网络存储中的RAID高效扩展技术研究

网络存储技术使得存储设备成为可灵活分配的独立资源，所以更能适应新时期的存储需求。RAID技术给网络存储系统在容量、性能、可用性等方面带来了显著提高。数据的持续增长对RAID存储提出了越来越高的扩展性需求。向RAID卷中增加磁盘可以同时满足容量和性能两方面的扩展性需求。然而，由于对RAID扩展执行过程的特性挖掘不足，已有RAID扩展方法成本很高，要么明显降低应用性能，要么导致扩展速度过低。本项目提出网络存储中的RAID高效扩展技术研究，将紧密结合RAID扩展的目标本质，深度挖掘RAID扩展执行过程的特征，主要研究：面向RAID扩展的数据迁移量削减技术，可以在不降低RAID扩展效果的同时实现数据迁移量最小化；结合扩展过程特征的数据迁移优化技术，在满足数据一致性约束的同时提高数据迁移效率；自适应的迁移速率控制技术，动态最大化迁移速率而不明显影响应用性能。最终目标是大幅提升网络存储系统的可扩展性。

本项目顺利完成了研究计划中全部内容，显著提高了存储阵列扩展操作的执行速度。主要学术进展包括：.① 首次发现并证明了RAID-5扩展过程中的可重排序窗口特性，据此提出了一种结合阵列扩展过程特征的数据迁移优化方法ALV。首先，通过单一I/O读写多个连续数据块。第二，通过元数据懒惰更新，最小化了元数据写操作次数。第三，用一个ON/OFF逻辑阀，根据应用负载来调整数据重分布的速度。.② 提出了一种存储阵列RAID-0 高效扩展方法FastScale。通过打破必须保持数据循环分布这一约束，在维持数据均匀分布的同时，最小化了数据迁移量。采用两种技术优化了数据迁移：1）通过一个大I/O访问物理上连续的多个数据块；2）元数据懒惰更新最小化元数据写操作个数，又不损失数据一致性。.③ 提出了一种存储阵列RAID-4 高效扩展方法MicPod。在维持数据均匀分布的前提下，最小化了数据迁移量。使用四种技术来优化数据迁移：1）它将对物理上连续的数据块的多个访问聚合成单一I/O；2）捎带的校验更新减少了额外的异或计算和磁盘I/O次数；3）校验更新外包消除了扩展过程中校验盘读写瓶颈；4）元数据懒惰更新最小化了元数据写操作次数。.④ 提出了一种存储阵列RAID-5 高效扩展方法MiPiL。维持校验数据和普通数据双重均匀分布的同时，最小化了数据迁移量。MiPiL使用两种技术优化数据迁移。校验捎带更新降低了维持一致的校验数据所需的异或计算和数据读写次数。元数据懒惰更新最小化了元数据写操作次数。.此外，在Linux内核中研制了一个支持扩展功能的RAID原型系统，设计并实现了一个高精度的块级别存储系统性能测试工具，为上述研究工作提供了成熟的实验验证平台。.主要学术成绩包括：发表学术论文5 篇，其中1篇发表在存储领域最好的国际会议FAST 2011 上，1 篇发表在系统领域国际顶尖期刊IEEE Transactions on Computers上，SCI 检索2 篇，EI 检索3 篇。完成并投稿论文4篇，其中3篇投往ACM/IEEE Transactions期刊。获得发明专利授权1 项，申请发明专利1 项。这些学术成果为下一步的固态盘阵列研究奠定了基础。