基于SAN的海量存储管理系统的设计与实现——阵列控制器的设计与实现

摘要

随着信息量的激增和信息重要性和安全性需求的提高，信息的管理方法和手段将面对更高的要求的挑战，如何快速满足信息量增长的需求和有效管理和维护信息资源成了一个紧迫的课题，也具有着十分重要的意义。SAN作为一种配置网络化存储的解决方案，基于SAN实现大容量、高性能存储系统成为国内外研究的热点。而RAID作为存储管理系统中最关键和核心的存储节点，还存在一些不太理想的情况：①在RAID5中，“小块写”操作效率较低，再加上小块写时会不断地寻道定位，不符合磁盘特性，更是慢上加慢。而“小块写”所关注的单个I/O请求的响应时间，RAID5的增大为RAID0的四倍。而数据库、文件系统等应用程序的访问模式包含了大量的“小块写”操作，因此“小块写”的性能高低对整个存储管理系统具有重要影响。②进入数据重构模式后，各磁盘将处于超负荷运转状态，出现第二块盘失效的概率增大。一旦出现第二块盘失效，存储管理系统的数据将不可恢复且永远丢失。因此在保证数据一致性和对主机I/O请求的响应速度的同时，如何尽快从降级模式恢复到正常模式是RAID核心处理模块设计时必须考虑的一个重要问题。 本文在深入研究了RAID设计中的多种关键技术的基础上，对RAID50、“小块写”优化策略、数据重构等关键技术提出了自己的实现算法，设计了一个采用双处理器和大容量CACHE的高性能磁盘阵列系统方案。最后，对系统的性能进行测试和评价，测试结果证明该系统所采用的软、硬件设计方案整体上是成功的，结合RAID0和RAID5技术，设计的RAID50模型，将多个RAID5构成RAID0阵列，提高了I/O访问的并发性。小块写优化提高了随机/顺序小块写的响应速度和带宽。数据重构算法减小了重构过程中对内存资源的需求，且能够充分利用系统的空闲带宽，重构速度快，也能加快对用户的响应速度。因此基于SAN的海量存储管理系统能够凭借大容量的CACHE缓存和双处理器的高处理能力，快速地处理或响应主机请求和各种磁盘操作，且有较高的容错能力、较好的可用性和稳定性，能够达到一个高性能的企业级存储管理系统的要求。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1选题背景及意义

1.2国内外研究概况

1.3课题研究内容

1.4论文结构

第二章存储相关理论基础

2.1 SAN技术

2.1.1 主流存储网络技术介绍

2.1.2 SAN的组成要素

2.2 RAID技术

2.2.1 RAID基本概念

2.2.2 RAID关键技术

2.2.3 RAID级别

2.3本章小结

第三章系统需求分析和总体设计

3.1需求分析

3.1.1对硬件结构的要求

3.1.2对阵列控制软件的要求

3.2总体设计

3.2.1 RAID的实现方式选择

3.2.2主机接口技术选择

3.2.3其它主要技术选择

3.3 RAID控制器硬件设计

3.1.1磁盘阵列控制器

3.1.2数据缓存CACHE

3.1.3主机侧接口部件

3.1.4磁盘侧接口部件

3.1.5 内部存储总线

3.1.6磁盘成员的组织结构

3.4 RAID控制器软件设计

3.4.1软件运行的上下文环境

3.4.2模块化设计概述

3.5本章小结

第四章RAID控制器关键技术研究与实现

4.1 RAID 50实现

4.1.1 RAID 50系统模型

4.1.2 RAID 5读流程

4.1.3 RAID 5写流程

4.1.4逻辑LBA到物理LBA的映射

4.2对小块写的优化

4.2.1 RAID 5小块写问题

4.2.2 RAID 5小块写优化策略

4.3数据重构算法的研究与实现

4.3.1 为什么要数据重构

4.3.2数据重构算法及其性能

4.4本章小结

第五章系统性能评测

5.1硬件测试环境的搭建

5.2性能测试

5.3性能评测结论

5.4本章小结

第六章结束语

6.1本文总结

6.2发展与展望

致谢

参考文献

攻硕期间的研究成果