CN1391716A - 廉价磁盘冗余阵列中的慢响应 - Google Patents

Abstract

一种冗余阵列，包括：多个磁盘；连接到磁盘的总线；接收装置；以及用于重建存储在其中一个磁盘中的数据块的装置。该装置利用来自其它磁盘的相关的奇偶校验数据块重建数据块。该装置响应于一个磁盘处于慢响应的状态(106)，将重建的数据块传输到接收装置(110)。一种方法，包括：请求第一磁盘传输第一数据块(104)；如果有必要的话，根据存在RAID配置中的其它磁盘上的相关数据重建第一数据块；以及将重建的数据块直接传输到接收装置。响应于第一磁盘在预定时间内没有传输完数据块的状态而进行上述传输步骤。

Description

廉价磁盘冗余阵列中的慢响应

发明背景

本发明一般涉及数据的传输和存储，具体地说，涉及廉价磁盘冗余阵列中响应时间的管理。

数字录像及电视系统需要高带宽数据传输和低等待时间。廉价磁盘冗余阵列(RAID)支持高带宽数据传输和非常低的等待时间。RAID配置利用冗余和/或奇偶校验数据块来屏蔽磁盘的缺陷。

RAID配置将接收到的数据流分成一个由多个数据块组成的序列并将序列中的连续的数据块写入阵列中不同的磁盘。为了检索数据，RAID配置从阵列的多个磁盘读取数据块，并且根据读出的数据块重建原始数据流。为了增加接收和传输速度，RAID配置可以并行地向阵列中的多个磁盘写入和从阵列中的多个磁盘读取。

RAID配置的单个磁盘偶尔会由于磁盘表面的缺陷和坏的数据块(revectoring)而停止或对于一个访问请求响应较慢。在慢响应时，整个RAID配置可以在一个磁盘传送所请求的数据的时候等待。因此，对于从RAID配置读取数据的操作来说，一个磁盘的慢响应可能会导致一个较长的等待时间。

对于数字视频有线系统来说，因为数据需要以基本恒定的速率到达视频接收器以保持接收器的输入缓冲器充满，所以，一个慢响应的磁盘会导致故障。连续的长时间的传输等待能够用尽输入缓冲器中的数据。接收器的输入缓冲器一般仅能够存储大约1至2秒的视频数据，即，几兆字节的数据。如果慢速RAID配置导致长于大约1至2秒的传输间隔，接收器的输入缓冲器会完全清空。如果接收器的输入缓冲器清空，观众在观看时回觉察到图象显著的停顿。无缺陷视频传输要求不出现这类停顿。

因为RAID配置利用廉价磁盘提供低等待时间和高带宽的数据存储，所以这种配置在经济上非常诱人。但是，流行的廉价磁盘经常具有坏区，它们有时会导致坏块(revectoring)并且使磁盘的响应变慢。坏区能够使得正常需要大约10毫秒(ms)的读取操作需要1,000ms或更长的时间。因此，慢响应能够引起不可预见的读取等待。因为传输等待可能导致在视频接收中的上述问题，所以这些等待使得RAID配置不适用于视频发送器。

本发明旨在克服或至少减少上述问题的一个或多个效果。发明综述

本发明的一个目的在于减少由RAID配置的慢响应磁盘引起的传输间隔的数量。

本发明的另一个目的在于提供一种具有可预见的读取等待时间的RAID配置。

根据第一方面，本发明提供了一种RAID配置。所述RAID配置包括：多个磁盘；连接到磁盘的总线，用于传输数据块；以及重建存储在任何一个磁盘内的数据块的装置。上述装置利用从其它磁盘接收的相关数据块和奇偶校验数据块重建数据块。该装置响应于一个慢速磁盘响应状态，将重建的数据块传输到一个接收装置。

根据第二方面，本发明提供了一种从RAID配置传输数据的方法。该方法包括：请求RAID配置的第一磁盘发送第一数据块；根据存储在RAID配置的其它磁盘内的相关数据块重建第一数据块；以及将重建的第一数据块直接传输到接收装置。如果第一磁盘没有在预定时间内完成第一数据块的传输，进行传输步骤。

根据第三方面，本发明提供了一种RAID配置，其在跨越多个磁盘的数据条内存储奇偶校验数据块和数据块。RAID配置包括：多个磁盘和连接到磁盘的处理器。该处理器适用于向磁盘中写入多组相关的数据块和奇偶校验数据块。该处理器将各组数据块和奇偶校验数据块写到不同的磁盘上，并且将来制不同组的至少两个数据块写入一个数据条中。

根据第四方面，本发明提供了一种RAID配置，用于将数据块传输到接收装置。该RAID配置包括：多个磁盘；处理器，用于控制从磁盘上读取和向磁盘上写入；以及重建数据块的装置。磁盘存储数据块并将存储的数据块传输到接收装置。处理器判断磁盘是否为慢响应状态。如果处理器判断其中一个磁盘处于慢响应状态，该装置根据存储在其它磁盘中的相关数据块来重组存储在慢响应磁盘中的数据块。

附图的简要说明

通过下面结合附图的描述，可以使本发明的其它目的、特征和优点更加清楚，其中：

图1示出了具有可预见的读取等待时间的廉价磁盘冗余阵列(RAID)配置的一个实施例；

图2A示出了一个发送到图1中的RAID配置用于在其中存储的数据流的分段；

图2B是一个说明图1中的RAID配置如何存储图2A中的数据分段的示意图；

图3示出了在图1中的RAID配置中使用的数据块重建器；

图4是显示从图1的RAID配置传输数据的方法的流程图；

图5示出了利用图1的RAID配置的视频传输和接收系统；

图6显示了利用三个图1中所示的RAID配置两级RAID配置。

优选实施例的描述

1995年10月24日提交的美国专利申请No.08/547,565公开了几种类型的RAID配置，通过整体引用结合于此。

图1显示了一个具有三个存储磁盘12、13、14的RAID配置10。该RAID配置10具有总线16，用于三个磁盘12-14的读写数据。通常，实施例可以具有N个磁盘。处理器20控制磁盘12-14的读和写。读和写是用于数据块和奇偶校验数据块。处理器20包括重建器22用于重建慢响应磁盘的数据块。处理器20通过接口或线路17，例如，总线或电缆，将数据块传输到接收装置19。

在一些实施例中，对于每个磁盘12-14，总线16具有独立的数据总线和控制总线(未示出)。然后，读和写可以并行访问所有磁盘12-14或磁盘12-14的一个子集。在其它实施例中，一组数据总线和控制总线连接到RAID配置的各个磁盘12-14。然后，处理器20通过共用数据线向各个磁盘12-14串行写入数据或从各个磁盘12-14串行读取数据。在这种情况下，总线16可以使单SCSI总线或其它类型的共用或专用互连线。

如果磁盘在预定时间内没有完成所请求的读取，那么磁盘处于慢响应状态，但是还发送信号，例如，发送到处理器20，表示读取正在进行。预定时间比正常完成所请求的读取的时间长。慢响应磁盘可以以可读形式存储所请求的数据，并且可以最终完成所请求的读取，例如，磁盘在响应并且没有停顿。

图2A示出了要存储在图1的RAID配置10中的数据流的分段40。在所示实施例中，处理器20将分段40分成一个有序的数据块序列，D(0)、D(1)......D(11)，并产生一个与数据块D(i)、D(i+1)的连续对42、44相关的奇偶校验数据块P(i，i+1)(i＝0，2，4......)。奇偶校验数据块P(i，i+1)为每一对数据块D(i)、D(i+1)的相关对42、44的等价位编码至少一个奇偶位。如图1所示，处理器20可以将数据块D(i)、D(i+1)的每个相关对42、44和奇偶校验数据块P(i，i+1)并行或串行写入三个磁盘12-14。

下面，数据条指的是在RAID配置10的各个磁盘12-14中存储单元的对应定位的集合。每个数据条包括来各个磁盘12-14的同一编号的存储单元。

不过，磁盘阵列可以允许几种数据条的定义。例如，具有磁盘A和磁盘B的阵列可以将磁盘A和磁盘B的存储单元101至200分配给第一数据条，将磁盘A和磁盘B的存储单元201至300分配给第二数据条。在同一个阵列中，另一个定义可以将磁盘A的存储单元101至200和磁盘B的存储单元201至300分配给第一数据条，将磁盘A的存储单元201至300和磁盘B的存储单元101至200分配给第二数据条。

图2B大略地示出了处理器20如何在磁盘12-14中写入数据块和奇偶校验数据块。三个磁盘12-14的存储单元被排列在数据条S1-S6中。各个数据条S1-S6存储一组三个相关的数据块，上述三个数据块包括连续的一对数据块D(1)、D(i+1)和根据上述对构成的奇偶校验数据块P(i，i+1)。每个磁盘12-14的一部分在特定的数据条S1-S6中存储数据块D(1)、D(i+1)和相关的奇偶校验数据块P(i，i+1)中的一个。处理器20通过循环地移动在各个连续的数据条中的奇偶校验数据块P(i，i+1)的存储单元，将与连续的数据块对相关的奇偶校验数据块P(i，i+1)写入不同的磁盘12-14中。这被称为跨越磁盘12-14轮换奇偶校验数据块P(i，i+1)。轮换奇偶校验数据块的存储单元将在磁盘12-14中的数据块D(j)更加均匀地分配从而在数据读取期间，将访问负担更加均匀地分配到不同的磁盘12-14。

如图1和2B所示的配置通常被成为RAID-5配置。

图3示出了一个图1的重建器22的实施例60，其包括存储器62和硬件处理器64。存储器62和处理器64都连接到总线16。存储器62通过总线16从磁盘12-14接收数据块和/或奇偶校验数据块。存储器62存储相关的数据块和奇偶校验数据块用于重建慢响应磁盘12-14的相关数据块。

处理器64进行相关奇偶校验数据块和数据块的异或(XOR)运算以重建停顿的磁盘12-14的数据块。为了进行异或运算，处理器64从存储器62读取相关的数据块。然后，处理器64以逐位方式对读取的相关的奇偶校验数据块和数据块进行异或运算。最后，处理器64将异或运算的结果写回到存储器62中。重建器60能够为任意一个磁盘12-14产生一个重建数据块。

图4是一个流程图，示出了从图1和图2B所示的RAID配置10传输数据的一种方法。在步骤102，处理器20选择传输数据条S1相关的数据块。在步骤104，处理器20请求磁盘13-14传输选定数据条S1的数据块。在步骤106，处理器20判断磁盘13-14中是否有磁盘处于慢响应状态。在步骤107，如果没有磁盘处于慢响应状态，那么处理器20传输所请求的数据块。在步骤108，重建器22根据(来自磁盘12)的相关数据块和奇偶校验数据块重建慢响应磁盘13-14的数据块。重建器22从其它没有处于慢响应状态的磁盘12-14的同一数据条的存储单元接收相关数据块和奇偶校验数据块。在步骤110，重建器22将重建的数据块传输到数据接收器19。在步骤112，处理器20响应于在步骤106或110中数据条S1的数据块的传输的完成，选择相关数据块的下一个数据条以传输。

参见图1和图2B，RAID配置10使用计时器34判断磁盘12-13是否有磁盘处于慢响应状态。处理器20在每个从数据条S1-S6中的一个数据条传输数据块的周期的开始将计时器34复位。计时器34计算预定时间并在预定时间后向处理器发送信号。响应于来自计时器34的信号，处理器20判断是否每个磁盘12-14都完成了存储在其上的数据的传输，例如，是磁盘12-14中是否有磁盘处于慢响应状态。

尽管磁盘12-14继续向处理器20发送“信号交换”信号以表示正常操作，处理器20也可以判断磁盘12-14中有一个磁盘处于慢响应状态。

参见图1-3，处理器20控制重建并传输重建的数据块。首先，如果检测到慢响应磁盘12-14，处理器20命令其余的磁盘12-14将相关的数据块传输到重建器22，例如，到存储器62。在图2B中，相关数据块和奇偶校验数据块被存储在与来自慢响应磁盘12-14的未传输的数据块相同的数据条S1-S6中。因此，处理器20命令读取相关的数据条S1-S6以获得相关的数据块。接下来，处理器20向重建器22发送信号以从慢响应磁盘重建数据块，例如通过发送到图3中的处理器64的信号。然后，处理器20读取来自重建器22的重建数据，例如，存储器62，并且将重建的数据块传输到接口或线路17。

参见图1-3，处理器20不中断慢响应的磁盘12-14，通过向磁盘12-14发送另一个传输数据的请求来恢复。在正常响应磁盘12-14中，处理器不命令重建器22根据相关数据重建丢失的数据。

图5示出了视频传输系统114，其使用图1中的RAID配置10。在输入端116，接收器115接收从接口或线路17传输来的数据块。RAID配置10和接收器116之间的传输可以通过无线电波、光波和/或电缆传输。输入端116连接到输入数据缓冲器117，例如，先进先出缓冲器。输入数据缓冲器117存储两倍或几倍包括在一个图2中所示的数据块的数据量。在发生短时间的传输中断时，存储在输入数据缓冲器117中的数据提供连续的视频数据处理。

参见图1和图5，视频传输系统114通过响应于检测到慢速磁盘12-14而传输重建的数据块能够降低视觉停顿的出现次数。在系统114的一个实施例中，RAID配置10需要大约100ms来传输或重建数据块，并且接收器的输入数据缓冲器117存储大约2000ms的视频数据。计时器34从大约400ms的预定周期递减计时，判断磁盘12-14中是否有一个磁盘处于慢响应状态。对于上述预定周期的选择，即使几个连续的慢速磁盘响应也不会用尽接收器的输入数据缓冲器117，从而不会在观众观看到的视频图像中产生一个显著的停顿。

各种实施例可以使用与图1中的RAID配置10不同数量的磁盘。一些实施例使用更多的磁盘以增加访问带宽和/或降低读取等待时间。另一方面，RAID-1配置仅使用两个磁盘来存储复制的数据块。在RAID-1配置中，处理器控制存储的数据块的传输。处理器响应于第一磁盘没有在预定时间内完成数据块的传输的状态，命令第二磁盘传输复制的数据块。

在各种实施例中，读取操作持续的比预定时间长使得根据来自其它磁盘的相关数据重建数据并传输重建的数据。这对于在此描述的RAID配置来说，增加了读取等待时间的可预见性。

RAID配置的一些实施例以与图2B所示不同的模式存储相关的数据块和奇偶校验数据块。这些RAID配置仍然响应于检测到慢响应磁盘的状态而传输重建的数据。为了能够重建慢响应磁盘的数据，每个磁盘存储最多一个数据块，该数据块来自由相关数据块和奇偶校验数据块组成的任意组。

图6示出了具有第一级和第二级RAID-5结构的RAID配置140。在第一级，第一级处理器141接收连续的由数据块对组成的组，并生成与每对数据块相关的奇偶校验数据块。第一级处理器141从各个相关的三个数据块的组将一个数据块发送到各个第二级RAID配置10，10′，10″的接口142，142′，142″。各个第二级RAID配置20，20′，20″随后将各个数据块分成两个子块并生成与上述两个子块相关的奇偶校验子块。各个第二级RAID配置10，10′，10″如图2A和2B所示存储子块。第一级处理器141从第二级RAID配置10，10′，10″中检索数据块，并将检索到的数据块通过接口或线路147传输到接收装置149。

仍然参见图6，两级RAID配置通过在第一级重建并传输重建的数据块来处理慢响应的存储结构。如果任何第二级RAID配置10，10′，10″在慢响应状态，那么第一级重建器144重建数据块并将其传输到接收装置149。如果计时器143在所有的第二级RAID配置完成被请求的数据块的传输之前计时预定时间，慢响应被通过第一级处理器141发送。计时器143响应于处理器141向第二级RAID配置10，10′，10″发送一个新的读取请求，开始对预定时间进行计时。因此，二级RAID配置140在第一级处理第二级RAID配置10，10′，10″中的慢响应。即使第二级RAID配置10，10′，10″没有计时器，例如图1中的计时器34，第一级处理器141、计时器143和重建器144也能够处理由于慢速磁盘响应引起的等待。这些第一级装置使得RAID配置140的读取等待具有可预见性。

在一些实施例中，处理器141被编程为模拟图8的第一级RAID-5结构，即，模拟计时器134和重建器144。处理器141也被编程为可以控制处理器20，20′，20″。

本领域的技术人员可以对上述实施例进行在所附权利要求的范围内的添加、删除和其它修改。

Claims (16)

1.一种廉价磁盘冗余阵列，包括：

多个磁盘；

连接到磁盘的总线，用于从所述磁盘将数据块传输到接收装置；以及

重建器，用于响应于其中一个磁盘处于慢响应的状态的判断，利用来自其它磁盘的相关的数据块和奇偶校验数据块来重建一个磁盘内的数据块，并将重建的数据块传输到接收装置。

2.根据权利要求1所述的冗余阵列，其中慢响应磁盘在预定时间内没有完成所请求的数据的传输。

3.根据权利要求2所述的冗余阵列，还包括：

处理器，用于响应于一个磁盘处于慢响应的状态，向重建器发送一个信号；并且

其中重建器用于响应于接收到的信号，将重建的数据块传输到接收装置。

4.根据权利要求3所述的冗余阵列，其中处理器响应于一个磁盘处于慢响应的状态，用于请求其它磁盘向重建器发送相关的数据块和奇偶校验数据块。

5.根据权利要求3所述的冗余阵列，其中处理器连接到多个磁盘，并且用于控制向所述磁盘写入相关的数据块和奇偶校验数据块。

6.一种从廉价磁盘冗余阵列传输数据的方法，包括：

请求RAID配置的第一磁盘将存储在其上的第一数据块传输到接收装置；

根据存储在RAID配置的其它磁盘上的相关数据重建第一数据块；以及

将重建的第一数据块直接传输到接收装置；并且

其中响应于提供第一数据块中的数据，但是在预定时间内没有完成第一数据块的传输的状态，进行上述的重建和传输步骤。

7.根据权利要求6所述的方法，其中相关的数据至少包括一个数据块和奇偶校验数据块。

8.根据权利要求6所述的方法，其中响应于第一磁盘处于慢响应的状态的判断，进行上述的重建和传输步骤。

9.根据权利要求6所述的方法，还包括：

在请求后的预定时间提供时间信号；并且

其中响应于在第一磁盘完成第一数据块的传输前时间信号的出现，进行传输。

10.根据权利要求7所述的方法，其中重建包括：对与第一数据块相关的数据块和奇偶校验数据块的对应位进行逐位的异或运算。

11.一种廉价磁盘冗余阵列配置，用于将数据块传输到接收装置，包括：

多个磁盘，用于存储数据块并将存储的数据块传输到接收装置；

处理器，用于控制从多个磁盘读取或向多个磁盘写入，并且判断多个磁盘中是否有一个磁盘处于慢响应状态；以及

重建装置，用于响应于处理器的有一个磁盘处于慢响应状态的判断，根据存储在其它磁盘中的相关的数据块重建存储在慢响应的磁盘中的数据块。

12.根据权利要求11所述的RAID配置，其中处理器配置成：如果有一个磁盘没有在预定时间内完成所请求的数据的传输，那么判断该磁盘处于慢响应状态。

13.根据权利要求12所述的RAID配置，还包括：

计时器，连接到处理器，用于响应于处理器发送到磁盘的请求传输数据块的请求，计时预定时间。

14.一种两级廉价磁盘冗余阵列，包括：

第一级处理器；以及

多个第二级廉价磁盘冗余阵列，第一级处理器用于向第二级阵列写入第一级数据块和从第二级阵列读取第一级数据块；并且

每个第二级阵列包括：

多个磁盘，用于存储第二级数据块，并检索存储的数据块；以及

第一级装置，响应于第二级阵列的慢响应状态，用于根据相关的第一级数据块重建特定的第一级数据块，并将重建的第一级数据块传输到接收装置。

15.根据权利要求14所述的RAID配置，其中如果第二级阵列中的一个磁盘在预定时间内没有完成所请求的第一级数据块的传输，第一级处理器用于发送信号通知第一级处理器第二级阵列中的一个磁盘处于慢响应状态。

16.根据权利要求14所述的RAID配置，每个第二阵列还包括：

第二级处理器，用于请求读取或写入相关的第二级阵列的磁盘中。

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