CN101770413B - 冗余磁盘阵列重建的方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冗余磁盘阵列重建的方法和设备，该方法包括以下步骤：配置冗余磁盘阵列中的有效数据区域和无效数据区域；当冗余磁盘阵列重建时，仅对所述有效数据区域进行恢复冗余性运算。本发明中，配置冗余磁盘阵列中的有效数据区域和无效数据区域，当冗余磁盘阵列重建时，仅对所述有效数据区域进行恢复冗余性运算，从而提高冗余磁盘阵列的阵列重建速度。

Description

冗余磁盘阵列重建的方法及设备

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种冗余磁盘阵列重建的方法及设备。 

背景技术

冗余磁盘阵列技术最初的研制目的是为了组合小的廉价磁盘来代替大的昂贵磁盘，以降低大批量数据存储的费用，同时也希望采用冗余信息的方式，使得磁盘失效时不会使对数据的访问受损失，从而开发出一定水平的数据保护技术，并且能适当的提升数据传输速度。 

RAID(Redundant Array of Independent Disks，独立冗余磁盘阵列)是冗余磁盘阵列技术中的一种，它将数据按一定规则分块存储在多个磁盘上，利用多个磁盘的并行存取、并行传输来提高存取速度，对主机来说RAID相当于一个读取速度快、容量大的磁盘。RAID还利用其提供的冗余数据提高了***的可靠性。目前RAID类型有RAID0、RAID1、RAID3、RAID5、RAID6、RAID10等。对于RAID5、RAID3、RAID6，冗余数据为校验值；对于RAID1、RAID10，冗余数据为镜像数据。 

RAID5是一种存储性能、数据安全和存储成本兼顾的存储解决方案。如图1所示，RAID5包括多个物理磁盘、LUN(logical Unit Number，逻辑资源)以及多个Stripe(条带)。每一物理磁盘划分为很多段，每一段称为一个Strip(条块)，不同物理磁盘上的多个Strip组成一个Stripe，每一Strip的容量称为条带深度。通过RAID算法把多个物理磁盘分段并且组合形成LUN，用户使用LUN存储应用数据，每一LUN包括多个Stripe。RAID5使用异或操作(XOR)计算校验值P1、P2、P3，该校验值用于保证阵列冗余。当对LUN发出读写命令后，RAID控制器找到要读写的数据所在的Strip进行数据操作。 

LUN创建于RAID5上，是存储***对外提供存储服务的介质，是业务应用存储数据的真正区域。在实际使用中，LUN根据需要创建，阵列空间不一定全部创建了LUN，经常会有空闲空间。RAID配置信息中与LUN相关的信息包括：本阵列LUN总数、LUN-i(任一LUN)的UUID、LUN-i数据段物理区域范围以及LUN-i的容量大小。如图2所示，RAID-A有n个LUN，其中LUN1有2个数据段A和B，区域范围{(1AX，1AY)，(1BX，1BY)}分别为数据段A和B的物理地址区域范围。

对RAID进行数据读写的过程中，由于各种原因(例如磁盘上有坏道、磁盘被误拔出)，可能会出现磁盘被踢出阵列的情况；此时阵列会处于降级状态。为了将阵列恢复正常状态需要进行数据重建，RAID在加入热备盘后，通过恢复冗余性运算进行数据重建，该恢复冗余性运算过程称为阵列重建。如图3所示，RAID5中，Disk3失效后，Disk4作为热备盘加入阵列中，使用异或(XOR)操作恢复数据，将恢复出的数据P1’、D’、F’写入到热备盘Disk4中，恢复完全后，Disk1、Disk2和Disk4组成完整的RAID5阵列。 

目前，RAID的阵列重建需要对阵列中所有的物理空间进行恢复冗余性运算，必须在所有物理空间全部运算完毕后，才认为重建过程完毕，RAID恢复成冗余阵列，具备冗余性。但是，RAID的物理空间不一定全部是应用数据存储的区域，经常还包括空闲区域，而空闲区域并不需要保证冗余性。因此，现有RAID的恢复冗余性运算增大了RAID阵列重建的运算量，减慢了阵列重建速度。 

发明内容

本发明提供了一种冗余磁盘阵列重建的方法及设备，以加速冗余磁盘阵列的重建过程。 

本发明提供了一种冗余磁盘阵列重建的方法，包括以下步骤： 

配置冗余磁盘阵列中的有效数据区域和无效数据区域； 

当冗余磁盘阵列重建时，仅对所述有效数据区域进行恢复冗余性运算； 

其中，所述配置冗余磁盘阵列中的有效数据区域和无效数据区域包括： 

配置冗余磁盘阵列的逻辑资源所在数据区域为有效数据区域，其他区域为无效数据区域；或者 

数据的数据块，并对该数据块进行恢复冗余性运算； 

在恢复冗余性运算过程中，若有新的数据写入冗余磁盘阵列，则更新并重新读取阵列基本数据块位图。 

本发明提供了一种冗余磁盘阵列重建的设备，包括： 

配置单元，用于配置冗余磁盘阵列中的有效数据区域和无效数据区域； 

重建单元，用于当冗余磁盘阵列重建时，仅对所述配置单元配置的有效数据区域进行恢复冗余性运算； 

其中，所述配置单元还用于： 

配置冗余磁盘阵列的逻辑资源所在数据区域为有效数据区域，其他区域为无效数据区域；或者 

仅配置存储有应用数据的区域为有效数据区域，其余区域为无效数据区域。 

所述重建单元还用于： 

当冗余磁盘阵列重建时，读取冗余磁盘阵列的配置信息，获取逻辑资源的数据段物理区域，对所有逻辑资源的数据段物理区域进行恢复冗余性运算； 

当冗余磁盘阵列重建过程中新创建逻辑资源时，对新创建逻辑资源的数据段物理区域进行恢复冗余性运算。 

所述重建单元还用于： 

当冗余磁盘阵列重建时，将冗余磁盘阵列的状态设置为修改中，并在所有逻辑资源的数据段物理区域完成恢复冗余性运算后，将冗余磁盘阵列的状态更新为正常。 

所述重建单元还用于： 

获取逻辑资源的数据段物理区域后，设置冗余磁盘阵列中的所有逻辑资源的数据段物理区域的状态为缺失冗余性； 

每完成对一逻辑资源的数据段物理区域的恢复冗余性运算后，设置该逻辑资源的数据段物理区域的状态为已完成冗余性运算； 

若重建过程中冗余磁盘阵列处于失效状态，则对逻辑资源的数据段物理区域的状态进行修改，将缺失冗余性状态更新为失效状态、已完成冗余性运算状态更新为缺失冗余性状态。 

所述配置单元还用于：配置阵列基本数据块位图记录冗余磁盘阵列中各数据块存储应用数据的状态信息； 

所述重建单元还用于：读取所述阵列基本数据块位图，根据数据块状态标识信息获取存储应用数据的数据块，并对该数据块进行恢复冗余性运算；在恢复冗余性运算过程中，若有新的数据写入冗余磁盘阵列，则更新并重新读取阵列基本数据块位图。 

与现有技术相比，本发明至少具有以下优点： 

本发明中，配置冗余磁盘阵列中的有效数据区域和无效数据区域，当冗余磁盘阵列重建时，仅对所述有效数据区域进行恢复冗余性运算，从而提高冗余磁盘阵列的阵列重建速度。 

附图说明

图1是现有技术中RAID5结构示意图； 

图2是现有技术中RAID5中配置信息示意图； 

图3是现有技术中RAID5失效示意图； 

图4是本发明提供的冗余磁盘阵列重建的方法的流程示意图； 

图5是本发明提供的冗余磁盘阵列重建的实现方式过程示意图； 

图6是本发明提供的冗余磁盘阵列重建的另一实现方式过程示意图； 

图7是本发明提供的冗余磁盘阵列重建的另一实现方式过程示意图； 

图8是本发明提供的冗余磁盘阵列重建的设备的结构示意图。 

具体实施方式

本发明的核心思想是：在冗余磁盘阵列中划分有效数据区域与非有效数据区域，仅在有效数据区域进行恢复冗余性运算，从而加速了冗余磁盘阵列的重建过程。 

本发明提供一种冗余磁盘阵列重建的方法，如图4所示，包括以下步骤： 

步骤401，配置冗余磁盘阵列中的有效数据区域和无效数据区域； 

步骤402，当冗余磁盘阵列重建时，仅对所述有效数据区域进行恢复冗余性运算。 

下面结合具体应用场景详细介绍本发明提供的冗余磁盘阵列重建的方法。 

本发明应用场景中，从不同粒度考虑将阵列中的有效数据区域定义为2种：一是将阵列中LUN所在的数据段区域为有效数据区域；二是将存储有应用数据的区域才定义为有效数据区域。第二种定义的有效数据区域必定在LUN数据段内部，是LUN数据段的子集，定义粒度更小，此时LUN内没有存储应用数据的区域仍然认为是无效数据区域。 

下面首先介绍第一种有效数据区域的定义方式下的冗余磁盘阵列重建的方法。该方法的具体实现可以通过两种方式，一种方式是简单的基于LUN的阵列重建过程，其目的是为了尽快地完成重建；第二种方式是增强了数据冗余性的基于LUN的阵列重建过程，除了获得较快的重建速度之外，还从LUN层面对数据冗余性进行了增强。 

第一种实现方式的过程如图5所示，包括以下步骤： 

步骤501，当“降级”阵列添加了热备盘，或“正常”阵列上新创建LUN后，重建开始。 

具体的，冗余磁盘阵列失效后状态由“正常”变为“降级”。此时，如果冗余磁盘阵列中添加了热备盘，则开始阵列重建过程。或者，当冗余磁盘阵列中新创建LUN后，开始阵列重建过程。 

步骤502，将冗余磁盘阵列的重建标志修改为“重建中”，读取冗余磁盘阵列的配置信息，获取所有LUN的数据段物理区域。 

具体的，如图2所示的冗余磁盘阵列结构中，以RAID-5为例，冗余磁盘阵列配置信息中存储各LUN的数据段物理区域信息。通过读取冗余磁盘阵列 的配置信息，获取所有LUN的数据段物理区域。这些LUN的数据段物理区域之间可以连续或者不连续。 

步骤503，循环对所有LUN的数据段物理区域进行冗余性运算。 

具体的，本发明应用场景中进行冗余性运算的过程中，冗余磁盘阵列上新创建LUN时，则将该LUN的数据区域也加入到冗余性运算中。 

步骤504，当所有LUN的数据段区域运算完毕，重建过程完成，阵列状态变成“正常”。 

第二种实现方式下，如果冗余磁盘阵列在重建过程中再次发生踢盘，阵列处于“失效”状态下，仍然能够保证已完成冗余性运算的LUN接受应用业务程序的数据请求，该实现方式下，冗余磁盘阵列中的配置信息中与LUN相关信息包括本阵列LUN总数、LUN-i的UUID、LUN-i数据段物理区域范围、LUN-i的容量大小以及LUN状态(包括已完成冗余性运算、缺失冗余性、失效)。该实现方式的具体过程如图6所示，包括以下步骤： 

步骤601，当“降级”阵列添加了热备盘，或“正常”阵列上新创建LUN后，重建开始。 

步骤602，将RAID标志修改为“重建中”，读取RAID配置信息，获取所有LUN的数据段物理区域，设置RAID内所有LUN的状态为“缺失冗余性”。 

步骤603，循环对所有LUN的数据段物理区域进行冗余性运算，并当一个LUN完成冗余性运算后，将该LUN的状态修改为“已完成冗余性运算”。 

若重建过程中，该RAID上新创建LUN时，则将该LUN的数据区域也加入到冗余性运算中。 

步骤604，若所有LUN的数据段区域运算完毕，重建过程完成，RAID状态变成“正常”。 

步骤605，若重建过程中，再次发生踢盘，RAID状态变成“失效”，LUN状态进行修改，由“已完成冗余性运算”-＞“缺失冗余性”，或“缺失冗余性”-＞“失效”。 

具体的，此时如果有应用程序数据读写请求，阵列仍能部分提供服务， 若读写的区域在状态为“缺失冗余性”的LUN内，可正常读写；若读写的区域在状态为“失效”的LUN内，不能提供读写。 

下面介绍第二种有效数据区域的定义方式下的冗余磁盘阵列重建的方法。该方法基于基本数据块进行冗余磁盘阵列重建，粒度更小，以基本数据块为单位判断是否需要冗余性运算。该实现方式需要为每个RAID维护一份“阵列基本数据块位图”，记录该阵列中基本数据块是否存储有应用数据的信息。 

本发明应用场景中，基本数据块定义为RAID的条带(Stripe)，重建过程的冗余性运算以条带为最小单位进行。 

阵列基本数据块位图中，使用2个bit位对每个基本数据块的应用数据存储状态进行标识，例如，“00”代表该基本数据块没有应用数据，“01”代表存储有应用数据但不具冗余性，“10”代表存储有应用数据且已具有冗余性。以图1所示为例，RAID5容量为500GB时，若条带大小为8KB，那么共有500GB/8KB＝65536000个条带，位图需要65536000*2＝131072000个bit位，大小约为16MB。该实现方式中，阵列基本数据块位图保存在RAID配置信息中。 

阵列基本数据块位图中应用数据存储状态的变换场景包括： 

阵列中基本数据块在没有存储任何应用数据的情况下，其应用数据存储状态均为00，在以下情况下需要对位图中状态标识进行修改： 

RAID正常状态下，应用数据写入，写入过程中自动会完成冗余性运算，数据写入区域的基本数据块对应的位状态标识由00-＞10； 

RAID由正常状态变成降级状态时，将存有应用数据的区域变成不具备冗余性状态，即对位图更改标志由10-＞01； 

RAID在降级状态中，有应用数据写入，因为无法完成冗余性运算，所以数据写入区域的基本数据块对应的位状态标识由00-＞01； 

RAID由降级状态加入热备盘，开始重建过程，RAID状态变成“重建中”。重建过程对位状态标识为01的进行冗余性运算，修改由01-＞10； 

RAID重建过程中，有应用数据写入，此时分2种情况：1)若应用数据写入到标志为01的区域，则标志由01-＞10，通知重建进程重新读取位图，这样可以减少重建的数据块数量，实际上应用数据写入已经完成了冗余性运算；2)若写入到标志为00的区域，则标志由00-＞10。其实从结果上看，均修改为10。 

该方法的具体实现过程如图7所示，包括以下步骤： 

步骤701，当“降级”阵列添加了热备盘，或“正常”阵列上新创建LUN后，重建开始。 

步骤702，将冗余磁盘阵列的阵列状态从“降级”修改为“重建中”，读取位图信息。 

步骤703，循环检测是否接收到来自业务流程的位图更新通知，如果接收到通知，执行步骤704；否则执行步骤705。 

具体的，当在重建过程中，并发有应用数据写入到00或者01状态的数据块时，业务进程会向重建进程发送位图更新通知。 

步骤704，重新读取最新的阵列基本数据块位图。 

步骤705，若未接收到位图更新通知，或者已经读取了最新位图，通过循环对位图中01状态位进行遍历，进行冗余性运算。 

具体的，若循环遍历后发现仍存在01状态，便对01状态的数据块进行冗余性运算，然后修改数据块状态由01至10；若不存在01状态，将阵列状态修改为“正常”，重建完成。 

通过采用本发明提供的方法，配置冗余磁盘阵列中的有效数据区域和无效数据区域，当冗余磁盘阵列重建时，仅对所述有效数据区域进行恢复冗余性运算，从而提高冗余磁盘阵列的阵列重建速度。 

本发明提供一种冗余磁盘阵列重建的设备，如图8所示，包括： 

配置单元10，用于配置冗余磁盘阵列中的有效数据区域和无效数据区域； 

重建单元20，用于当冗余磁盘阵列重建时，仅对所述配置单元10配置的有效数据区域进行恢复冗余性运算。 

所述配置单元10还用于： 

配置冗余磁盘阵列的逻辑资源所在数据区域为有效数据区域，其他区域为无效数据区域；或者 

仅配置存储有应用数据的区域为有效数据区域，其余区域为无效数据区域。 

所述重建单元20还用于： 

当冗余磁盘阵列重建时，读取冗余磁盘阵列的配置信息，获取逻辑资源的数据段物理区域，对所有逻辑资源的数据段物理区域进行恢复冗余性运算； 

当冗余磁盘阵列重建过程中新创建逻辑资源时，对新创建逻辑资源的数据段物理区域进行恢复冗余性运算。 

所述重建单元20还用于： 

当冗余磁盘阵列重建时，将冗余磁盘阵列的状态设置为修改中，并在所有逻辑资源的数据段物理区域完成恢复冗余性运算后，将冗余磁盘阵列的状态更新为正常。 

所述重建单元20还用于： 

获取逻辑资源的数据段物理区域后，设置冗余磁盘阵列中的所有逻辑资源的数据段物理区域的状态为缺失冗余性； 

每完成对一逻辑资源的数据段物理区域的恢复冗余性运算后，设置该逻辑资源的数据段物理区域的状态为已完成冗余性运算； 

若重建过程中冗余磁盘阵列处于失效状态，则对逻辑资源的数据段物理区域的状态进行修改，将缺失冗余性状态更新为失效状态、已完成冗余性运算状态更新为缺失冗余性状态。 

所述配置单元10还用于：配置阵列基本数据块位图记录冗余磁盘阵列中各数据块存储应用数据的状态信息； 

所述重建单元20还用于：读取所述阵列基本数据块位图，根据数据块状态标识信息获取存储应用数据的数据块，并对该数据块进行恢复冗余性运算；在恢复冗余性运算过程中，若有新的数据写入冗余磁盘阵列，则更新并重新读取阵列基本数据块位图。 

通过采用本发明提供的设备，配置冗余磁盘阵列中的有效数据区域和无效数据区域，当冗余磁盘阵列重建时，仅对所述有效数据区域进行恢复冗余性运算，从而提高冗余磁盘阵列的阵列重建速度。 

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。 

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。 

本领域技术人员可以理解实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述进行分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。 

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。 

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。 

Claims (10)

1.一种冗余磁盘阵列重建的方法，其特征在于，包括以下步骤：

配置冗余磁盘阵列中的有效数据区域和无效数据区域；

当冗余磁盘阵列重建时，仅对所述有效数据区域进行恢复冗余性运算；

其中，所述配置冗余磁盘阵列中的有效数据区域和无效数据区域包括：

配置冗余磁盘阵列的逻辑资源所在数据区域为有效数据区域，其他区域为无效数据区域；或者

仅配置存储有应用数据的区域为有效数据区域，其余区域为无效数据区域。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述当冗余磁盘阵列重建时，仅对所述有效数据区域进行恢复冗余性运算包括：

当冗余磁盘阵列重建时，读取冗余磁盘阵列的配置信息，获取逻辑资源的数据段物理区域，对所有逻辑资源的数据段物理区域进行恢复冗余性运算；

当冗余磁盘阵列重建过程中新创建逻辑资源时，对新创建逻辑资源的数据段物理区域进行恢复冗余性运算。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述当冗余磁盘阵列重建时，仅对所述有效数据区域进行恢复冗余性运算还包括：

当冗余磁盘阵列重建时，将冗余磁盘阵列的状态设置为修改中，并在所有逻辑资源的数据段物理区域完成恢复冗余性运算后，将冗余磁盘阵列的状态更新为正常。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述当冗余磁盘阵列重建时，仅对所述有效数据区域进行恢复冗余性运算还包括：

获取逻辑资源的数据段物理区域后，设置冗余磁盘阵列中的所有逻辑资源的数据段物理区域的状态为缺失冗余性；

每完成对一逻辑资源的数据段物理区域的恢复冗余性运算后，设置该逻辑资源的数据段物理区域的状态为已完成冗余性运算；

若重建过程中冗余磁盘阵列处于失效状态，则对逻辑资源的数据段物理区域的状态进行修改，将缺失冗余性状态更新为失效状态、已完成冗余性运算状态更新为缺失冗余性状态。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述当冗余磁盘阵列重建时，仅对所述有效数据区域进行恢复冗余性运算之前，还包括：配置阵列基本数据块位图记录冗余磁盘阵列中各数据块存储应用数据的状态信息；

所述当冗余磁盘阵列重建时，仅对所述有效数据区域进行恢复冗余性运算包括：

读取所述阵列基本数据块位图，根据数据块状态标识信息获取存储应用数据的数据块，并对该数据块进行恢复冗余性运算；

在恢复冗余性运算过程中，若有新的数据写入冗余磁盘阵列，则更新并重新读取阵列基本数据块位图。

6.一种冗余磁盘阵列重建的设备，其特征在于，包括：

配置单元，用于配置冗余磁盘阵列中的有效数据区域和无效数据区域；

重建单元，用于当冗余磁盘阵列重建时，仅对所述配置单元配置的有效数据区域进行恢复冗余性运算；

其中，所述配置单元还用于：

配置冗余磁盘阵列的逻辑资源所在数据区域为有效数据区域，其他区域为无效数据区域；或者

仅配置存储有应用数据的区域为有效数据区域，其余区域为无效数据区域。

7.如权利要求6所述的设备，其特征在于，所述重建单元还用于：

当冗余磁盘阵列重建时，读取冗余磁盘阵列的配置信息，获取逻辑资源的数据段物理区域，对所有逻辑资源的数据段物理区域进行恢复冗余性运算；

当冗余磁盘阵列重建过程中新创建逻辑资源时，对新创建逻辑资源的数据段物理区域进行恢复冗余性运算。

8.如权利要求7所述的设备，其特征在于，所述重建单元还用于：

当冗余磁盘阵列重建时，将冗余磁盘阵列的状态设置为修改中，并在所有逻辑资源的数据段物理区域完成恢复冗余性运算后，将冗余磁盘阵列的状态更新为正常。

9.如权利要求7所述的设备，其特征在于，所述重建单元还用于：

获取逻辑资源的数据段物理区域后，设置冗余磁盘阵列中的所有逻辑资源的数据段物理区域的状态为缺失冗余性；

每完成对一逻辑资源的数据段物理区域的恢复冗余性运算后，设置该逻辑资源的数据段物理区域的状态为已完成冗余性运算；

若重建过程中冗余磁盘阵列处于失效状态，则对逻辑资源的数据段物理区域的状态进行修改，将缺失冗余性状态更新为失效状态、已完成冗余性运算状态更新为缺失冗余性状态。

10.如权利要求6所述的设备，其特征在于，

所述配置单元还用于：配置阵列基本数据块位图记录冗余磁盘阵列中各数据块存储应用数据的状态信息；

所述重建单元还用于：读取所述阵列基本数据块位图，根据数据块状态标识信息获取存储应用数据的数据块，并对该数据块进行恢复冗余性运算；在恢复冗余性运算过程中，若有新的数据写入冗余磁盘阵列，则更新并重新读取阵列基本数据块位图。

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