TWI718519B

TWI718519B - 資料儲存系統及其管理方法

Info

Publication number: TWI718519B
Application number: TW108112360A
Authority: TW
Inventors: 王哲人; 陳義麟; 蘇宏成; 陳人豪
Original assignee: 喬鼎資訊股份有限公司
Priority date: 2019-04-09
Filing date: 2019-04-09
Publication date: 2021-02-11
Also published as: TW202038095A

Abstract

一種資料儲存系統及其管理方法。本發明之資料儲存系統包含N個儲存裝置、輔助記憶體以及控制器，其中N為大於或等於3之整數。控制器用以接收被要求存入本發明之資料儲存系統內之多筆欲存入資料，並將多筆欲存入資料執行預定運算以產生多筆使用者資料以及多筆同位元資料。當輔助記憶體未被寫滿時，控制器將多筆使用者資料寫入N個儲存裝置的多個使用者資料儲存區域內，並且將多筆同位元資料寫入輔助記憶體內。

Description

資料儲存系統及其管理方法

本發明係關於一種資料儲存系統(data storage system)及其管理方法，並且特別地，關於具有高循序效能(sequential performance)的資料儲存系統及其管理方法。

隨著用戶儲存資料量日益增多，符合磁碟陣列(RAID)架構的資料儲存系統(亦稱為磁碟陣列(RAID)系統)已廣泛地被採用來儲存大量資料。磁碟陣列(RAID)系統能提供高可用性(high availability)、高效能(high performance)或大容量(high volume)的資料儲存空間給主機(host)。

習知的磁碟陣列系統的構成，包含磁碟陣列控制器(RAID controller)以及由多個實體儲存裝置(physical storage device)所構成的磁碟陣列。磁碟陣列控制器係連接至每一個實體儲存裝置，並由磁碟陣列控制器將磁碟陣列定義成RAID 0、RAID 1、RAID 2、RAID 3、RAID 4、RAID 5或RAID 6之一個或多個邏輯磁碟機(logical disk drive)而達成。磁碟陣列控制器係能產生(重建)與待讀取資料相同之冗餘資料(redundant data)。

於實際應用中，每一個實體儲存裝置可以是磁帶機(tape drive)、磁碟機(disk drive)、記憶體裝置(memory drive)、光儲存記錄裝置(optical storage drive)，或是於同一顆磁碟機中之對應於單一讀寫頭之一個磁區，或是其他等效的實體儲存裝置。

藉著每個RAID級別採用不同的冗餘/資料儲存方案，RAID在不同的級別可以被實施。例如，RAID 1實施硬碟鏡像(disk mirroring)，其中第一個儲存裝置保存被儲存的資料，並且第二個儲存裝置保存被儲存在第一個儲存裝置中的資料之精確複製資料。如果任何一個儲存裝置發生毀損，因為剩餘的儲存裝置中的資料仍然可用，所以沒有資料遺失。

在其他RAID系統中，每一個實體儲存裝置被區分成多個資料區塊(block)。從容錯的觀點來看，可分為使用者資料區塊以及同位元(parity)資料區塊兩類。使用者資料區塊儲存一般的使用者資料。同位元資料區塊則儲存多餘的一組同位元資料，以當有容錯需求時，供反算使用者資料之用。存在於不同實體儲存裝置之相對應使用者資料區塊與同位元資料區塊形成一個儲存條帶(stripe)，其中同位元資料區塊中的同位元資料係由使用者資料區塊中的使用者資料執行互斥或(XOR)運算所得的結果。這些RAID系統中若有實體儲存裝置損毀，可以利用其餘未損毀的實體儲存裝置內儲存的使用者資料及同位元資料執行互斥或(XOR)運算，進而重建。須聲明的是，熟習此項技藝的人士皆了解，同位資料區塊中之資料之計算，除可使用互斥或(XOR)運算外，也包含各式各樣之同位元運算或類似的運算技術，只要存在以下關係：相同儲存條帶中之任一個資料區塊中之資料可由其相對應資料區塊之資料計算而得。磁碟陣列架構定義冗餘訊息數目(number of redundancy)即為一個儲存條帶中同位元資料區塊的數目。

資料儲存系統若依循傳統的RAID模式，採用N個儲存裝置以及K個冗餘訊息。當此資料儲存系統執行連續存取時，僅有(N-K)個儲存裝置提供循序效能(讀/寫)。

例如，請參閱圖1，先前技術之資料儲存系統1依循RAID 5模式(冗餘訊息數目為1)且採用4個儲存裝置(12a~12d)，圖1即描繪資料儲存在4個儲存裝置(12a~12d)內的存儲格式。如圖1示，每一個儲存裝置(12a、12b、12c、12d)被區分成多個資料區塊，可分為使用者資料區塊以及同位元資料區塊兩類。使用者資料區塊儲存一般的使用者資料。同位資料區塊則儲存多餘的一組同位資料，以當有容錯需求時，供反算使用者資料之用。於圖1所示的案例中，儲存裝置12a至少包含使用者資料區塊D0、D3、D6以及同位元資料區塊P3；儲存裝置12b至少包含使用者資料區塊D1、D4、D9以及同位元資料區塊P2；儲存裝置12c至少包含使用者資料區塊D2、D7、D10以及同位元資料區塊P1；儲存裝置12d至少包含使用者資料區塊D5、D8、D11以及同位元資料區塊P0等。存在於不同儲存裝置之相對應使用者資料區塊與同位資料區塊形成一個儲存分割帶，其中同位資料區塊中的資料係由使用者資料區塊中的資料執行互斥或(XOR)運算所得的結果。於圖1所示的案例中，使用者資料區塊D0、D1、D2與同位資料區塊P0形成儲存分割帶S1，而P0中的資料為D0、D1、D2中的資料之互斥或運算結果。同理，使用者資料區塊D3、D4、D5與同位資料區塊P1形成另一個儲存分割帶S2，而P1中的資料係為D3、D4、D5中的資料之互斥或運算結果。同理，使用者資料區塊D6、D7、D8與同位資料區塊P2形成另一個儲存分割帶S3，而P2中的資料係為D6、D7、D8中的資料之互斥或(XOR)運算結果。同理，使用者資料區塊D9、D10、D11與同位資料區塊P3形成另一個儲存分割帶S4，而P3中的資料係為D9、D10、D11中的資料之互斥或運算結果。須聲明的是，熟習此項技藝的人士皆了解，同位資料區塊中之資料之計算，除可使用互斥或運算外，也包含各式各樣之同位元運算或類似的運算技術，只要存在以下關係：相同儲存分割帶中之任一個資料區塊中之資料可由其相對應資料區塊之資料計算而得。明顯地，儲存同位元資料的區塊並未提供循序效能。因此，資料儲存系統1的循序效能由3個儲存裝置提供。

再例如，資料儲存系統依循RAID 0模式(冗餘訊息數目為0)且採用4個儲存裝置，因此，資料儲存系統的循序效能由4個儲存裝置提供。

再例如，資料儲存系統依循RAID 6模式(冗餘訊息數目為2)且採用4個儲存裝置，因此，資料儲存系統的循序效能由2個儲存裝置提供。

目前，先前技術對於如何提升依循RAID模式的資料儲存系統的循序效能仍有極大的改善空間。

本發明即採用輔助記憶體且改變同位元資料寫入的位置以及寫入資料的排列，來提升資料儲存系統的循序效能。

關於採用輔助記憶體之資料儲存系統的先前技術，請參閱美國專利第5,948,110號專利。美國專利第5,948,110號專利揭示一種使用非揮發性記憶體為磁碟陣列系統提供糾錯的方法。非揮發性記憶體用於提升出現磁碟錯誤的RAID恢復速度。這是通過保留同位元資料可能不一致的所有磁碟區塊的列表來實現的。但是，美國專利第5,948,110號專利並未教示如何資料儲存系統的循序效能，其目的與本發明之目的不同。

因此，本發明所欲解決的技術問題在於提供一種具有高循序效能資料儲存系統及其管理方法，尤其是針對符合磁碟陣列架構的資料儲存系統。並且特別地，根據本發明之資料儲存系統採用輔助記憶體且改變同位元資料寫入的位置以及寫入資料的排列，來提升資料儲存系統的循序效能。

本發明之一較佳具體實施例之資料儲存系統包含N個儲存裝置、輔助記憶體以及控制器，其中N為大於或等於3之整數。每一個儲存裝置係區分為M個儲存區域，其中M為大於或等於2之整數。兩者擇一地，每一個儲存裝置之M個儲存區域中第奇數個儲存區域係規劃成使用者資料儲存區域，第偶數個儲存區域係規劃成同位元資料儲存區域，或是每一個儲存裝置之M個儲存區域中第偶數個儲存區域係規劃成使用者資料儲存區域，第奇數個儲存區域係規劃成同位元資料儲存區域。每一個儲存裝置具有第一讀寫速度。輔助記憶體具有第二讀寫速度，並且特別地，輔助記憶體的第二讀寫速度高於每一個儲存裝置的第一讀寫速度。控制器係分別電氣連接至N個儲存裝置以及輔助記憶體。控制器用以接收被要求存入資料儲存系統內之多筆欲存入資料，並將多筆欲存入資料執行預定運算以產生多筆使用者資料以及多筆同位元資料。當輔助記憶體未被寫滿時，控制器將多筆使用者資料寫入N個儲存裝置之多個使用者資料儲存區域內，並且將多筆同位元資料寫入輔助記憶體內。

進一步，當輔助記憶體被寫滿時，控制器將多筆使用者資料寫入N個儲存裝置之多個使用者資料儲存區域內，並且將多筆同位元資料寫入N個儲存裝置之多個同位元資料儲存區域內。隨後，控制器將儲存於輔助記憶體內之多筆同位元資料搬移至N個儲存裝置之同位元儲存區域內。

於一具體實施例中，輔助記憶體可以是非揮發性記憶體或配置獨立電源之揮發性記憶體。

於一具體實施例中，以RAID5為例，每一個使用者資料儲存區域之第一儲存空間範圍為3MB~15GB。每一個同位元資料儲存區域之第二儲存空間範圍為1MB~5GB，第一儲存空間與第二儲存空間維持(N-K)：K之比例。

於一具體實施例中，預定運算可以是互斥或(XOR)運算。

於一具體實施例中，控制器係根據磁碟陣列架構控制N個儲存裝置之資料存取，且磁碟陣列架構定義冗餘訊息數目為K，其中K為正整數。多筆使用者資料所佔的儲存空間與多筆同位元資料所佔的儲存空間的比例等於(N-K)：K。

本發明之一較佳具體實施例之管理方法係針對資料儲存系統。資料儲存系統包含N個儲存裝置以及輔助記憶體，其中N為大於或等於3之整數。每一個儲存裝置係區分為M個儲存區域，其中M為大於或等於2之整數。兩者擇一地，每一個儲存裝置之M個儲存區域中第奇數個儲存區域係規劃成使用者資料儲存區域，第偶數個儲存區域係規劃成同位元資料儲存區域，或是每一個儲存裝置之該M個儲存區域中第偶數個儲存區域係規劃成使用者資料儲存區域，第奇數個儲存區域係規劃成同位元資料儲存區域。每一個儲存裝置具有第一讀寫速度。輔助記憶體具有第二讀寫速度，並且特別地，輔助記憶體的第二讀寫速度高於每一個儲存裝置的第一讀寫速度。根據本發明之方法首先係接收被要求存入該資料儲存系統內之多筆欲存入資料。接著，根據本發明之方法係將多筆欲存入資料執行預定運算以產生多筆使用者資料以及多筆同位元資料。接著，根據本發明之方法係判斷輔助記憶體是否被寫滿。若判斷輔助記憶體未被寫滿，根據本發明之方法則將多筆使用者資料寫入N個儲存裝置之多個使用者資料儲存區域內，並且將多筆同位元資料寫入輔助記憶體內。

進一步，若判斷輔助記憶體被寫滿，根據本發明之方法則將多筆使用者資料寫入N個儲存裝置之多個使用者資料儲存區域內，並且將多筆同位元資料寫入N個儲存裝置之多個同位元資料儲存區域內，隨後，將儲存於輔助記憶體內之多筆同位元資料搬移至N個儲存裝置之同位元儲存區域內。

與先前技術相較，根據本發明之資料儲存系統採用輔助記憶體且改變同位元資料寫入的位置以及寫入資料的排列，明顯地提升資料儲存系統的循序效能。

關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。

1‧‧‧資料儲存系統

12a~12d‧‧‧儲存裝置

2‧‧‧資料儲存系統

20‧‧‧控制器

22a~22n‧‧‧儲存裝置

220‧‧‧儲存區域

222‧‧‧使用者資料儲存區域

224‧‧‧同位元資料儲存區域

24‧‧‧傳輸介面

26‧‧‧輔助記憶體

3‧‧‧存取要求應用單元

4‧‧‧管理方法

S40~S48‧‧‧流程步驟

圖1係資料儲存在依循RAID 5模式且採用4個儲存裝置之先前技術的資料儲存系統內之儲存格式示意圖。

圖2係根據本發明之一較佳具體實施例之資料儲存系統的架構示意圖。

圖3係資料儲存在依循RAID 5模式且採用4個儲存裝置以及輔助記憶體之根據本發明之資料儲存系統內的儲存格式示意圖。

圖4係圖3所示範例資其輔助記憶體被寫滿時根據本發明之資料儲存系統內的儲存格式示意圖。

圖5係根據本發明之一較佳具體實施例之管理方法的流程圖。

請參閱圖2，根據本發明之一較佳具體實施例之資料儲存系統2之架構係繪示於圖2中。

如圖2所示，根據本發明之資料儲存系統2包含N個儲存裝置(22a~22n)、控制器20以及輔助記憶體26，其中N為大於或等於3之整數。控制器20係分別電連接至N個儲存裝置(22a~22n)以及輔助記憶體26。

控制器20係能產生(重建)與待讀取資料相同之冗餘資料。例如，於RAID 5架構下，控制器20係透過互斥或(XOR)運算來產生冗餘資料。

於一具體實施例中，控制器20係根據磁碟陣列架構控制N個儲存裝置(22a~22n)之資料存取。磁碟陣列架構可以是RAID 5或RAID 6等。

於一具體實施例中，每一個儲存裝置(22a~22n)可以是磁帶機、磁碟機、記憶體裝置、光儲存記錄裝置，或是於同一顆磁碟機中之對應於單一讀寫頭之一個磁區，或是其他等效的儲存裝置。

同樣示於圖2，圖2並且繪示存取要求應用單元3。存取要求應用單元3係經由傳輸介面24連接至控制器20。於實際應用中，存取要求應用單元3可以是網路電腦、迷你電腦、大型主機、筆記型電腦，或是需要讀取根據本發明之資料儲存系統2中之資料的任何電子設備，例如，手機、個人數位助理、數位錄影設備、數位音樂播放器等。

當存取要求應用單元3係一部獨立的電子設備時，其係可透過儲存區域網路(SAN)、區域網路(LAN)、序列先進技術(serial ATA,SATA)介面、光纖通道(FC)、小型電腦標準介面(SCSI)等傳輸介面，或是PCI Express等輸出入(I/O)介面與根據本發明之資料儲存系統2相連接。此外，當存取要求應用單元3係一特殊積體電路元件，或是其他能夠送出輸出入讀取要求的等效裝置，其係能依據其他裝置之命令(或請求)而送出資料讀取要求至控制器20，進而透過控制器20讀取該等儲存裝置(22a~22n)中的資料。

根據本發明之資料儲存系統2中之控制器20以及該等儲存裝置(22a~22n)可以同時安置於單一箱體內，也可以獨立分開而安置於不同的箱體內。實務上，控制器20可以透過光纖通道(FC)、小型電腦系統介面(SCSI)、序列連接SCSI(SAS)、序列ATA(SATA)、平行ATA(PATA，或稱IDE) 等傳輸介面與該等儲存裝置(22a~22n)相連接。若該等儲存裝置(22a~22n)為磁碟機的話，每一個儲存裝置(22a~22n)可以是FC、SAS、SCSI、SATA、PATA等各種不同介面型態的磁碟機。控制器20係可為磁碟陣列控制器，或是具有能夠產生冗餘資料之資料儲存系統的控制器。

同樣示於圖2，每一個儲存裝置(22a~22n)係區分為M個儲存區域220，其中M為大於或等於2之整數。兩者擇一地，每一個儲存裝置(22a~22n)之M個儲存區域220中第奇數個儲存區域220係規劃成使用者資料儲存區域222，第偶數個儲存區域220係規劃成同位元資料儲存區域224，如圖2所示。或是，每一個儲存裝置(22a~22n)之M個儲存區域220中第偶數個儲存區域220係規劃成使用者資料儲存區域222，第奇數個儲存區域220係規劃成同位元資料儲存區域224亦可。

每一個儲存裝置(22a~22n)具有第一讀寫速度。輔助記憶體26具有第二讀寫速度，並且特別地，輔助記憶體26的第二讀寫速度高於每一個儲存裝置(22a~22n)的第一讀寫速度。

當使用者端欲將資料寫入根據本發明之資料儲存系統2內時，控制器20經由傳輸介面24接收存取要求應用單元3傳送的多筆欲存入資料。控制器20並將多筆欲存入資料執行預定運算以產生多筆使用者資料以及多筆同位元資料。與先前技術不同，當輔助記憶體26未被寫滿時，控制器20將多筆使用者資料寫入N個儲存裝置(22a~22n)之多個使用者資料儲存區域222內，並且將多筆同位元資料寫入輔助記憶體26內。

請參閱圖3，根據本發明之資料儲存系統2依循RAID 5模式(冗餘訊息數目為1)且採用4個儲存裝置 (22a~22d)，圖3即描繪資料儲存在4個儲存裝置(22a~22d)以及輔助記憶體26內的存儲格式。圖3所示的範例為每一個儲存裝置(22a~22n)之M個儲存區域220中第奇數個儲存區域220係規劃成使用者資料儲存區域222，第偶數個儲存區域220係規劃成同位元資料儲存區域224。儲存裝置22a從邏輯位址起始位址起皆儲存使用者資料D0、D4、D8；儲存裝置22b從邏輯位址起始位址起皆儲存使用者資料D1、D5、D9；儲存裝置22c從邏輯位址起始位址起皆儲存使用者資料D2、D6、D10；儲存裝置22d從邏輯位址起始位址起皆儲存使用者資料D3、D7、D11。輔助記憶體26從邏輯位址起始位址起皆儲存同位元資料P0、P1、P2、P3。4個儲存裝置(22a~22d)的同位元資料儲存區域224尚未儲存同位元資料。

每一個使用者資料儲存區域222又被區分為多個使用者資料區塊。每一個同位元資料儲存區域224又被區分為多個同位元資料區塊。於一具體實施例中，每一個使用者資料儲存區域222之第一儲存空間範圍為3MB~15GB。每一個同位元資料儲存區域224之第二儲存空間範圍為1MB~5GB。

於一具體實施例中，預定運算可以是互斥或(XOR)運算。同位元資料區塊中的資料係由使用者資料區塊中的資料執行互斥或(XOR)運算所得的結果。須聲明的是，熟習此項技藝的人士皆瞭解，同位元資料區塊中之資料之計算，除可使用互斥或(XOR)運算外，也包含各式各樣的同位元(parity)運算或類似的運算技術，只要存在以下關係：相同儲存分割帶中之任一個資料區塊中之資料可由其相對應資料區塊之資料計算而得。

於一具體實施例中，輔助記憶體26可以是非揮發性記憶體，或是配置獨立電源(例如，電池)之揮發性記憶體。輔助記憶體26的儲存空間可以小於每一個儲存裝置 (22a~22n)的儲存空間，但是並不以此為限。

進一步，當輔助記憶體26被寫滿時，控制器20將多筆使用者資料寫入N個儲存裝置(22a~22n)之多個使用者資料儲存區域222內，並且將多筆同位元資料寫入N個儲存裝置(22a~22n)之多個同位元資料儲存區域224內。隨後，控制器20將儲存於輔助記憶體26內之多筆同位元資料搬移至N個儲存裝置(22a~22n)之同位元儲存區域224內。請參閱圖4，圖4所示範例的架構同圖3所示範例的架構。圖4所示範例的情況為輔助記憶體26被寫滿。儲存於輔助記憶體26內之多筆同位元資料P0、P1、P2、P3搬移至4個儲存裝置(22a~22d)的同位元資料儲存區域224。

如上文所述，控制器20係根據磁碟陣列架構控制N個儲存裝置(22a~22n)之資料存取，且磁碟陣列架構定義冗餘訊息數目為K，其中K為正整數。多筆使用者資料所佔的儲存空間與多筆同位元資料所佔的儲存空間的比例等於(N-K)：K。

請參閱圖4，圖4係繪示根據本發明之一較佳具體實施例之管理方法4之流程圖。根據本發明之管理方法4係針對例如圖2之資料儲存系統2的管理方法。根據本發明之資料儲存系統2之架構已於上文中詳述，在此不再贅述。但是須強調的是，本發明之資料儲存系統2，其中每一個儲存裝置(22a~22n)之M個儲存區域220中第偶數個儲存區域220係規劃成使用者資料儲存區域222，第奇數個儲存區域220係規劃成同位元資料儲存區域224亦可。

如圖4所示，根據本發明之管理方法4首先執行步驟S40，係接收被要求存入根據本發明之資料儲存系統2內之多筆欲存入資料。

接著，根據本發明之管理方法4執行步驟S42，係將多筆欲存入資料執行預定運算(例如，互斥或(XOR)運算)以產生多筆使用者資料以及多筆同位元資料。

接著，根據本發明之管理方法4執行步驟S44，係判斷輔助記憶體26是否被寫滿。

若步驟S44之結果為判斷輔助記憶體26未被寫滿，根據本發明之管理方法4則執行步驟S46，將多筆使用者資料寫入N個儲存裝置(22a~22n)之多個使用者資料儲存區域222內，並且將多筆同位元資料寫入輔助記憶體26內。

進一步，若步驟S44之結果為判斷輔助記憶體26被寫滿，根據本發明之管理方法4則執行步驟S48，將多筆使用者資料寫入N個儲存裝置(22a~22n)之多個使用者資料儲存區域222內，並且將多筆同位元資料寫入N個儲存裝置(22a~22n)之多個同位元資料儲存區域224內，隨後，將儲存於輔助記憶體26內之多筆同位元資料搬移至N個儲存裝置(22a~22n)之同位元儲存區域224內。

請參閱表1及表2，多個比較例與本發明之一範例經一測試方法所測得的讀取速度係列於表1，多個比較例與本發明之一範例經該測試方法所測得的寫入速度係列於表2，讀取速度與寫入速度的單位皆為MB/秒。多個比較例包含單顆磁碟、4顆磁碟符合傳統RAID 0架構、4顆磁碟符合傳統RAID 5架構，本發明之一範例為4顆磁碟依循RAID 5架構。測試方法所採用的工具為IOmeter，參數：IO大小為1MB、outstanding個數為16、100%循序寫入或100%循序讀取。

表1

表1與表2中的數據證實根據本發明採用4顆磁碟且依循RAID 5架構其讀取速度與寫入速度大幅高於4顆磁碟符合傳統RAID 5架構的讀取速度與寫入速度，甚至接近4顆磁碟符合傳統RAID 0架構的讀取速度與寫入速度。由此證實，與先前技術相較，顯見地，根據本發明之資料儲存系統具有高循序效能。

藉由以上本發明之較佳具體實施例的詳細說明，能清楚了解根據本發明之資料儲存系統採用輔助記憶體且改變同位元資料寫入的位置以及寫入資料的排列，明顯地提升資料儲存系統的循序效能。

藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之面向加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的面向內。因此，本發明所申請之專利範圍的面向應該根據上述的說明作最寬廣的解釋，以致使其涵蓋所有可能的改變以及具相等性的安排。