一种固态硬盘及其冗余独立磁盘阵列的实现方法技术

本发明专利技术涉及一种固态硬盘及其冗余独立磁盘阵列的实现方法，包括：将固态硬盘的闪存颗粒作为最小存储单位,建立raid5,形成一个硬盘组，产生冗余机制，并将若干个闪存颗粒作为该raid5的备份盘，采用硬件卸载的方法硬盘组的所有硬盘以及备份盘虚拟化成为一个完整的硬盘。本发明专利技术采用虚拟化技术将所有的闪存颗粒组建成具有冗余特性的磁盘阵列，用户在使用过程中只能看到一块硬盘，此时用户可用的存储空间是几个闪存颗粒的容量和。另外，当用户存储数据时，存储数据并行写入各个闪存颗粒中，数据的读写速度得到增到极大提高。而且采用raid5冗余机制能提高数据的冗余性，一个闪存颗粒损坏不影响其它闪存颗粒，保护存储数据。

【技术实现步骤摘要】
一种固态硬盘及其冗余独立磁盘阵列的实现方法
本专利技术涉及一种固态硬盘及其冗余独立磁盘阵列的实现方法，属于存储介质设计

技术介绍
硬盘发展至今已经有50余年的历史，在这几十年的历程里，硬盘的体积越来越小而容量越来越大，硬盘的转速与接口也在与时俱进。第一款硬盘面世的时候，它有两个冰箱那么宽，内部安装了50个直径两英尺的磁盘，重量约1吨，而现在微硬盘、CF硬盘仅仅才硬币大小。目前硬盘总体上分为固态硬盘、机械硬盘、混合硬盘三类。固态硬盘采用闪存颗粒来存储，机械硬盘采用磁性碟片来存储，混合硬盘是把磁性硬盘和闪存集成到一起的一种硬盘。绝大多数硬盘都是固定硬盘，被永久性地密封固定在硬盘驱动器中。硬盘作为存储介质，在存储技术发展历史具有不可替代的作用。而当前最具发展潜力的硬盘类型就是固态硬盘。固态硬盘读写速度快，由于不需要磁头，固态硬盘没有寻道时间，读取和写入的速度都很高。此外。相比机械硬盘，固态硬盘的防震抗摔性很高，且低功耗无噪音较轻便。这些优势导致固态盘的使用越来越频繁。但是，固态硬盘价格昂贵，且寿命有限，由于采用闪存作为存储介质，一旦一块闪存发生故障会导致真个固态硬盘发生错误，导致其无法使用。特别是，当固态硬盘发生故障，存储数据不可恢复，那是因为数据被零散地分散在各个闪存中，要从损坏后的闪存芯片中数据恢复，几乎不可能。如果能够在使用过程中采用冗余机制保证固态硬盘的可靠性，那么就可以提高固态硬盘的性能。普通的硬盘在使用过程中，通常将几块相同的硬盘建立raid，增加冗余功能，而一块硬盘作为最小的存储单位,很难具有冗余功能。中国专利文献CN103034458A公开了一种固态硬盘中实现独立磁盘冗余阵列的方法及装置。该方法包括：将每个数据块中的至少两个页面绑定为竖向校验条带；向竖向校验条带的各页面中顺序写入数据，并将竖向校验条带的最后一个页面作为该竖向校验条带的校验页面。但是，由于该专利绑定校验条带的时候没有充分考虑SSD中通道的影响因素，所以无法实现SSD中通道故障的容错，而且也无法充分利用不同通道的并发带来的速度提升。中国专利文献CN102915212A公开了一种固态硬盘的RAID实现方法、固态硬盘及电子设备，该实现方法包括：根据独立磁盘冗余阵列类型确定对固态硬盘进行分区的分区数；根据分区数将所述固态硬盘按照物理地址分割为多个分区；为每个分区分别建立独立的闪存转换层；将固态硬盘的多个分区作为逻辑磁盘创建独立磁盘冗余阵列。但是，该专利中提及的逻辑分区依旧存在各个分区数据无法并行处理的问题，虽然提高了数据可靠性，却会降低数据存取的效率。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种固态硬盘的冗余独立磁盘阵列的实现方法；该方法通过增加raid硬件加速单元，可以在不影响数据存储速度的情况下，提高数据的冗余，保证在部分闪存颗粒故障的情况下依然可以确保数据的正常访问。本专利技术提供了一种实现冗余独立磁盘阵列的固态硬盘。术语解释：1、RAID5，是一种存储性能、数据安全和存储成本兼顾的存储解决方案。RAID5可以理解为是RAID0和RAID1的折中方案。RAID5可以为系统提供数据安全保障，但保障程度要比Mirror低而磁盘空间利用率要比Mirror高。RAID5具有和RAID0相近似的数据读取速度，只是多了一个奇偶校验信息，写入数据的速度比对单个磁盘进行写入操作稍慢。同时由于多个数据对应一个奇偶校验信息，RAID5的磁盘空间利用率要比RAID1高，存储成本相对较低，是目前运用较多的一种解决方案。2、SSD，固定硬盘，有多个闪存颗粒构成，一个闪存颗粒由多个数据块(Block)构成，一个数据块由多个页面(page)构成。3、冗余独立磁盘阵列(RAID)技术，是一种把多块独立的物理硬盘按某种方式组合起来形成一个硬盘组，即逻辑硬盘，从而提供比单个硬盘更高存储性能和数据冗余可靠性的技术。本专利技术的技术方案为：一种固态硬盘的冗余独立磁盘阵列的实现方法，包括：以SSD中同一通道下的闪存颗粒为单元，与其它通道下的闪存颗粒组成raid5。充分利用各个通道的并发能力；在传统的SSD控制器中，添加硬件RAID单元，实现计算的加速，降低内部raid组建过程造成的速度损失。与传统SSD存储数据的方式不同，本专利技术进行数据存储的时候，将不同通道的闪存颗粒组建为raid5，原本存储在一个通道的数据，会被拆分为不同的切片数据，进行计算校验，得到校验值后与切片数据一起并发存放在不同通道的闪存颗粒中。其中计算校验的部分，利用raid加速的硬件单元来实现。根据本专利技术优选的，将固态硬盘不同通道下的颗粒组建为raid5，包括以下步骤：(1)将每个通道下的闪存颗粒按照固定的尺寸进行(以页或是块为单位)切分，完成颗粒组的条带化，与其它通道相同位置的闪存颗粒绑定；存储原始数据的条带化数据和校验数据。如图1所示，假设SSD中的闪存颗粒分为4个通道，每个通道都可以分别独立的进行数据的访问和存储，按照raid5的方式进行数据存储。(2)进行数据存储时，根据通道的数量和条带大小对要存储的原始数据进行切分，切分后的原始数据的切片数据依次存放在步骤(1)得到的不同通道闪存颗粒提前划分的条带内，切片数据依次进行校验，得到相同大小的校验数据，校验数据动态分布于步骤(1)得到的不同通道闪存颗粒的条带中。如图1所示，通道数量为4，原始数据D会切分为D1-D24，依次存放在各个通道中，所有通道相同位置的闪存颗粒绑定为一组，进行相同大小的切割，存放原始数据的切片数据和校验数据，校验数据分别均匀存放在不同通道中。(3)进行数据读取的时候，同时读取存储在不同通道闪存颗粒条带中的切片数据，通过校验算法进行校验，如果存在坏块或是部分损坏的数据，则进行纠正，恢复出正确的原始数据。根据本专利技术优选的，在传统的SSD控制器中，添加硬件RAID单元，实现数据的切分和校验计算的加速，降低内部raid组建过程造成的速度损失，包括步骤如下：(1)如图2所示，raid加速数据切分单元的输入包括SSD的通道数量、各个通道闪存颗粒的容量和将要存储的数据大小，数据切分单元的输出的是所存数据的切片，切片的数量随输入因素进行动态的调整，所以存储数据的大小会直接决定了数据切分的程度。即将存储的数据大的时候每个数据切片会大一些，有效地提高数据的处理速度，实现对传统raid5中条带大小的动态调整。为了进行数据读取的时候不会混乱，对于每个存储入的数据都会记录相应的切片数目和第一个切片所在的位置，该切片硬件单元存在一定的缓存可以提高数据访问效率。(2)图2已经体现了raid加速数据校验单元的功能，即根据数据切片计算校验值，并将数据切片和校验值并行存储在不同的通道中。该计算校验单元的具体结构如图3所示，采用数字与非门实现奇偶校验，D0-7为信息位，D校为校验位，具体计算为:(3)整体的硬盘组成如图4所示，与传统硬盘不同的是raid加速单元的加入，负责对存储到闪存颗粒的数据进行切片、校验值计算，最终将带有校验值得数据存入闪存颗粒中。一种实现冗余独立磁盘阵列的固态硬盘，包括利用SSD中各个通道的并发读写行，提高数据存储与访问的速度，利用raid5加速单元，实现数据的raid5存储时条带大小动态的改变和校验数据的快速计算。该硬件单元位于本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种固态硬盘，其特征在于，包括依次连接的接口、SSD控制器、RAID5硬件加速单元、若干条通道，所述RAID5硬件加速单元分别连接若干条所述通道，每条所述通道包括若干个闪存颗粒；所述SSD控制器用于下发数据处理指令；所述RAID5硬件加速单元用于实现数据的raid5存储时条带大小的动态改变、校验数据的快速计算，并将SSD控制器下发的数据处理指令进行raid5的处理映射。

【技术特征摘要】
1.一种固态硬盘，其特征在于，包括依次连接的接口、SSD控制器、RAID5硬件加速单元、若干条通道，所述RAID5硬件加速单元分别连接若干条所述通道，每条所述通道包括若干个闪存颗粒；所述SSD控制器用于下发数据处理指令；所述RAID5硬件加速单元用于实现数据的raid5存储时条带大小的动态改变、校验数据的快速计算，并将SSD控制器下发的数据处理指令进行raid5的处理映射。2.根据权利要求1所述的一种固态硬盘，其特征在于，所述RAID5硬件加速单元包括依次连接的RAID加速数据切分单元、RAID加速数据校验单元；所述RAID加速数据切分单元根据通道数量、各个通道闪存颗粒的容量、要存储的原始数据，对要存储的原始数据进行切分，获取要存储的原始数据的切片数据；所述RAID加速数据校验单元用于计算原始数据的切片数据的校验值；并将原始数据的切片数据和求取的校验值并行存储在不同的通道中。3.权利要求1或2所述的固态硬盘的冗余独立磁盘阵列的实现方法，其特征在于，包括：以同一通道下的闪存颗粒为单元，与其它通道下的闪存颗粒组成raid5。4.根据权利要求3所述的固态硬盘的冗余独立磁盘阵列的实现方法，其特征在于，将固态硬盘不同通道下的闪存颗粒组建为raid5，包括以下步骤：(1)条带化：将每个通道下的闪存颗粒按照固定的尺寸进行切分，完成闪存颗粒的条带化，将不同通道的相同位置的闪存颗粒进行绑定；(2)原始数据存储：根...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵瑞东，李冬冬，陈乃阔，吴登勇，孙超，
申请(专利权)人：山东超越数控电子有限公司，
类型：发明
国别省市：山东,37