[發明專利]數據存儲與重建的方法與系統

有效

• 申請號: 201210566493.6
• 申請日: 2012-12-24
• 公開（公告）號: CN103870352B
• 公開（公告）日: 2017-07-14
• 發明（設計）人: 孫厚強;張安男;簡廷芳;曹世強;姜琦凡;闕志克
• 申請（專利權）人: 財團法人工業技術研究院
• 主分類號: G06F11/07
• 分類號: G06F11/07;G06F11/08
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司11021
• 代理人: 宋焰琴

技術領域

本發明涉及一種數據存儲與重建(rebuilding)的方法與系統。

背景技術

獨立磁盤冗余陣列(Redundant Array of Independent Disks，RAID)是一種結合硬件與軟件來強化容錯(fault tolerance)能力與性能(performance)的技術。當某磁盤工作失敗(disk failure)時，例如發生故障或損毀，常用來存儲與保護數據。此技術把多塊相對便宜的磁盤組合起來，成為一個軟磁盤陣列組，使性能達到甚至超過一個價格昂貴的容量巨大的磁盤。此技術能夠在橫跨每一磁盤時，節省數據與相對應的同位(parity)。保護條帶(protection stripe)包括來自不同磁盤的一系列的頁(page)，頁是每一磁盤的數據存儲單位。條帶大小(stripe size)定義為一磁盤陣列(disk array)中磁盤的個數(number of disk drives)。此技術通常利用輪詢(round-robin)方式來確保每一條帶已平均分散至每一磁盤。

將同位塊(parity block)加入于一組來源位(source bits)中可確保輸出結果(outcome)的設定位(set bits)的個數為偶數或是奇數，而設定位的個數也就是值為1的位的個數。一錯誤糾正碼(Error Correction Code，ECC或稱parity)模塊可使用至少一錯誤糾正或錯誤檢測碼，例如Reed-Solomon(RS)碼、循環冗余檢驗(Cyclic Redundancy Check，CRC)碼等。

在RAID的結構中，當某一磁盤出現故障時，每一條帶上的數據，可使用硬件來檢查分散于各磁盤上的ECC/同位，其它磁盤可以通過這些分散的ECC/同位的校驗，將故障的磁盤所存儲的數據重新恢復出來。RAID5是RAID的一系列技術的其中一種。RAID5使用至少三塊磁盤配置。圖1是RAID5的配置的一范例示意圖。如圖1的范例所示，RAID5將所有ECC，分別以條帶式地存儲在每一磁盤上，并且每一磁盤在不同頁存儲不同數據，每一磁盤也各存儲一對應的ECC。每一條帶包括來自N-1個不同磁盤的不同數據，以及其余一個磁盤的ECC，N是條帶大小，也就是一條帶中磁盤的個數，本例中，N等于4。當某一磁盤出現故障時，其它磁盤可以通過ECC的校驗，將故障的磁盤所存儲的數據重新恢復出來。在RAID5中，由于所有的ECC要使用一磁盤的容量作為校驗使用，所以實際可以使用的磁盤容量為N-1。

在一條帶上，將數據分散在陣列的每一磁盤上時，若此條帶具有最大的被允許的(allowed)數據存儲容量時，此類型的條帶被定義為全條帶(fullstripe)。也就是說，全條帶是使用最大的被允許的磁盤個數所構成的一條帶。所以，全條帶的寫入效能(write performance)高，亦即速度很快。另一種類型的條帶是部份填入式條帶(partially filled stripe)，此部份填入式條帶的數據存儲容量小于條帶大小。部份填入式條帶在隨機存取頻繁時，其寫入效能低，如圖2的范例所示。當收到一輸入/輸出命令(I/O command)時，從一磁盤中讀出數據1及該磁盤存儲的ECC至一存儲器，例如一隨機存取存儲器(RAM)，然后圖2中的部份填入式條帶需要重新記算新的ECC后，再將數據1寫回至該磁盤的同一地址。當RAM的空間不夠且隨機存取頻繁時，會增加寫入的工作負荷(write workload)，而降低寫入效能低。

有一種在RAID系統中存儲器備份(memory backup)的技術如圖3所示。此技術提供一易失性(volatile)存儲器324與一非易失性(non-volatile)存儲器358給一RAID系統。此RAID系統利用一RAID控制器312來檢測出主要電源供應(main power supply)失敗(failure)。當RAID控制器312檢測出主要電源供應(main power supply)失敗時，暫時電源供應354則供應暫時電源(temporary power)給易失性(volatile)存儲器324，讓RAID控制器312將數據從易失性存儲器324傳送到非易失性存儲器358。也就是說，此技術在RAID系統中提供易失性存儲器及額外的電源供應來進行數據備份。

在上述數據保護的技術中，當處理部份填入式條帶的數據時，會遇到的挑戰是，如何確保能妥善保存條帶的數據以及得以成功重建條帶的數據，并且如何確保數據與ECC/同位均等分配至每一磁盤。因此，如何在條帶的架構下設計一種數據存儲與重建的技術，將會是重要的課題之一。

發明內容