RAID-6编码布局及重构优化研究

发布时间：2020-11-21 05:42

　　 鉴于用户数据的重要性,存储可靠性仍旧是存储领域的重点研究方向。副本和阵列编码是目前两种主流的存储可靠性保障方式,与副本相比,阵列编码具有更高的空间利用率。由于RAID-6编码技术能够容并发的两磁盘失效,近年来学术界和工业界进行了广泛的研究。RAID-6编码的重构性能和I/O均衡性直接影响存储可靠性和数据可用性,针对此,从编码和调度两个层面对RAID-6编码展开研究,具体包括设计新型RAID-6编码、优化RAID-6编码布局、提升RAID-6编码存储系统重构性能三个方面。 本文提出了一种符合Non-MDS特性的,具有高效重构性能的新型RAID-6编码(V2-Code)。V2-Code编码是一种垂直编码,校验块均匀地分布于所有的磁盘列,从而使其具有良好的I/O均衡性。同时,V2-Code编码还具有近似最优的存储效率、最低密度编码、灵活的RAID大小、稳定的校验链长度和平衡计算等特性。性能比较结果显示,V2-Code的负载均衡性和重构性能均胜过通用的RAID-6编码,在单磁盘和双磁盘失效恢复过程中,V2-Code的重构性能分别是X-Code重构性能的3.31倍和1.79倍。 本文设计了一种I/O均衡的RAID-6数据布局方案-UPC(Uniform P-Code,UPC)。UPC方案通过移动PC方案校验链中不均衡的数据块沿着所在列到其余行,使得所有数据块均匀的分布于各行,同时确保校验链中的计算关系和容错能力不变。通过对PC布局方案的优化,UPC方案不仅仅获得了最优存储效率、最优计算复杂度和更新复杂度,而且具有更好的I/O均衡性,以及更优的平均用户响应时间。实验测试结果显示,在12个磁盘组成的阵列环境中,相对于PC方案,UPC方案在平均用户响应时间上提升了29.9%。 本文提出了一种异构感知的磁盘阵列单盘快速重构算法-SmartRec,该算法充分地考虑了异构磁盘阵列以及在线重构I/O存取特性,提出了从存活磁盘所读取的重构数据量与磁盘I/O能力相匹配、分时间片的重构思路,现有的重构算法(ConRec,MinRec, BalRec)主要利用最小读重构数据量和均衡读重构数据量提升重构性能。形式化了四种单盘失效重构模型,并验证了模型的有效性。理论分析可知SmartRec重构算法具有更优的重构性能；另外,真实实验测试结果表明,在9个磁盘组成的阵列中,与现有三种重构算法相比,SmartRec的重构性能提升了35.3%。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TP333
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 研究背景
        1.1.1 海量数据存储
        1.1.2 数据存储可靠性问题
        1.1.3 数据存储的容错策略
    1.2 存储系统的纠删编码技术
        1.2.1 常用术语
        1.2.2 纠删编码技术分类
    1.3 研究内容与贡献
    1.4 论文组织结构
    1.5 课题来源
2 校验阵列编码
    2.1 RAID编码介绍
    2.2 多容错校验阵列编码
        2.2.1 RAID-6编码
        2.2.2 高容错阵列编码
    2.3 阵列编码重构及均衡I/O技术研究
        2.3.1 重构技术研究
        2.3.2 I/O均衡技术研究
    2.4 本章小结
2-Code'>3 高重构性能和I/O均衡的垂直编码V²-Code
    3.1 概述
    3.2 研究问题及动机
2-Code'>    3.3 一种新的Non-MDS编码V²-Code
2-Code编码规则'>        3.3.1 V²-Code编码规则
2-Code编码的纠错能力证明'>        3.3.2 V²-Code编码的纠错能力证明
2-Code解码及重构实现'>        3.3.3 V²-Code解码及重构实现
2-Code编码的属性'>        3.3.4 V²-Code编码的属性
    3.4 负载均衡性的分析与比较
        3.4.1 负载均衡性分析
        3.4.2 负载均衡性比较
    3.5 重构性能分析与比较
        3.5.1 重构性能分析
        3.5.2 重构性能比较
    3.6 本章小结
4 一种I/O均衡的RAID-6布局方案UPC
    4.1 概述
    4.2 研究问题及动机
        4.2.1 局部条带I/O均衡性问题
        4.2.2 RAID编码存储系统的重构方案
    4.3 I/O均衡的数据布局方案UPC
        4.3.1 P-Code编码规则
        4.3.2 UPC数据布局算法
    4.4 性能测试结果与分析
        4.4.1 实验环境
        4.4.2 评价方法
        4.4.3 测试结果与分析
    4.5 本章小结
5 异构磁盘阵列单盘失效的快速重构算法
    5.1 概述
    5.2 研究问题及动机
    5.3 多容错阵列编码单失效快速重构方案
        5.3.1 三种单失效重构方案
        5.3.2 SmartRec重构方案
        5.3.3 SmartRec重构算法实现
    5.4 单盘失效重构SmartRec模型
        5.4.1 模型描述
        5.4.2 重构模型分析
        5.4.3 SmartRec重构模型实现
        5.4.4 模型的验证
    5.5 性能测试结果与分析
        5.5.1 实验环境
        5.5.2 评价方法
        5.5.3 测试结果与分析
    5.6 本章小结
6 总结与展望
    6.1 全文小结
    6.2 未来工作展望
致谢
参考文献
附录 攻读博士学位期间发表论文目录

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本文编号：2892612