一种设计磁盘阵列的方法和存储装置制造方法及图纸

本发明专利技术实施例提供一种设计磁盘阵列的方法和存储装置，磁盘阵列包括多个磁盘，磁盘具有高性能区域和高容量区域，确定磁盘阵列单盘容量，以及确定磁盘阵列中磁盘的数量；将每一个磁盘的扇区划分为磁盘内圈区域和磁盘外圈区域，内圈区域是高容量区域，外圈区域是高性能区域，条带化后形成高容量的条带化单位和高性能的条带化单位；依据不同磁盘阵列组合原理对所有磁盘中的高容量的条带化单位进行组合形成高容量阵列区，对所有磁盘中的高性能的条带化单位进行组合形成高性能阵列区；在磁盘阵列控制器的各磁盘I/O原始队列前增加一个分类的双缓冲队列，双缓冲队列中的每一个缓冲队列基于反馈算法控制该缓冲队列中的I/O访问到达原始队列的速率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及存储技术，特别是指一种设计磁盘阵列的方法和存储装置。
技术介绍
在互联网和通信行业中，数据存储一直是业务的有力支撑，同时也是各公司对内 对外IT系统中的核心。当今现有的数据存储主要是通过磁盘驱动器（简称：磁盘，HDD，Hard DiskDrive)来实现，其包括三部分：一个或者多个铝制或者玻璃制的可以通过磁化来存储 数据的盘片（碟片），主轴马达，通过感应、改变盘片相应位置的磁场而读取、写入数据的一 个或多个（一般为盘片数量的2倍）磁头。磁盘的存储数据主要是存储在磁盘盘片上，盘 片主要由磁道（Track)和扇区（Sector)组成。 如图1所不，一块磁盘所有盘片上的同一磁道构成一个圆柱，称作柱面 (Cylinder)，每个圆柱上的磁头由上而下从0开始编号。数据的读/写按柱面进行，即磁头 读/写数据时首先在同一柱面内从〇磁头开始进行操作，依次向下在同一柱面的不同盘片 即磁头上进行操作，只在同一柱面所有的磁头全部读/写完毕后磁头才转移到下一柱面。 区域数据记录技术（ZDR，ZoneDataRecording)。磁盘主轴的工作方式是恒定角 速度，单位时间内放置的角度一致（CAV，ConstantAngularVelocity),而盘片最外圈的周 长比最内圈的周长要长很多，磁头在最外圈时，走过的距离最长，如果最内圈与最外圈磁道 的扇区数相同，必将造成极大的存储空间的浪费。ZDR技术从磁盘的最外圈划分出若干个区 域，每个区域内的每磁道扇区一致，但靠内的区域比外侧的区域的每磁道扇区数要少，可以 根据不同的磁道长度来合理设定扇区的数量，以达到充分利用磁盘存储空间的目的。如图 2所示，大多数磁盘按照16个区域划分，最外圈的每磁道扇区数正好是最内圈的一倍，与最 大的持续传输率的参数基本成比例。对于同一 ±夬磁盘，每一个扇区占用的磁道长度相等，外' 圈由于磁道长度比内圈长，所以外圈比内圈部署更多的扇区以达到更高的磁盘利用率。 寻道速度/时间：设定一次随机寻道磁头的起始位置与终点位置都位于同一磁道 上，之间间隔4个扇区的简化情况，对应该随机读写的寻道时间是t。 设定一个磁盘每条扇区占用的磁道长度为S，转速为P(RPM，RoundPerMinute), 盘片的对应磁道的半径为R。设定内圈的角速度为《，那么《 = 2Jif= 2jtP/60 =jtP/30, 设定磁道的线速度为u，那么u=coR=jtPR/30,对应寻道时间t= 4s/u=120s/jtPR， 磁盘的寻道时间与磁道对应的盘片半径R成反比，磁道越靠外盘片半径R越大，寻道时间越 短，寻道速度越快。 数据读/写速度。磁头对于一个扇区的数据的读写的速度由3个因素所决定：磁 头本身的物理读写速度，盘片感应到磁头读写后生产数据的物理速度，扇区到扇区之间的 转换速度；而最后一个因素直接与磁盘在该扇区的移动速度有关。前两个因素在同一块或 者同一型号的磁盘内，可以认为其速度是无个体差异并一致的，而且不会对第三个因素产 生瓶颈。那么对于同一块或者同一型号的多块磁盘，其读/写一个扇区的速度是与扇区的 移动速度有关。根据之前寻道速度段落中的推导，该速度就是磁盘盘片在该扇区的线速度 U=c〇R=jtPR/30,其寻道时间的推导公式为t= 4s/u=120s/jtPR，可以看到，扇区数 据的读写速度也与磁道对应的盘片半径成反比，磁道越靠外盘片半径越大，扇区移动速度 越快，扇区数据的读写速度越快。 如图3所示，典型的容量为500GBHDD的寻道时间和读取速度测试，测试的结果横 轴对应位置为从外圈开始标为0GB，直到最内圈结束，标示为500GB。一个点模拟了一次随 机读写的过程并记录了该读写与上次读写所耗费的间隔时间，随着磁盘的随机读写位置越 靠近最内圈，寻道所耗费的时间越长。 如图3所示，曲线模拟了磁盘在每一个磁道（容量区域）对应的一块数据的连续 读写速度，随着磁盘的读写位置越靠近最内圈，读写的速度越慢。并且，磁盘最外圈的读写 速度（约130MB/S)大约为最内圈读写速度（约60MB/S)的2倍，与ZDR的推论一致-磁盘 设定的最外圈扇区数量为最内圈扇区数量的2倍。 综上，现有磁盘扇区的分布特性决定了对于同一块或同一型号的多个磁盘，磁盘 的外圈随机寻道的速度会更快，并且数据的读写速率也会更高。独立磁盘冗余阵列（RAID，RedundantArrayofIndependentDisks)，是将相同 的数据存储在多个磁盘的不同的地方，通过将数据放在多个磁盘上，输入输出操作能以平 衡的方式交叠，改良性能。最基本和常用的是RAID0、RAID1和RAID5。RAID0是组建磁盘阵列最简单的一种形式，需要2块或2块以上的磁盘，通过数据 条带化（DataStripping)技术，可以提高整个磁盘的性能和吞吐量。但如果任何一块磁盘 出现故障，整个磁盘阵列将会受到破坏，可靠性仅为单独一块磁盘的1/N。RAID1是磁盘镜像，是将一个磁盘的数据镜像到另一个磁盘上，数据在写入一块磁 盘的同时会在另一块闲置的磁盘上生成镜像文件，在不影响性能情况下最大限度的保证磁 盘阵列的可靠性和可修复性上，只要任何一对镜像盘中至少有一块磁盘可以使用，甚至可 以在一半数量的磁盘出现问题时都可以正常运行，当一块磁盘失效时，系统会忽略该磁盘， 转而使用剩余的镜像盘读写数据。在某块磁盘失效而替换新磁盘时，整个RAID1的重建时 间为1个磁盘的镜像重建时间，且在此期间仅重建的那块磁盘的性能会下降。RAID5将数据条块化地分布于不同的磁盘上，条块单位为bit或字节，并在所有磁 盘上交叉地存取简单的奇偶校验编码来提供错误检查及恢复。如果一块磁盘失效，其他磁 盘上的数据以及奇偶校验可以重新产生失效盘中的数据。RAID5兼顾存储性能、数据安全和 存储成本，在某块磁盘失效而替换新磁盘时，整个RAID5的重建时间为1个磁盘数据和校验 数据的时间，由于其数据需要其余各个磁盘进行奇偶校验得到，所以重建速度比RAID1镜 像重建时间要长得多，并且在此期间整个RAID5中所有磁盘的性能都会严重下降。 高性能商业用存储系统更多的使用RAID10和RAID50。RAID10是指先将2块磁盘一组使用RAID1镜像，然后将这些组RAID1镜像再使用 条带化的方式组合起来，这样既拥有RAID0的速度，又同时拥有RAID1级别的安全保障以及 重建优势。缺点是单位存储造价非常高。 RAID50是指先将一组磁盘使用RAID5镜像，然后将这些组RAID5镜像再使用条带 化的方式组合起来。这样的组织形式使得RAID50拥有更高的容错能力，具备更快数据读取 速率，重建速度会更快，且重建的时候性能影响会局限在一组RAID5磁盘中而不会扩展到 整个RAID50磁盘阵列。 磁盘阵列是对RAID的物理实现，根据存储网络国际协会（SNIA)的定义，磁盘阵列 子系统（diskarraysubsystem)及可将其磁盘组织起来的控制程序的磁盘子系统和磁盘 本身构成了该实现。在物理的角度，磁盘阵列最为主要的部件是阵列控制器和磁盘柜。 阵列控制器主要作用是通过其内置的控制程序实现整个阵列的管理。控制器是一 种介于主机和磁盘之间的控制单元，配置有专门为I/O进本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种设计磁盘阵列的方法，其特征在于，磁盘阵列包括多个磁盘，磁盘具有高性能区域和高容量区域，方法包括：确定磁盘阵列中磁盘的单盘容量n，以及确定磁盘阵列中磁盘的数量N；根据区域数据记录技术将每一个磁盘的扇区划分为磁盘内圈区域和磁盘外圈区域，磁盘内圈区域是高容量区域，磁盘外圈区域是高性能区域，通过对高容量区域和高性能区域的扇区进行条带化，形成高容量的条带化单位和高性能的条带化单位；依据不同的磁盘阵列组合原理对磁盘阵列的所有磁盘中的高容量的条带化单位进行组合形成高容量阵列区，以及对所有磁盘中的高性能的条带化单位进行组合形成高性能阵列区；在磁盘阵列控制器的各磁盘I/O原始队列之前，增加一个分类的双缓冲队列，所述双缓冲队列中的每一个缓冲队列基于反馈算法控制该缓冲队列中的I/O访问到达所述原始队列的速率，从而控制所述原始队列中的I/O访问对高容量阵列区或者高性能阵列区的磁盘进行访问的I/O速率。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：周韵文，夏勇，覃涛，陈保福，
申请(专利权)人：中国移动通信集团设计院有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11