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盘阵列的数据布局技术研究

作　者: 毛波
导　师: 冯丹
学　校: 华中科技大学
专　业: 计算机系统结构
关键词: 磁盘阵列固态盘数据布局能耗性能评估
分类号: TP333.3
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
下　载: 196次
引　用: 3次
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内容摘要

磁盘阵列是构建高性能、高可靠和大容量磁盘存储系统的一项重要技术,随着磁盘技术和新型存储器如固态盘技术等的发展,传统的磁盘阵列技术正面临着一些挑战。磁盘容量以每年60%速度增长,而磁盘的性能指标,如寻道时间和旋转延迟等仅仅以10%左右的速度增长。此外,研究发现大规模存储系统中磁盘的故障率远超出了磁盘厂商标称的数值。磁盘容量、性能和可靠性的不平衡发展导致传统的磁盘阵列数据布局方式不能够满足用户对磁盘阵列性能和可靠性的需求。并且用户对绿色存储的迫切需求,要求磁盘阵列在能耗方面能够有所改进,而传统磁盘阵列的设计初衷是没有考虑能耗的。同时,随着固态盘技术的日益发展,固态盘阵列技术也面临着一些挑战。因此,对传统磁盘阵列的数据布局方式进行优化,以提供高性能、高可靠和低能耗的存储系统是一项紧迫的任务。镜像磁盘阵列由于镜像冗余的特性导致对于每个写请求,均在互为镜像的两个磁盘都完成写请求后才能返回该请求的完成信号,因此写性能较差,同时双冗余特性也使其运行时耗能较多。针对镜像磁盘阵列的写性能问题和能耗问题提出了两种改进的数据布局方案：提高性能的数据布局方法RAID10L和提高能效的数据布局方法GRAID。RAID10L的基本思想是对所有的写请求采取写平衡,即从两个互为镜像的磁盘中选取一个磁盘写入(采用最短寻道时间优先策略),同时将该数据顺序地写入到日志盘中,并且在非易失性存储器中标记该请求,操作完成后即报告写请求完成。将数据从一个磁盘更新到其对应镜像盘的操作延迟到空闲时间段进行,这样大大提高了镜像磁盘阵列的性能。性能评估结果表明相比于RAID10和RAIDO, RAID10L对性能有27.3%-47.1%的提升。GRAID的基本思想是对所有的写请求,一份数据写入两个镜像盘中的一个,另一份数据顺序地写入日志盘中,并且在非易失性存储器中标记该请求,另一个镜像盘置于低能耗状态。一段时间后再把所有的镜像磁盘旋转起来,将修改过的数据从主磁盘更新到镜像盘中。这样可以最大限度地保证GRAID关闭一半的磁盘来节约能耗,相比于现有的节能技术,可靠性也得到了保证。性能评估结果表明,GRAID的能效明显优于RAID10,最多提高了32.1%,平均为25.4%。另外,在RAID10L和GRAID的基础上提出了采用镜像和校验两种冗余机制保护的磁盘阵列MP-RAID,进一步提高了磁盘阵列的可靠性。MP-RAID通过自我调节的方式在镜像和校验两种冗余保护机制下切换,以达到节约能耗和提高性能的目的。基于Flash存储介质的固态盘具有小写性能差和擦除次数有限的特性,因此不能简单地将磁盘阵列技术应用到固态盘阵列中。为了充分挖掘固态盘和磁盘的性能特性,提出了一种混合式盘阵列HPDA。HPDA是使用固态盘做数据盘、磁盘做校验盘的RAID4阵列结构,消除了由于校验信息频繁更新而导致的固态盘存储介质损耗问题,但是该架构并没有解决校验盘阵列的小写性能问题和快速数据恢复问题。为此在该RAID4架构上又加入一块磁盘,与校验盘中的剩余磁盘空间组成一个镜像缓存空间,暂时缓存来自主机的随机写请求数据。由于写入镜像缓存空间的数据是顺序存放的,并且采用镜像冗余保护,因此相对于纯固态盘阵列和磁盘阵列,混合式盘阵列的性能和可靠性都得到了显著地提高。在磁盘阵列的性能、可靠性和能耗优化方面对数据布局技术进行了深入研究,提出了一些创新性的方案,探索和研究了将磁盘阵列技术应用于固态盘阵列,为研究和构建下一代大规模存储系统打下了良好的基础。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
1 绪论  10-29
  1.1 磁盘阵列的基本数据布局方式  10-12
  1.2 磁盘阵列技术面临的挑战  12-14
  1.3 磁盘阵列的数据布局技术研究现状  14-23
  1.4 固态盘和固态盘阵列技术研究现状  23-26
  1.5 本文研究的主要内容  26-29
2 提高镜像磁盘阵列性能的数据布局  29-49
  2.1 研究背景及问题的提出  29-33
  2.2 提高镜像磁盘阵列性能的数据布局RAID10L  33-39
  2.3 盘失效后的恢复策略  39-42
  2.4 RAID10L的可靠性评估  42-45
  2.5 性能测试结果与分析  45-47
  2.6 本章小结  47-49
3 降低镜像磁盘阵列能耗的数据布局  49-69
  3.1 研究背景及问题的提出  49-53
  3.2 降低镜像磁盘阵列能耗的数据布局GRAID  53-59
  3.3 GRAID中的数据恢复策略  59-61
  3.4 GRAID的可靠性评估  61-64
  3.5 性能测试结果与分析  64-67
  3.6 本章小结  67-69
4 多冗余保护的磁盘阵列  69-81
  4.1 研究背景  69-71
  4.2 多冗余保护的磁盘阵列MP-RAID  71-75
  4.3 可靠性分析与比较  75-80
  4.4 本章小结  80-81
5 混合式盘阵列  81-102
  5.1 研究背景及问题的提出  81-88
  5.2 混合式盘阵列HPDA  88-94
  5.3 HPDA的可靠性评估  94-96
  5.4 性能测试结果与分析  96-101
  5.5 本章小结  101-102
6 全文总结  102-105
致谢  105-106
参考文献  106-118
附录1 攻读博士学位期间发表的学术论文目录  118-120
附录2 攻读博士学位期间申请的专利及计算机软件著作权  120-121
附录3 攻读博士学位期间参加的主要科研项目  121

盘阵列的数据布局技术研究

内容摘要

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