高可靠易扩展的固态盘阵列关键技术研究

Under the support of the youth project, we make some important achievements as follows. We discover and prove the characteristics of reordering window during scaling a round-robin RAID; propose an efficient scaling approach for round-robin RAID-5 called ALV; break the restriction of round-robin data distribution to make sure an even data distribution among different disks with minimal data migration; propose an efficient scaling approach for RAID-0 called FastScale; propose an efficient scaling approach for RAID-5 called MiPiL. The academic achievements include one patent and five papers. Among these papers, one appears in a top-level conference in the storage area (FAST’11), another appears in a top-level journal (IEEE Transactions on Computers). Two of them are indexed by SCI and four of them are indexed by EI. With these research experiences, the applicant understands deeply disk arrays and is familiar to the characteristics of flash media. On this basis, the applicant proposes to research key technologies in reliable and scalable solid-state disk arrays. The research contents include: eliminating the negative impact of maintaining parity on the solid-state disk lifespan, optimizing data layouts in solid-state disk arrays, reconstructing solid-state disk arrays quickly, and scaling solid-state disk arrays quickly. The ultimate goal is to implement high-performance, reliable and scalable solid-state disk arrays.

青年项目取得一些重要进展，首次发现并证明了循环RAID扩展过程中存在可重排序窗口特性，提出了循环RAID-5快速扩展方法ALV；打破数据循环分布的约束，在保证数据各盘均匀分布的同时最小化了数据迁移量，提出了RAID-0快速扩展方法FastScale；提出了RAID-5快速扩展方法MiPiL。主要学术成绩包括：申请发明专利1项，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’11上，1篇发表在系统领域国际顶尖期刊IEEE TC上，SCI检索2篇，EI检索4篇。这些研究使得申请者对磁盘阵列深入理解，对Flash介质特征相当熟悉。在此基础上，申请者提出高可靠易扩展的固态盘阵列关键技术研究，研究内容包括：校验更新对固态盘寿命损耗的消除技术；固态盘阵列数据优化布局技术；固态盘阵列快速在线重构技术；固态盘阵列快速在线扩展技术。最终目标是实现高性能、高可靠、易扩展的固态盘阵列。

单个固态盘不能完全满足新时期的高端存储需求，通过固态盘阵列技术来提供更大存储容量、更高I/O 性能和更高数据可靠性已势在必行。传统的磁盘阵列技术没有考虑到闪存的读写性能不对称和使用寿命有限等问题，不能很好地保证高性能和可靠性。我们开展了高可靠易扩展的固态盘阵列关键技术研究，取得的主要研究进展和重要成果如下：.（1）提出了一种高效可靠的固态盘阵列构建方法RAID-CP，消除了校验更新对固态盘寿命的损耗。它将数据存储在固态盘以获得快速的数据读写速度，将校验信息存储在硬盘上以提高固态盘阵列的使用寿命。进一步，设计了灵活的体系结构和数据组织算法以及快速的失效恢复机制。实验结果表明，RAID-CP比纯SSD阵列成本低、寿命高，与纯SSD组成的RAID性能非常接近，比具有相同硬件配置的HPDA，性能提高4倍左右。.（2）提出了可快速恢复的融合存储阵列技术RAID++，实现全系统范围内的负载均衡和失效后的快速恢复。RAID++存储系统具备以下优势：快速重构；自动负载均衡；系统性能提升；系统可快速重构，实现自愈合。.（3）提出了容忍单盘失效的固态盘阵列高效扩展技术。最小化数据迁移，同时维持校验数据和普通数据的双重均匀分布。消除了数据迁移过程中的校验数据重新计算，从而节省了一定数目的数据块读取操作。实验表明：与现有方法相比，能够降低重分布时间74.07–77.57%，而用户I/O的最大响应时间降低25.78–70.50%。.（4）提出了容忍双盘失效的固态盘阵列高效扩展技术。在保证数据的均匀分布的前提下，实现了最小化的数据迁移；在数据迁移的同时更新校验，降低了保持一致校验的开销；选取最优的参数，以降低更新校验过程中带来的磁盘I/O和运算。实验证明，相比于传统方法，RS6降低了60.0%~88.9%的数据块迁移数，降低了40.27%~69.88%的扩展时间。.（5）主要学术成绩包括：发表学术论文17 篇，其中11 篇发表在系统领域国际权威期刊和会议（ACM TOS、IEEE TC、IEEE TPDS、IPDPS、ICPP）上，SCI 检索11 篇，EI检索13 篇。获得发明专利授权1 项，申请发明专利1 项，申请国际PCT发明专利1 项。