RAID中数据可靠性和系统节能性能研究

发布时间：2020-09-09 12:54

　　 伴随着通讯技术和网络科技的迅速发展,数字化信息呈指数爆炸式增长,数据存储技术也因此迎来了巨大的挑战。存储系统中数据的可靠性问题以及存储系统的能耗问题越来越被人们所关注。虽然传统的RAID(Redundant Arrays of Independent Drives,RAID)存储技术在一定程度上能有效的缓解存储数据的可靠性问题,但是随着当今信息时代的到来,所需存储的数据量不断增大,RAID存储系统中所需的磁盘数量也随之变多,磁盘损坏的概率也随之变大。所以,传统的RAID技术已经越来越难以保证磁盘中数据的可靠性,于此同时RAID存储系统中大量磁盘运行造成的能耗问题也是不可忽视的。本文把纠删码技术应用到RAID存储系统以提高数据的可靠性,同时又考虑了RAID存储系统中的能源消耗问题,通过优化数据布局降低存储系统的能耗。本文完成的主要工作如下:1.综述RAID存储技术的发展历程和原理。介绍了纠删码技术的基本原理和分类,同时介绍了磁盘阵列中的相关节能技术。提出将纠删码容错技术和节能技术相结合的研究思路,这样既能保证存储系统中数据的可靠性,又能降低系统的能耗。2.在已有的星形(STAR)纠删码的基础上,设计了一种在RAID存储系统中,可以容忍三个磁盘同时失效的阵列纠删码——CPC(Cross Parity Check,CPC)码。文中详细介绍了CPC码的编码方法,并根据故障磁盘在磁盘阵列中的不同位置,给出了四种不同情况下三磁盘同时损坏时的数据恢复算法。从编码复杂度、解码复杂度、更新复杂度三个方面分析了CPC纠删码的性能,将该方案与已有的三容错STAR码和EEOD(Extending EVENODD,EEOD)码的数据布局作比较,用详实的数据说明了该方案的优势。3.提出了一种节能型数据布局方案——EECPC(energy-efficient cross parity check,EECPC)数据布局。该方案是对CRUSH(Controlled Replication Under Scalable Hashing,CRUSH)数据布局算法的一种优化,同时能结合CPC纠删码,弥补了CRUSH算法的局限性,有效的降低了RAID存储系统的能耗,提高了系统的可靠性。通过仿真实验,将EECPC数据布局与STAR码的数据布局作比较,体现了EECPC数据布局方案在节能性方面的优势。
【学位单位】：浙江工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP333
【部分图文】：

的奇偶校验矩阵：11 ( 1)1 1 ... 1 1 0 01 ... 0 1 01 ... 0 0 1mmH (3-27)参照文献[32]，不难证明在奇偶校验矩阵中，任意 3 个列向量是线性无关的。因此，CPC 码的最小距离是 4（每一列被视作环中的单个元素），所以在 CPC 码中任意 3 个磁盘失效，都能恢复其中的数据。这就是展示其 MDS 性质的另一种方式。3.4 模拟验证前文从理论上说明了 CPC 码在磁盘阵列中能恢复出任意三个故障磁盘中的数据，提高了磁盘阵列中数据的可靠性。在 CPC 码中，最重要的是三磁盘容错，所以本节的验证主要是针对三磁盘失效时的数据重建。

在 CPC 纠删码方案下，公式（3-1）所需的异或运算总次数为8 (公式（3-2）和（3-3）所需的异或运算次数也分别为 次，所224 ( m 1)次异或运算，因为在整个磁盘阵列中共有 8 ( m 1) m比C 码的编码复杂度CPCC 如下式所示：21[24 ( 1) ] [8 ( 1) ] 3CPCEC m m mm 同理可得，根据文献[19]，EEOD 码的编码复杂度EEODEC 为：1[24 ( 1) 8 ( 1)] [8 ( 1) ] 3( 1)EEODmEC m m m m mm m STAR 码的编码复杂度STAREC 为：3[24 ( 1) 8 ( 3)] [8 ( 1) ] 3( 1)STARmEC m m m m mm m 通过图 3-11 的编码复杂度对比，可直观的看出在三种编码方案中，本C 码具有最低的编码复杂度。

都是通过简单的异或运算得到最终结果，因此本节同需的异或运算作为解码复杂度。磁盘阵列的规模和 3.5.1 节中所文中 3.2 节的解码算法可得 CPC 码的解码复杂度如下式：3 223( 1)d hCPCl lDCm m m m 文献[17]可得，STAR 码的解码复杂度如下所示：(2 )3d hSTARl lDCm 文献[19]可得，EEOD 码的解码复杂度如下所示：(4 2) ( 1) 33+( 1)dEEODl mDCm m 献[17]中定义了dl 和hl 的意义， 表示在一次交叉解码运算中，交表示一次交叉解码运算中消元后剩余的行数。由上述式子可得的解码复杂度如下图所示：

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本文编号：2815000