磁盘阵列双控制器缓存镜像技术研究

发布时间：2019-10-08 09:22

【摘要】：随着信息技术的迅猛发展，信息的重要性和价值不断地增长，因而对于存储系统的可靠性、可用性提出了更高的要求。目前，磁盘阵列已经成为构建大规模存储系统的基本组成单元，磁盘阵列控制器作为磁盘阵列的核心部件，它的性能直接决定磁盘阵列的整体性能。因此，设计和实现高可靠性、高可用性的磁盘阵列控制器成为了存储系统中研究的热点问题之一。采用在iSCSI（Internet Small Computer System Interface）双控制器各自内存中开辟一块内存区，一个物理页框构成一个Cache块。通过基树结构按逻辑块地址来组织Cache块，同时分别创建读写LRU（Least Recently Used）链表用于Cache的灵活调度。在内存中创建镜像缓存区用于保存对方控制器的写Cache内容。采用内核态的套接字接口实现镜像数据的同步传输。数据镜像策略主要考虑脏数据大小（空间局部性原理）和同一Cache块的更新频率（时间局部性原理），周期性进行基于数据大小和时间间隔的镜像同步。在SCS（ISmall Computer System Interface）中间层SCST（SCSI Target mid-level）的设备句柄级上，完成了设计和实现基于Cache块的数据镜像。通过镜像缓存，保证一个控制器失效后另外一个控制器仍拥有其副本数据，及时准确地接管工作，提高存储系统的可靠性。采用功能测试和性能测试完成双控制器磁盘阵列的测试。结果表明，在对磁盘阵列的I/O性能影响不大的情况下，可以保障某一控制器失效时能够有效保证脏数据不丢失，提高了存储系统的可靠性。
【图文】：

硬件结构图,双控制器,磁盘阵列,硬件结构

图 2.1 双控制器磁盘阵列的硬件结构这种硬件架构具有成本低、可扩展性等优点。磁盘阵列上的各个硬件相对独立，易扩展，出现故障时控制器的其它部件不受影响，可直接替换故障部件，阵列继续工作，有利于维护和升级；因为采用的基础硬件成不高且能保证较高的性能，所以系统整体成本可控。双控制器磁盘阵列存储系统基于内核版本为 2.6.21 的 Linux 系统平台开发；控制器缓存镜像的开发是基于 Linux 内核的 SCSI 目标端中间层子系统（SCSI targetmid-level subsystem for Linux，简称 SCST），在 SCST 的设备句柄层（dev_handler layer）建立缓存并实现缓存镜像。双控磁盘阵列的软件结构如图 2.3 所示。典型的 Linux 数据存储结构分为三层，即顶层（文件系统层），中层（块设备层）和底层（设备驱动层）。文件系统层的实例如 ext3，，NFS 等，它们都构建在 Linux 的 VFS 之上，文件系统层定义磁盘上的目录组织结构，dentry 和 inode 等重要数据结构；块设备层实现数据的存取，包括请求队列、I/O 调度策略和换入换出等重要概念，还可以实现 LVM

软件组织,磁盘阵列,模式,用户空间

华中科技大学硕士学位论文各自的特点如下：1）直通模式下，发起端的 SCSI 命令将会被不加改动的直接传递给本地 SCS硬件；2）性能模式，不会与底层的 SCSI 设备发生实际数据传输，仅提供直接的性能改进方法。3）文件 IO 模式，允许使用文件系统上的文件或者块设备做为虚拟的 SCSI 设备该模式可以充分利用 Linux 系统的 Cache 功能；4）块 IO 模式，绕开系统的 page-Cache 直接与块设备进行块数据 IO；5）用户空间模式，在 SCST 环境中使用用户空间的虚拟 SCSI 设备模拟执行。其中用户空间模式和性能模式一般只用于调试、测试中；实际应用中使用直通文件 IO 和块 IO 三种模式。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TP333

【参考文献】