RAID-6编码布局及重构优化研究

摘要

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。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％。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%。

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1 绪 论

1.1 研究背景

1.2 存储系统的纠删编码技术

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

2.3 阵列编码重构及均衡I/O技术研究

2.4 本章小结

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

3.3 一种新的Non-MDS编码V2-Code

3.4 负载均衡性的分析与比较

3.5 重构性能分析与比较

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

4.3 I/O均衡的数据布局方案UPC

4.4 性能测试结果与分析

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

5.4 单盘失效重构SmartRec模型

5.5 性能测试结果与分析

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