲(chǔ)空間的利用率。
　　 磁盤(pán)陣列、數(shù)據(jù)復(fù)制和和遠(yuǎn)程鏡像等技術(shù)，可以在磁盤(pán)出現(xiàn)故障或站點(diǎn)失效時(shí)，對(duì)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)提供有效的保護(hù)，但無(wú)法避免軟件缺陷、病毒攻擊和人為操作失誤等軟故障導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失。結(jié)合MT2RAID結(jié)構(gòu)分層的特點(diǎn)，采用持續(xù)數(shù)據(jù)保護(hù)、快照和數(shù)據(jù)備份等技術(shù)構(gòu)成一個(gè)多級(jí)數(shù)據(jù)可恢復(fù)方法，在不同層提供不同的訪問(wèn)性能

7、、數(shù)據(jù)可靠性和數(shù)據(jù)可恢復(fù)性。針對(duì)現(xiàn)有寫(xiě)時(shí)拷貝快照和持續(xù)數(shù)據(jù)保護(hù)方法中寫(xiě)操作開(kāi)銷較大的缺點(diǎn)，提出多線程并發(fā)執(zhí)行和日志方式的優(yōu)化方法，分析及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這些優(yōu)化方法可有效地提高快照和持續(xù)數(shù)據(jù)保護(hù)方法的性能。
　　 綠色節(jié)能是當(dāng)前數(shù)據(jù)中心發(fā)展的趨勢(shì)，MT2RAID作為一種大規(guī)模磁盤(pán)存儲(chǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其能量消耗也是需要關(guān)注的問(wèn)題?，F(xiàn)有的基于磁盤(pán)中數(shù)據(jù)分布的節(jié)能方法，主要從提高數(shù)據(jù)命中率的角度出發(fā)，而忽略了訪問(wèn)缺失對(duì)磁盤(pán)狀態(tài)的影響，進(jìn)而影響