容錯存儲系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)研究.pdf

1、冗余容錯技術(shù)能夠顯著提高數(shù)據(jù)存儲的可靠性，在實際存儲系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。然而，容錯存儲系統(tǒng)在實際運用中卻存在諸多障礙和挑戰(zhàn)。容錯存儲系統(tǒng)的底層編碼結(jié)構(gòu)有著多種實現(xiàn)方式，但現(xiàn)有的容錯編碼大多都存在性能缺陷，且普遍具有碼長限制。另一方面，容錯存儲系統(tǒng)利用高數(shù)據(jù)冗余實現(xiàn)了高容錯能力，但同時也導致了過高的寫開銷和過低的寫性能。研究高性能容錯編碼的構(gòu)造方法、容錯編碼的碼長擴展方法、以及容錯存儲系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)改進和性能優(yōu)化方法等，克服容錯存儲系統(tǒng)在

2、實際應用中的各種缺陷，是一項十分重要和緊迫的研究課題。
　　經(jīng)過理論分析、系統(tǒng)設計和實驗評估，取得了下列一些研究成果。
　　首先，從理論上嚴格證明了容雙錯編碼的存儲效率、更新復雜度和編解碼計算復雜度等性能指標的最優(yōu)值。在此理論框架下，提出了一種新的容雙錯編碼結(jié)構(gòu)P-Code，P-Code在上述三個性能指標上同時達到了理論最優(yōu)值。P-Code的編碼結(jié)構(gòu)與一個特定二元組集合的劃分相關(guān)聯(lián)，其中每個二元組對應于編碼結(jié)構(gòu)中的一個數(shù)據(jù)塊

3、，作為該數(shù)據(jù)塊的標簽。P-Code的編解碼過程都是基于數(shù)據(jù)塊標簽的，簡單直觀，易于理解和工程實現(xiàn)。同時，P-Code的編碼結(jié)構(gòu)具有很強的靈活性，同列數(shù)據(jù)塊之間互換標簽，不同列之間整體互換標簽，都不會影響P-Code的正確性，調(diào)換標簽后生成的編碼結(jié)構(gòu)是與原始編碼結(jié)構(gòu)具有相同容錯能力的變形形式。
　　RDP（Row-Diagonal Parity）編碼是一種在存儲學術(shù)界和工業(yè)界得以廣泛關(guān)注和應用的容雙錯編碼。在對RDP編碼的性能指標進

4、行分析時，發(fā)現(xiàn)RDP編碼的存儲效率和編解碼計算復雜度均達到了理論最優(yōu)值，但更新復雜度卻沒達到理論最優(yōu)值。提出了一種改進RDP編碼的方案，該方案通過更改RDP編碼結(jié)構(gòu)中行校驗塊的放置策略，在保持RDP編碼的存儲效率和編解碼計算復雜度的最優(yōu)性的前提下，使其更新復雜度也達到了最優(yōu)。
　　容雙錯編碼的碼長通常都具有限制，導致基于容雙錯編碼的容錯存儲系統(tǒng)所能配置的磁盤或節(jié)點數(shù)目也具有限制。水平碼可以通過直接削減數(shù)據(jù)列的方式來擴展至任意碼長，

5、而垂直碼卻不能通過這種方式來進行碼長擴展，因為垂直碼結(jié)構(gòu)中的數(shù)據(jù)列含有校驗塊。提出了兩種適用于容雙錯垂直碼的碼長擴展算法。第一種算法在削減數(shù)據(jù)列時通過變更校驗塊的方式保證了校驗條帶的完整性，而第二種算法在削減數(shù)據(jù)列時將失去校驗塊的整個校驗條帶從編碼結(jié)構(gòu)中移除。這兩種算法均能將垂直碼擴展至任意碼長，并能保持其原有的容錯特性。
　　變更校驗塊方式的碼長擴展算法保持了垂直碼的最優(yōu)存儲效率，但增加了垂直碼的更新復雜度和計算復雜度；移除校驗

6、條帶方式的碼長擴展算法降低了垂直碼的存儲效率，但使得垂直碼的更新復雜度保持最優(yōu)，并進一步降低了垂直碼的計算復雜度。受此現(xiàn)象的啟發(fā)，又提出了垂直碼的垂直削減算法，該算法以降低垂直碼的存儲效率為代價，來換取垂直碼更低的計算復雜度以及更高的數(shù)據(jù)恢復效率。
　　為了解決RAID6磁盤陣列的寫性能過低的問題，提出了一種利用日志技術(shù)優(yōu)化RAID6磁盤陣列寫性能的方案RAID6L。RAID6L在RAID6磁盤陣列結(jié)構(gòu)的基礎上增加一個日志盤，并且

7、在寫數(shù)據(jù)的同時只將相關(guān)數(shù)據(jù)塊的初始數(shù)據(jù)或更新數(shù)據(jù)記入日志盤中，校驗的更新延遲到系統(tǒng)負載比較輕的時候再統(tǒng)一處理。由于記錄日志的開銷比更新校驗塊的開銷要小很多，因此RAID6L的寫性能比傳統(tǒng)RAID6磁盤陣列要提高很多。同時，日志盤上的記錄能夠保證RAID6磁盤陣列在不更新校驗的時候仍然具有容雙盤出錯的能力。相比于傳統(tǒng)的RAID6磁盤陣列，RAID6L能以較小的可靠性損失換來寫性能的大幅提升。
　　校驗日志方案（Parity Logg