CN101517542A - 在存在全局热备用磁盘的情况下用于断开的驱动器的优化重建和向回复制的方法 - Google Patents

在存在全局热备用磁盘的情况下用于断开的驱动器的优化重建和向回复制的方法 Download PDF

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Abstract

本发明是用于在多磁盘大容量存储系统中优化重建和复制回包含在故障磁盘上的数据的系统。本发明所述的系统可以包括：处理单元，需要大容量存储器；一个或多个磁盘，配置为RAID系统；相关全局热备用磁盘；以及互连，连接处理单元、RAID和全局热备用磁盘。在本发明的另一方面，披露了一种用于使用全局热备用来重建和复制回一断开RAID磁盘的方法。该方法包括：断开一RAID组成磁盘；将来自所述断开RAID磁盘的数据重建到一全局热备用磁盘上；重新连接所述断开RAID组成磁盘；以及将所述重建的数据从所述全局热备用磁盘复制回所述重新连接的RAID组成磁盘。

Description

在存在全局热备用磁盘的情况下用于断开的驱动器的优化重建和向回复制的方法
技术领域
本发明涉及廉价磁盘冗余阵列(RAID)存储系统的领域，更具体地涉及在RAID系统断开后优化组成驱动器的重建。
背景技术
廉价磁盘冗余阵列(RAID)已经成为在当前计算机系统结构中维护数据的有效工具。RAID系统使用能够复制或共享各个驱动器中的数据的小的且廉价的硬盘的阵列。对不同RAID级别的具体描述由帕特森(Paterson)等人在1988年6月的ACM SIGMOD会议上的题为“一种用于廉价磁盘冗余阵列的情形(A Case forRedundant Arrays of Inexpensive Disks(RAID))”的文章中披露。该文章通过引用结合于此。
存在多个不同级别的RAID实施方式。最简单的阵列，RAID级别1，包括用于数据存储的一个或多个主磁盘，以及相同数量的用于存储包含在数据磁盘上的所有信息的拷贝的额外“镜像”磁盘。所有剩下的RAID级别2、3、4、5和6将连续数据分割成多个段，用于存储在各个磁盘中。
RAID级别2、3、4、5和6系统将数据以块的形式分布在各个磁盘中。块是由多个连续扇区组成的。扇区是磁盘驱动器的物理区并包括字节的集合。扇区是磁盘驱动器的数据传输的最小单位。当数据块被写入磁盘时，其被分配磁盘块号码(DNB)。所有RAID系统磁盘维护相同的DNB系统，使得每个磁盘上的一个块具有一给定的DBN。具有相同DBN的各个磁盘上的块的集合被统称为分条。
此外，如今许多操作系统通过将大容量存储装置上的空间分成多个卷来管理该空间的分配。所述术语卷指的是遍布例如RAID系统中的多个磁盘和相关磁盘驱动器的物理存储空间元件的逻辑分组。与物理看待存储器相比，卷是允许逻辑看待存储器的部分抽象概念。因而，大多数操作系统对待卷如同它们是独立的磁盘驱动器。卷由卷管理软件创建并维护。卷组是包含共同驱动器组的不同卷的集合。
RAID系统的一个主要优点在于其能够从包含在剩余可运行磁盘上的信息来重建故障组成磁盘的数据。在RAID级别3、4、5、6中，通过使用奇偶校验块来实现冗余。包含在给定分条中的奇偶校验块中的数据是每次对该分条中的数据块执行写操作时执行的计算的结果。下面的等式通常被用于计算给定奇偶校验块的下一状态：
新奇偶校验块＝(旧数据块异或新数据块)异或旧奇偶校验块
在各RAID级别之间，该奇偶校验块的存储位置不同。RAID级别3和4使用专用于奇偶校验块的存储器的特定磁盘。RAID级别5和6在所有各个磁盘中交插奇偶校验块。RAID级别6因为其每个分条具有两个奇偶校验块而来区分其本身，这是两个磁盘同时断开的原因。如果在阵列中的给定磁盘断开，则来自所述剩余磁盘的用于给定分条的数据块和相关奇偶校验块可被结合来重建所述损失数据。
用于处理RAID系统中的单个磁盘的断开的一种机制是全局热备用磁盘的结合。全局热备用磁盘是用于代替RAID配置中的断开的主磁盘的磁盘或磁盘组。该装置被加电或被认为是“热的”，但是在系统中并没有实际起作用。当RAID系统中的一磁盘断开时，所述全局热备用磁盘为所述断开的磁盘而结合，并使用来自剩余运行磁盘的数据块和奇偶校验块来重建所述损失磁盘的所有卷段。一旦此数据被重建，则所述全局热备用磁盘起所述RAID系统的组成磁盘的作用，直到所述断开的RAID磁盘的重新连接。当所述断开的主磁盘被重新连接时，可能发生将所述重建的数据从所述全局热备用向回复制到所述重新连接的主磁盘。
通常，当非RAID 0系统中的组成磁盘断开时，所述全局热备用磁盘为所述断开的磁盘而结合并且重建的来自所述断开的磁盘的所有卷段。这种方法在所述RAID组成磁盘的断开与其重新连接之间的时间内，不必重建和向回复制属于没被存取或更改卷(即那些不接收I/O请求的卷)的卷段。
因此，期望提供一种系统和方法，用于在RAID磁盘的断开与重新连接之间的时间内，只有接收I/O请求部分卷的断开磁盘上的那些卷段重建和向回复制。
发明内容
因此，本发明旨在一种使用全局热备用磁盘优化重建和复制回断开RAID磁盘的方法和系统。
在本发明的第一方面，披露了一种用于使用全局热备用来重建和复制回故障RAID磁盘的系统。该系统包括：处理单元，需要大容量存储器；一个或多个磁盘，配置为RAID系统；相关全局热备用磁盘；以及互连，连接所述处理单元、所述RAID和所述全局热备用磁盘。
在本发明的另一方面，披露了一种用于使用全局热备用来重建和复制回断开RAID磁盘的方法。该方法包括：检测到RAID组成磁盘的断开；将来自所述断开RAID磁盘的数据重建至一全局热备用磁盘；重新连接所述断开RAID组成磁盘；及将来自所述全局热备用磁盘的所述重建数据复制回到所述重新连接的RAID组成磁盘。
应该理解上述的一般描述和下面的具体描述都仅是示例性和解释性的，并不用于限制所要求保护的本发明。结合于此并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并与一般描述一起用来解释本发明的原理。
附图说明
通过参考附图，本领域的技术人员能够更好地理解本发明的多个优点，附图中：
图1是n磁盘RAID系统和额外后备全局热备用磁盘的示例性表示。包括所述n个磁盘的卷组具有m个独立卷，每个卷在该n个磁盘上分成n段。
图2是n磁盘RAID系统和额外后备全局热备用磁盘的示例性表示，其中n个磁盘中的一个磁盘已经断开。
图3是已经向卷组中的一给定卷发布I/O请求以使所有卷从优化状态转为退化状态的示例性表示。
图4是利用来自仍连接在RAID中的剩余的n-1个可运行磁盘的卷段的数据和奇偶校验信息来结合全局热备用磁盘并将来自断开磁盘的退化状态卷的卷段重建至所述全局热备用磁盘上的示例性表示。
图5是将重建的卷段从全局热备用磁盘复制回故障磁盘的替换磁盘的示例性表示。
图6是示出了使用全局热备用磁盘重建并复制回RAID系统中的断开磁盘的方法的流程图。
具体实施方案
下面将具体参考本发明的优选实施例。
如果RAID系统的一个组成磁盘意外或为了维护目的而有意断开，则全局热备用磁盘将为损失的驱动器而结合。为了维持数据的一致性，当处理单元向RAID中的一个或多个卷发出I/O请求时(即所述卷变成“退化”)，所述系统启动包含在所述断开磁盘上那些卷的段的重建。该重建是通过使用保持在剩余磁盘上的数据和奇偶校验信息来实现的。在重建任何退化卷之后，对于那些退化的卷，全局热备用磁盘替换所述断开磁盘作为RAID中的组成驱动器来操作。非退化的卷没有被重建至所述全局热备用磁盘，其内容没有改变(即，没有发生给那些卷的I/O请求)。
当原始断开得磁盘被重新插回所述RAID中时，发生数据从所述全局热备用磁盘的向回复制。那些变成退化并被重建至所述全局热备用磁盘的卷的卷段被向回复制，代替当前包含在重新连接的磁盘上的先前版本。然而，来自包含在所述断开磁盘上的任何非退化卷的卷段保持它们断开前的状态不变。
当所述断开磁盘不在时只有那些变成退化的卷重建和向回复制，这总体上缩短了重建/复制回处理所需的时间量(并因此缩短了整个系统停工时间)。所述非退化卷的未改变的优化数据保持一致状态，有或无重建和向回复制。这样，非退化卷的重建和再复制不必延长所述重建/复制回处理。如果在磁盘断开过程中只有十分之一逻辑卷实际变成退化，则所有卷的重建将导致总的重建/复制回时间比实际需要维持数据一致性的时间长10倍。
该机制还减少了全局热备用专用于给定卷组的时间量。因为全局热备用一次只能为一个RAID组成磁盘结合，所以不能处理多个RAID磁盘的同时故障。因此，期望最小化全局热备用被作为RAID组成磁盘使用的时间量。
根据本发明的系统可以通过结合至需要大容量存储的处理单元的卷管理软件中作为用于RAID系统的控制器中的固件，或作为与RAID系统接口的备用独立硬件部件来实现。
本发明的其他细节在附图中示出的示例中提供。
参考图1，示出了包括n磁盘、非RAID 0系统110和额外后备全局热备用磁盘120的大容量系统100的示例性表示。卷组包括m个独立卷130、140、150和160。每个卷130、140、150和160由n个独立段构成，每个段对应于n磁盘RAID系统的n个磁盘之一。能够发送I/O请求的外部装置170的卷管理软件使得该装置将每个卷作为独立磁盘驱动器来对待。这样，某些卷130、140、150或160在n磁盘110的一个磁盘的断开与其重新连接之间的时间期间内存在可以被存取的可能性。
参考图2，示出了包括具有额外后备全局热备用磁盘220的n磁盘RAID系统210的大容量系统200的示例性表示，其中n个磁盘之一230已断开。
参考图3，示出了包括具有额外后备全局热备用磁盘320的n磁盘RAID系统310的大容量系统300的示例性表示，其中n个磁盘之一330已断开。由外部装置360向一个或多个卷350发出I/O请求340。当这发生时，独立卷350从优化状态转换为退化状态。该转换启动将位于断开磁盘330上的退化状态的卷段重建至全局热备用磁盘320。
参考图4，示出了包括具有额外后备全局热备用磁盘420的n磁盘RAID系统410的大容量系统400的示例性表示，其中n个磁盘之一430已断开。全局热备用磁盘420已经作为n磁盘RAID系统410的组成磁盘被结合。使用来自包括退化卷460的剩余者的相应卷段的存在的数据块和奇偶校验块450将位于断开磁盘430上的退化状态卷460的卷段440重建到全局热备用磁盘420上。断开磁盘430上的非退化卷470的段480没有被重建至所述全局热备用磁盘。
参考图5，示出了包括具有额外后备全局热备用磁盘520的n磁盘RAID系统510的大容量系统500的示例性表示，其中先前断开磁盘530已经被重新连接。退化卷550的重建段540被从全局热备用磁盘520复制回到重新连接的RAID磁盘530的相应卷段560。在向回复制之后，所述重新连接的RAID磁盘530含有所述退化卷段560的所述重建的数据以及所述非退化卷段570的原始数据。
参考图6，示出了包括具有额外全局热备用磁盘620的n磁盘RAID系统610的大容量系统600的示例性表示，其中先前故障磁盘已经被替换磁盘630代替。先前被重建至全局热备用磁盘620上的退化卷650的卷段640从全局热备用磁盘620复制回所述替换RAID磁盘630的对应卷段660。
参考图6，具体示出了使用全局热备用磁盘来重建并复制回RAID系统中的断开磁盘的方法的流程图。一旦检测到RAID磁盘的断开600，则后备全局热备用驱动器可以被结合以解决损失的RAID磁盘。如果能够发送I/O请求的外部装置，例如CPU，向具有位于断开磁盘上的卷段的卷发布I/O请求610，则所述请求到达的卷转换为退化状态620。这样的转换启动位于断开磁盘630上的退化卷的卷段的重建。在重建之后，所述系统确定所述断开磁盘是否已被重新连接640。如果在重建之后所述断开RAID磁盘没有重新连接，则对于所述退化卷，所述全局热备用磁盘继续代替所述断开磁盘运行。如果另外的卷在所述断开RAID磁盘重新连接以前应当变成退化，则该过程可以重复650。当所述断开RAID磁盘重新连接时，任何退化卷的重建的段被复制回所述重新连接的RAID磁盘660。
通过上面的描述，确信应该理解本发明及其优点。也确信在不背离本发明的范围和精神或不牺牲其所有实质优点的情况下，可以对部件的形式、结构和布置进行各种改变。在此描述的形式仅是其解释性实施例。所附的权利要求旨在包括和包含这些改变。

Claims (21)

1、一种数据存储系统，所述系统包括：
一外部装置，其需要大容量存储器；
一n磁盘廉价磁盘冗余阵列(RAID)；
一全局热备用磁盘；以及
互连，其连接所述外部装置、所述RAID、以及所述全局热备用磁盘，
其中每个所述n磁盘能够被单独断开，
其中所述n磁盘RAID的物理存储空间被分成m个逻辑卷，
其中，包括有每个所述m个逻辑卷的数据被分段分配在所述n个磁盘上。
2、根据权利要求1所述的数据存储系统，其中，所述n个磁盘之一被断开。
3、根据权利要求2所述的数据存储系统，其中，来自所述外部装置的一输入或输出(I/O)请求存取或更改所述n磁盘RAID的一个或多个逻辑卷。
4、根据权利要求3所述的数据存储系统，其中，位于所述断开磁盘上的所述存取或更改的逻辑卷的段被重建至所述全局热备用磁盘。
5、根据权利要求4所述的数据存储系统，其中，当所述断开磁盘保持断开时，对于所述重建的逻辑卷段，所述全局热备用磁盘作为所述n磁盘RAID中的一组成磁盘运行。
6、根据权利要求4所述的数据存储系统，其中，所述重建逻辑卷段在所述断开磁盘被重新连接时被复制回所述断开磁盘。
7、根据权利要求4所述的数据存储系统，其中，通过使用来自所述n磁盘RAID中剩余的n-1个连接的磁盘的存在的数据块和奇偶校验块，发生所述重建。
8、一种用于重建在n磁盘廉价磁盘冗余阵列(RAID)中的断开磁盘的内容的方法，所述方法包括：
检测到一n磁盘RAID的n个磁盘中的一个磁盘的断开；
接收一个或多个来自一外部装置的输入信号；
将一个或多个逻辑卷从一优化状态转换至一退化状态；
重建所述断开磁盘的退化状态的卷段；
重新连接所述断开磁盘；
将所述重建的退化状态卷段复制回所述重新连接的磁盘。
9、根据权利要求8所述的方法，其中，所述输入信号是一存取或更改位于一个或多个逻辑卷中的数据的请求。
10、根据权利要求9所述的方法，其中，当一逻辑卷的内容被存取或更改时，发生所述逻辑卷从一优化状态至一退化状态的转换。
11、根据权利要求8所述的方法，其中，所述重建的退化状态卷段的目的地是所述全局热备用。
12、根据权利要求11所述的方法，其中，当所述断开磁盘保持断开时，对于所述重建的退化状态逻辑卷段，所述全局热备用磁盘作为所述n磁盘RAID中的一组成磁盘运行。
13、根据权利要求11所述的方法，其中，所述重建的退化状态逻辑卷段被复制到所述重新连接的磁盘。
14、根据权利要求8所述的方法，其中，通过使用来自所述n磁盘RAID中剩余的n-1个连接磁盘的存在的数据块和奇偶校验块，发生所述重建。
15、一种计算机可读介质，在其上存储有由处理器执行以实现一方法的计算机可读指令，所述方法包括：
检测到一n磁盘RAID的n个磁盘中的一个磁盘的断开；
接收来自一外部装置的输入信号；
将一个或多个逻辑卷从一优化状态转换为一退化状态；
在全局热备用磁盘上重建所述断开磁盘的退化状态的卷段；
重新连接所述断开磁盘；
将重建在所述全局热备用磁盘上的所述卷段复制回所述n磁盘RAID中的所述重新连接的磁盘。
16、根据权利要求15所述的计算机可读介质，其中，所述输入信号是一存取或更改位于一个或多个逻辑卷中的数据的请求。
17、根据权利要求16所述的计算机可读介质，其中，当一逻辑卷的内容被存取或更改时，发生所述逻辑卷从一优化状态至一退化状态的转换。
18、根据权利要求15所述的计算机可读介质，其中，所述重建的退化状态卷段的目的地是所述全局热备用。
19、根据权利要求18所述的计算机可读介质，其中，对于所述重建的退化状态逻辑卷段，当所述断开磁盘保持断开时，所述全局热备用磁盘作为所述n磁盘RAID中的一组成磁盘运行。
20、根据权利要求18所述的计算机可读介质，其中，所述重建的退化状态逻辑卷段从所述全局热备用磁盘被复制到所述重新连接的磁盘。
21、根据权利要求15所述的计算机可读介质，其中，通过使用来自所述n磁盘RAID中剩余的n-1个连接磁盘的存在的数据块和奇偶校验块，发生所述重建。
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