一种RAID4系统及其数据读写方法技术方案

本发明专利技术公开了一种RAID4系统及其数据读写方法。该RAID4系统包括RAID控制器和盘阵，盘阵包括由多个数据盘构成的磁盘阵列和一个用作校验盘的固态硬盘，RAID控制器与盘阵连接，其特征在于，RAID控制器通过自定义的接口命令实现与固态硬盘之间的数据交互，在固态硬盘的控制器中增设缓存模块和异或模块，缓存模块用于存储RAID控制器写入固态硬盘的数据，异或模块取代RAID控制器中的校验更新模块，实现校验信息的计算功能。该系统通过对作为校验盘的固态硬盘进行改造，同时提供相应的数据读写方法，大幅减少了读写数据时校验盘的IO操作数，有效消除校验盘的读写瓶颈，进而提高了系统的性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及计算机存储领域，具体涉及一种RAID4系统及其数据读写方法。
技术介绍
RAID (Redundant Access Independent Disks，独立冗余磁盘阵列)技术已经作 为一种成熟的技术广泛应用于数据存储中。RAID技术具有从RAIDO到6七种基本的RAID 级别，不同RAID级别代表着不同的存储性能、数据安全性和存储成本。其中RAID4是在 RAID3的基础上发展起来的。如图1所示，在RAID4模式中，盘阵包含N个存储数据的磁盘 (简称数据盘)以及一个专用于存储奇偶校验信息的磁盘(简称校验盘)，它以条带(Data striping)为基础，在把文件数据分块后写进一个数据盘的同时，对其它数据盘内与该数据 块相同盘内位置的所有数据块计算出它们的奇偶校验值(X0R操作来完成)，最终形成一个 由奇偶校验值组成的信息块，并将其写入校验盘，这被称为数据保护(Data guarding) 0它 的好处是提供了容错能力，即这N+1个磁盘中任何一个出现故障，都不会造成丢失数据的 问题。因为奇偶校验的对称性，可以用剩下的N个磁盘的内容，计算出存放在有故障磁盘中 的正确的数据内容，尽管这一计算比较费时间。相对于机械磁盘技术，固态存储是一种完全采用半导体芯片作为数据存储介质和 读取机构的存储形式，摒弃了磁盘物理和机械特性的缺陷，其具有高IOPSanput/Output Operations Per Second，即每秒进行读写操作的次数)和低功耗的特征，典型的固态硬盘 (SSD)的IOPS可以达到机械硬盘的20倍以上。因此采用SSD作为RAID4系统的校验盘，可 以显著提高RAID4系统的响应能力以及降低系统功耗。现有的采用SSD作为校验盘的RAID4 系统如图2所示，其包括RAID控制器203和盘阵，盘阵包括N个数据盘(N为大于等于2的 正整数)构成的磁盘阵列204和一个用作校验盘的SSD 205。主机端为服务器201、202，它 同时支持光纤通道 206 和 iSCSlGnternet Small Computer System hterface，互联网小 型计算机系统接口 )通道207，并通过二个通道与RAID控制器203连接，RAID控制器203 与盘阵连接。该系统读数据的流程为RAID控制器对读请求的读地址空间按照条带进行拆 分，从对应的数据盘中读出各条带数据，之后将这些条带数据缓存在RAID控制器中，再传 送到主机端。该系统写数据的流程为先把数据盘中的需要写的条带数据和校验盘中的校 验数据读出到RAID控制器中缓存，并对它们进行反向计算从而得到其它数据盘内与该条 带数据相同盘内位置的所有数据的校验和，此校验和再与新条带数据进行XOR操作，计算 出新校验数据，然后把新条带数据写入到相应数据盘，新校验数据写入到校验盘。因此，一 次写操作需要进行校验盘的读和写各一次，即两次10操作。由此可见，采用SSD作为校验盘的RAID4系统的校验盘瓶颈问题仍然存在，原因在 于，简单的将SSD代替传统机械硬盘，并没有改变其10读写方式，任何一个数据盘发生写操 作，都需要更新校验盘，即使SSD的读写速度较机械硬盘快，但对大数据量更新操作校验盘 的响应能力仍然决定了整个系统的10响应能力。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种具有简化IO操作功能的新型SSD作为校验盘的RAID4 系统及其数据读写方法，该系统通过大幅减少读写数据时校验盘的IO操作数，有效消除校 验盘的读写瓶颈，进而提高系统的性能。本专利技术提供的RAID4系统，包括RAID控制器和盘阵，盘阵包括由多个数据盘构成 的磁盘阵列和一个用作校验盘的SSD，RAID控制器与盘阵连接，其特征在于，RAID控制器通 过SSD自定义的接口命令实现与SSD之间的数据交互，在SSD的控制器中增设缓存模块和 异或模块，缓存模块用于存储RAID控制器写入SSD的数据，异或模块取代控制器中的校验 更新模块，实现校验信息的计算功能，以实现数据的读写。本专利技术所提供的系统采用SSD作为校验盘，将传统RAID控制器中的校验更新模块 改放到SSD中实现，使得该SSD具有简化IO操作功能。与传统SSD作为校验盘的RAID4系 统相比本专利技术所提供的系统，减少了 RAID控制器与校验盘之间因更新校验数据而产生的 IO操作数。因而本专利技术具有以下优点1.由于采用SSD作为校验盘，显著提高了 RAID4系统的响应能力，同时降低了系统 功耗；2.由于采用具有简化IO操作功能的SSD作为校验盘，大幅减少了读写数据时校验 盘的IO操作数；3.由于采用具有简化IO操作功能的SSD作为校验盘，有效消除了校验盘 的读写瓶颈；3.由于采用具有简化IO操作功能的SSD作为校验盘，大大提高了系统的性能；4.由于采用具有简化IO操作功能的SSD作为校验盘，校验更新模块在SSD中实 现，大大降低了 RAID控制器的设计难度和成本。附图说明图1为现有RAID4系统的拓扑结构示意图；图2为现有的采用SSD作为校验盘的RAID4系统的整体结构示意图；图3为本专利技术提供的RAID4系统的整体结构示意图；图4为本专利技术中具有简化IO操作功能的SSD的整体结构示意图；图5为本专利技术所提供系统中的读操作示意图；图6为本专利技术所提供系统中的写操作示意具体实施例方式下面将结合本专利技术实施实例中的附图，对本专利技术实例中的技术方案进行清楚、完 整的描述，本文所描述的实施例是本专利技术的一部分实例，而不是全部的实施例。基于本专利技术 的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例， 都属于本专利技术保护的范围。本专利技术提供的RAID4系统(也称之为RAID 4+系统)如图3所示，与现有的RAID4 系统一样，均包括RAID控制器303和盘阵，盘阵包括磁盘阵列304和一个用作校验盘的SSD 305。主机端服务器301、302通过光纤通道306和iSCSI通道307与RAID控制器303连接。 由于RAID4+系统的需要，与现有技术的普通SSD作为校验盘不同，本专利技术采用的是一种改4造后的SSD，该SSD具有简化IO操作功能。如图4所示，改造后的SSD是在现有结构的SSD 的控制器部分加入了两个功能模块缓存模块(Data BUffer)4093，和异或模块4091，其中 缓存模块4093除了作为数据缓冲之外，由于SSD的写寿命问题，使用性能较好的缓存硬件 以及较优的写策略，可以减少对SSD的闪存介质的写次数(在主机对相同地址多次写操作 时，可以在缓存里最终合并成一个操作并发送到闪存介质)，从而延缓SSD的写寿命。另外， 异或模块4091是将原本设置在RAID控制器中的校验更新模块改为在SSD中的现场可编程 逻辑门阵列中实现，将原本要在RAID控制器这层进行的数据异或处理改为在SSD控制器中 进行处理，这样做的好处是减少RAID控制器与SSD之间因更新校验数据而产生的IO操作 数，以提高系统整体性能。因为在RAID控制器中计算校验时，需要先读回原来的校验信息， 并与新写入到数据盘的数据计算以生成新的校验信息，因此在校验盘内计算校验能避免不 必要的数据传输动作，发挥输入输出接口的最大能力，从而提高系统整体性能。本专利技术提供的改造后的本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种ＲＡＩＤ４系统，包括ＲＡＩＤ控制器和盘阵，盘阵包括由多个数据盘构成的磁盘阵列和一个用作校验盘的固态硬盘，ＲＡＩＤ控制器与盘阵连接，其特征在于，ＲＡＩＤ控制器通过自定义的接口命令实现与固态硬盘之间的数据交互，在固态硬盘的控制器中增设缓存模块和异或模块，缓存模块用于存储ＲＡＩＤ控制器写入固态硬盘的数据，异或模块取代ＲＡＩＤ控制器中的校验更新模块，实现校验信息的计算功能。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王亚轩，吴非，陈祥，
申请(专利权)人：武汉固捷联讯科技有限公司，华中科技大学，
类型：发明
国别省市：83