低密度奇偶校驗碼應(yīng)用于存儲系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著社會的發(fā)展和進步,信息技術(shù)的發(fā)展速度也越來越快,尤其是互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展和個人數(shù)碼產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用使得人們獲取信息的方式由最早的紙記筆錄方式發(fā)展到數(shù)年前的多媒體時代,再演變到現(xiàn)在每個人都是信息發(fā)布源的“自媒體”時代。信息的爆炸式增長也對信息的存儲造成了巨大的壓力,這種壓力來自兩方面,一是飛速增長的信息量對存儲容量的要求越來越高,二是數(shù)據(jù)本身的價值越來越高,甚至遠遠超過信息存儲媒介的價值,因此對存儲系統(tǒng)可靠性的要求也越來越高。
　　

2、隨著人們對大容量存儲系統(tǒng)的可靠性提出了新的要求,原有的各種編碼技術(shù)開始捉襟見肘。光盤和磁介質(zhì)硬盤中的里德·索羅門碼(Reed-SolomonCodes,RS)、單層單元固態(tài)硬盤中的循環(huán)檢驗碼(Bose-Chaudhuri-HocquenghemCodes,BCH)以及分布式存儲系統(tǒng)中的糾刪碼均已經(jīng)到達或接近其極限,迫切需要一種新的編碼。低密度奇偶校驗碼(Low-densityParity-checkCodes,LDPC)雖然有著已知最接

3、近香農(nóng)限的糾錯能力,但因其編譯碼過程比較復(fù)雜,在其發(fā)現(xiàn)初期并未進入實際應(yīng)用領(lǐng)域。而隨著近年來半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展,人們已經(jīng)可以實現(xiàn)基于超大規(guī)模集成電路的LDPC碼編譯碼工作,因此繼實際應(yīng)用于通信領(lǐng)域后,LDPC碼必將在存儲領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本文正是基于這種考慮,對LDPC碼在各種存儲環(huán)境下的應(yīng)用展開了前瞻性研究。
　　目前,光存儲系統(tǒng)雖然面臨硬盤存儲系統(tǒng)的嚴峻挑戰(zhàn)但仍然憑借自己批量復(fù)制成本極低、保存時間長達百年并且不存在誤刪除可能

4、性的優(yōu)勢,在存儲市場仍然占據(jù)著一席之地。由于新一代高密度光盤存儲系統(tǒng)的數(shù)據(jù)密度遠遠高于DVD等早期低密度光存儲系統(tǒng),因此廣泛用于光盤的RS碼在將不能很好的滿足新一代高密度光盤的應(yīng)用;而隨機構(gòu)造型LDPC碼可以通過計算機篩選最優(yōu)的構(gòu)造矩陣,因此可以代替RS碼更好地為人們提供基于高密度光存儲系統(tǒng)的可靠存儲服務(wù),本論文首先對高密度光存儲中應(yīng)用隨機構(gòu)造LDPC碼的可行性及其實用性進行了深入論證,說明隨機構(gòu)造的LDPC碼確實可以用于高密度光盤存儲

5、系統(tǒng),并且能夠有效提高高密度光盤存儲系統(tǒng)的可靠性和有效存儲容量。
　　固態(tài)硬盤則是近年來迅速興起的新型硬盤,憑借其高速度、高IOPS以及完全抗震等傳統(tǒng)磁介質(zhì)硬盤無法實現(xiàn)的特性很快的占領(lǐng)了一部分商用存儲系統(tǒng)和個人存儲系統(tǒng)的市場。但是,由于固態(tài)硬盤存儲介質(zhì)自身的特點,它存在著耐久度不高、讀寫不對稱等致命缺陷。代數(shù)結(jié)構(gòu)的非隨機構(gòu)造LDPC碼則因其編譯碼開銷較小,能提供極佳的糾錯能力,大碼長的編譯碼,因此非常適合應(yīng)用于固態(tài)硬盤。本論文從構(gòu)

6、造適合固態(tài)硬盤存儲系統(tǒng)的代數(shù)結(jié)構(gòu)非隨機LDPC碼的角度對固態(tài)硬盤存儲系統(tǒng)進行了深入研究,并得出可以通過縮短技術(shù)以犧牲一定碼率為代價構(gòu)造出適合固態(tài)硬盤存儲系統(tǒng)的合理構(gòu)造的準循環(huán)LDPC碼以幫助提高固態(tài)硬盤的可靠性。此外,本文還針對固態(tài)硬盤存儲系統(tǒng)面臨的另一大挑戰(zhàn)——耐久度不高的問題,提出通過細粒度數(shù)據(jù)重構(gòu)的方式有效延長多級單元(MultiLevelCell,MLC)和三級單元(TrinaryLevelCell,TLC)固態(tài)硬盤的使用壽命。

7、
　　分布式存儲系統(tǒng)是存儲系統(tǒng)發(fā)展史上的一大突破,它不僅將磁盤陣列(RedundantArrayOfIndependentDisks,RAID)的優(yōu)點——基于廉價桌面硬盤搭建高性能高可靠性的存儲系統(tǒng)——進一步發(fā)揚光大,還可以通過網(wǎng)絡(luò)將不同的存儲子系統(tǒng)相互連接,甚至可以搭建基于廣域網(wǎng)的高性能存儲系統(tǒng)。但是,以往對分布式存儲的研究主要集中于可靠性方面,對分布式存儲的效率和經(jīng)濟價值的研究較少。相對于目前廣泛應(yīng)用于分布式存儲系統(tǒng)中的水平糾

8、刪碼和垂直糾刪碼,LDPC碼有著糾錯能力更強并且譯碼工作是線性時間開銷等特點,因此同樣非常適合成為新一代分布式存儲系統(tǒng)的糾錯碼。本文在對LDPC碼進行深入研究后,將其應(yīng)用領(lǐng)域延伸至分布式存儲系統(tǒng),首先研究了適合分布式存儲系統(tǒng)的LDPC碼分塊方法,隨后提出由于糾刪碼策略和復(fù)制策略的綜合成本不同,可以由分布式存儲子系統(tǒng)通過博弈的方法優(yōu)化存儲策略,并在通過博弈論的數(shù)學(xué)方法證明夏普里值的存在性后,給出了分布式存儲系統(tǒng)LDPC碼糾刪策略和復(fù)制策略