基于SSD和HDD的RAID架构及其备份、重建方法技术

本发明专利技术公开了基于SSD和HDD的RAID架构及其备份、重建方法，架构包括：RAID控制器，所述RAID控制器分别与一个磁盘阵列连接，所述磁盘阵列包括若干个磁盘组，每个磁盘组均包括一一对应的两个磁盘：固态硬盘SSD和机械硬盘HDD，所述固态硬盘SSD和机械硬盘HDD均与RAID控制器连接；每个固态硬盘SSD用于存储校验块和数据块；每个机械硬盘HDD用于对相同磁盘组中的固态硬盘SSD中的数据块进行备份。

【技术实现步骤摘要】
基于SSD和HDD的RAID架构及其备份、重建方法
本专利技术大规模存储系统(Large-ScaleStorageSystem)领域，涉及基于SSD和HDD的RAID架构及其备份、重建方法。
技术介绍
大规模存储系统是一个面向海量数据存储的计算机系统。由于受限于存储设备的发展，单块磁盘的容量及性能已无法满足现时代的大数据存储需求，因此将多块相同容量的磁盘组合在一起，形成独立冗余磁盘阵列(RedundantArrayofIndependentDisk，RAID)，读写时采用条带化(Stripe)技术，将每一个读写请求分散至多块磁盘共同承担，成为一个行之有效的解决方案。在众多RAID类型中，RAID-5是被现今工业界采用最广泛的一种解决方案。其主要思想是采用异或(XOR)校验码，在N块磁盘组成的磁盘阵列中选出一块磁盘用于存放剩余N-1块磁盘中数据的XOR校验值。同时，针对存放校验块的磁盘将比其它N-1块磁盘承受更多的I/O请求的问题，RAID-5采取了校验块轮换策略，将所有条带的校验块均匀的分布到每块磁盘上，使得每块磁盘均含有(N-1)/N的数据块以及1/N的校验块，均衡了I/O负载，提升了磁盘阵列的整体性能。但其存在多磁盘失效的问题，因为RAID-5阵列仅仅能提供一块磁盘失效后的保护能力，一旦第二块磁盘发生损坏，阵列数据将全部丢失。在需要高可靠性的应用背景下，这样的磁盘容错率显然是远远不够的。随着存储器的不断发展，新型的存储介质如固态硬盘(SolidStateDrive，SSD)开始出现，由于其相对于传统的机械硬盘(HardDiskDrive，HDD)拥有更好的抗震性、更低的功耗、更短的寻道时间以及更高的性能，而逐渐取代HDD在存储结构中的角色。同样的，在大规模存储系统中，SSD也呈逐渐取代HDD之势。但由于SSD采用NANDFlash作为其存储介质，具有写前擦除的操作限制，而每一片NANDFlash都有其固定的擦除次数(即其寿命周期)，当整块SSD中大多数NANDFlash达到其擦除次数上限(盘内纠错机制已无法纠正过高的读取错误率)时，此块SSD即宣告已损坏。不同于HDD寿命周期中比较固定的UBER率(UncorrectableBitErrorRate，不可修复的读取错误率，常用于表示磁盘的老化率)，SSD的UBER率与其闪存块接受的擦除操作次数密切相关，而其闪存块的擦除次数又与整块SSD接受的写操作数量密切相关。在写入数据量超过75TB时，SSD的UBER率已经超过了HDD，而一般SSD的写入寿命均在200TB及以上(KimJ,LeeJ,ChoiJ,etal.ImprovingSSDreliabilitywithRAIDviaelasticstripingandanywhereparity[C]//DependableSystemsandNetworks(DSN),201343rdAnnualIEEE/IFIPInternationalConferenceon.IEEE,2013:1-12.)。并且在RAID-5阵列中，写入操作被基本平均地分配到所有SSD，因此整体上的UBER率趋近一致。这将使RAID-5阵列的多磁盘失效问题更加严重，因为当某块SSD擦除次数达到上限、宣告损坏之时，其余SSD的UBER率皆与之相差不大，极有可能在RAID-5阵列降级重建过程中发生第二块甚至更多块SSD的损坏，导致整个阵列中的数据丢失。
技术实现思路
为了解决现有技术的不足，本专利技术提供了基于SSD和HDD的RAID架构及其备份、重建方法，其基于RAID-5全闪存磁盘阵列，提出了SSD+HDD的混合多层RAID架构，结合了SSD高性能与HDD高可靠性的双重优点，在RAID控制器层对多块SSD和HDD进行统一的控制与管理，有效地解决了当前RAID-5全闪存磁盘阵列面临的多磁盘失效问题。由于HDD相对SSD有着巨大的同容量价格优势，因此本专利技术的附加成本极低，可以有效控制企业运行时的存储成本。作为本专利技术的第一方面，提供了基于SSD和HDD的RAID架构；基于SSD和HDD的RAID架构，包括：RAID控制器，所述RAID控制器分别与一个磁盘阵列连接，所述磁盘阵列包括若干个磁盘组，每个磁盘组均包括一一对应的两个磁盘：固态硬盘SSD和机械硬盘HDD，所述固态硬盘SSD和机械硬盘HDD均与RAID控制器连接；每个固态硬盘SSD用于存储校验块和数据块；每个机械硬盘HDD用于对相同磁盘组中的固态硬盘SSD中的数据块进行备份。作为本专利技术的第二方面，提供了基于SSD和HDD的RAID架构的备份方法，基于SSD和HDD的RAID架构的备份方法，包括：步骤(101)：当一个写操作到达RAID控制器时，RAID控制器检测写操作中的数据块是否为校验块，如果是校验块，就将写操作只写入相应磁盘号的固态硬盘SSD中；如果不是校验块，就将写操作同时写入固态硬盘SSD和机械硬盘HDD中；步骤(102)：当一个磁盘组中的固态硬盘SSD失效时，当前磁盘组中的机械硬盘HDD接替固态硬盘SSD的工作，继续对数据块进行存储；步骤(103)：当固态硬盘SSD失效的个数大于一个时，失效的固态硬盘SSD对应的机械硬盘HDD接替失效固态硬盘SSD的工作，继续对数据块进行存储。作为本专利技术的进一步改进，所述步骤(101)可以替换为：步骤(1011)：将每一块磁盘划分为若干个条带，每一个条带都附有一个标志位；所述标志位用于记录当前条带中所有数据块是否已经都备份到机械硬盘HDD中，如果当前条带中的所有数据块都备份到机械硬盘HDD中，则标志位为“数据安全”；如果当前条带中的所有数据块至少有一个没有备份到机械硬盘HDD中，则标志位为“数据不安全”；步骤(1012)：当一个写操作到达RAID控制器时，RAID控制器将写操作写入相应的固态硬盘SSD，并在RAID控制器中将当前写操作所涉及的所有条带的标志位置为“数据不安全”；步骤(1013)：判断当前写操作与上一个写操作是否能够连接成顺序化操作，如果能够连接成顺序化操作，就将当前写操作与上一个写操作进行合并；如果不能够连接成顺序化操作，则将上一个写操作备份到机械硬盘HDD中，同时将上一个写操作涉及到的所有条带的标志位由“数据不安全”修改为“数据安全”；当前写操作仍存在于SSD中，等待下一次写操作的到来；返回步骤(1012)继续服务下一个写操作。所述当前写操作与上一个写操作是否能够连接成顺序化操作，是指当前写操作与上一个写操作涉及到的数据块区域首尾相接或者有重叠。作为本专利技术的进一步改进，步骤(1012)可以被替换为：当一个写操作到达RAID控制器时，RAID控制器首先将写操作写入相应的固态硬盘SSD，然后判断顺序化操作所涉及的条带数量是否超过设定阈值；如果未超过设定阈值，则RAID控制器将当前写操作与上一个写操作顺序化成一个写操作，并在RAID控制器中将顺序化后的写操作涉及到的所有条带的标志位置为“数据不安全”；进入步骤(1013)；如果超过设定阈值，则RAID控制器将顺序化后的写操作备份到机械硬盘HDD中，同时将写操作涉及到的所有条带的标志位由“数据不安全”修改为“数据安全”，结束。作为本专利技术的第三方面，提供了基于SSD和HDD的RA本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于SSD和HDD的RAID架构，其特征是，包括：RAID控制器，所述RAID控制器分别与一个磁盘阵列连接，所述磁盘阵列包括若干个磁盘组，每个磁盘组均包括一一对应的两个磁盘：固态硬盘SSD和机械硬盘HDD，所述固态硬盘SSD和机械硬盘HDD均与RAID控制器连接；每个固态硬盘SSD用于存储校验块和数据块；每个机械硬盘HDD用于对相同磁盘组中的固态硬盘SSD中的数据块进行备份。

【技术特征摘要】
1.基于SSD和HDD的RAID架构，其特征是，包括：RAID控制器，所述RAID控制器分别与一个磁盘阵列连接，所述磁盘阵列包括若干个磁盘组，每个磁盘组均包括一一对应的两个磁盘：固态硬盘SSD和机械硬盘HDD，所述固态硬盘SSD和机械硬盘HDD均与RAID控制器连接；每个固态硬盘SSD用于存储校验块和数据块；每个机械硬盘HDD用于对相同磁盘组中的固态硬盘SSD中的数据块进行备份。2.基于SSD和HDD的RAID架构的备份方法，其特征是，包括：步骤(101)：当一个写操作到达RAID控制器时，RAID控制器检测写操作中的数据块是否为校验块，如果是校验块，就将写操作只写入相应磁盘号的固态硬盘SSD中；如果不是校验块，就将写操作同时写入固态硬盘SSD和机械硬盘HDD中。3.如权利要求2所述的基于SSD和HDD的RAID架构的备份方法，其特征是，步骤(102)：当一个磁盘组中的固态硬盘SSD失效时，当前磁盘组的机械硬盘HDD接替固态硬盘SSD的工作，继续对数据块进行存储。4.如权利要求3所述的基于SSD和HDD的RAID架构的备份方法，其特征是，步骤(103)：当固态硬盘SSD失效的个数大于一个时，失效的固态硬盘SSD对应的机械硬盘HDD接替失效固态硬盘SSD的工作，继续对数据块进行存储。5.如权利要求2所述的基于SSD和HDD的RAID架构的备份方法，其特征是，所述步骤(101)替换为：步骤(1011)：将每一块磁盘划分为若干个条带，每一个条带都附有一个标志位；所述标志位用于记录当前条带中所有数据块是否已经都备份到机械硬盘HDD中，如果当前条带中的所有数据块都备份到机械硬盘HDD中，则标志位为“数据安全”；如果当前条带中的所有数据块至少有一个没有备份到机械硬盘HDD中，则标志位为“数据不安全”；步骤(1012)：当一个写操作到达RAID控制器时，RAID控制器将写操作写入相应的固态硬盘SSD，并在RAID控制器中将当前写操作所涉及的所有条带的标志位置为“数据不安全”；步骤(1013)：判断当前写操作与上一个写操作是否能够连接成顺序化操作，如果能够连接成顺序化操作，就将当前写操作与上一个写操作进行合并；如果不能够连接成顺序化操作，则将上一个写操作备份到机械硬盘HDD中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾智平，王天雨，赵梦莹，刘珂，王睿，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37