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CN101523353B - 在存在全局热备用磁盘的情况下用于故障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故障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。根据本发明的系统可以包括：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创建和复制回故障RAID磁盘的方法。该方法包括：检测到RAID组成磁盘的故障；将该故障组成磁盘上包含的部分数据重建至全局热备用磁盘；替换该故障RAID组成磁盘；将该故障RAID磁盘上的任何还没有被重建至全局热备用磁盘上的数据重建至替换磁盘；以及将任何重建的数据从全局热备用磁盘复制回替换的RAID组成磁盘。

Description

在存在全局热备用磁盘的情况下用于故障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系统故障后优化RAID系统中的成分驱动器的内容的重建。
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数据传输的最小单位。扇区是磁盘驱动器的物理区并包括字节的集合。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。卷组包括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，这是两个磁盘同时故障的原因。如果在阵列中的给定磁盘故障，则包括在剩余磁盘上的用于给定分条的数据和奇偶校验块可以被结合来重建损失数据。
用于处理RAID系统中的单一磁盘的故障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配置中的故障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系统中的单一磁盘(或者在RAID 6系统中最多两个磁盘)故障，全局热备用磁盘为故障磁盘而结合，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有故障磁盘的卷。一旦数据被重建，则全局热备用磁盘可以作为RAID系统的组成磁盘，直到故障RAID磁盘的替换品被插入RAID。当故障主磁盘被替换时，可能发生将重建数据从全局热备用复制回替换磁盘。
通常，当非RAID 0系统中的组成磁盘故障并且该组成磁盘的替换品在完成对来自故障磁盘的所有卷的重建之前插入RAID，则全局热备用磁盘为故障磁盘而保持结合，并且重建的来自故障磁盘的所有卷被指向全局热备用磁盘。因为这种方法在替换磁盘被插入时还没有开始重建过程，所以其不需要重建并将卷复制回。
因此，期望提供一种系统和方法，用于使用全局热备用磁盘重建和复制回RAID中的故障磁盘，其中，仅在插入替换磁盘之前已经开始重建的故障磁盘的卷段被重建至全局热备用，以及在替换故障磁盘时还没有开始重建的卷被直接重建至替换磁盘。
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故障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故障RAID磁盘的方法。该方法包括：检测到RAID组成磁盘的故障；将该故障组成磁盘上包含的部分数据重建至一全局热备用磁盘；替换该故障RAID组成磁盘；将该故障RAID磁盘上的任何还没有被重建至所述全局热备用磁盘上的数据重建至所述替换磁盘；以及将任何重建的数据从所述全局热备用磁盘复制回所述替换的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故障。
图3是已经向卷组中的至少一个卷发布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故障磁盘的退化状态卷的卷段重建至全局热备用磁盘上的示例性表示。
图5是利用来自仍连接在RAID中的剩余的n-1个可运行磁盘的数据和奇偶校验信息来重建故障磁盘的退化状态卷段的示例性表示。
图6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7是示出了使用全局热备用磁盘重建并复制回RAID系统中的故障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故障，则全局热备用磁盘将为损失的驱动器而结合。磁盘故障后，当处理单元向RAID中的一个或多个卷发出I/O请求时，具有位于该磁盘上的独立卷“段”的所述卷转为“退化”状态。当一个或多个卷变为退化时，系统启动将故障磁盘上的退化卷段重建至全局热备用磁盘，以维持数据的一致性。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，对于退化的卷来说，全局热备用磁盘替换故障磁盘作为RAID中的组成驱动器来操作。一旦替换故障磁盘的磁盘被插回RAID，则先前已经被重建在全局热备用磁盘上的退化卷段被复制回替换磁盘。
然而，存在这样的可能，在重建多个退化卷段至全局热备用磁盘期间，可能插入了替换故障磁盘的替换磁盘。如果发生这种情况，系统开始将还没有重建至全局热备用磁盘的故障磁盘的这些退化卷段直接重建至所述替换磁盘。
该方法总体上缩短了重建/复制回处理所需的时间(并因此缩短了整个系统故障时间)。重建的一部分可以直接在替换磁盘上执行，从而避免了将数据从全局热备用复制回替换磁盘所需的时间。
该方法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故障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。
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故障。
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故障。由CPU 360向一个或多个卷350发出I/O请求340。当请求发生时，独立卷350从优化状态转换为退化状态。该转换启动将位于故障磁盘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故障。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。使用来自可运行磁盘的退化卷460的剩余者的存在的数据块和奇偶校验块来将位于故障磁盘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。
参考图5，示出了包括具有额外全局热备用磁盘520的n磁盘RAID系统510的大容量系统500的示例性表示，其中先前故障磁盘已经被替换磁盘530代替。使用来自可运行磁盘的退化卷560的剩余者的存在的数据块和奇偶校验块550来将对应于包含在故障磁盘上的退化状态卷段的卷段540重建至所述替换磁盘上。
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7，具体示出了使用全局热备用磁盘来重建并复制回RAID系统中的故障磁盘的方法的流程图。一旦检测到RAID磁盘的故障700，则后备全局热备用驱动器可以被结合以解决损坏的RAID磁盘。如果能够发送I/O请求的外部装置，例如CPU，向具有位于故障磁盘上的卷段的卷发布I/O请求710，则具有故障磁盘上的卷段的所有卷转换为退化状态720。这样的转换触发故障磁盘的卷段的重建。重建数据的目的地取决于替换磁盘是否已经代替故障磁盘被插入。如果不存在替换磁盘，则第i个退化卷段被重建至全局热备用740。如果发生使得所有退化卷都被重建至全局热备用磁盘并且故障RAID磁盘还没有被替换的重建，则对于退化卷，全局热备用磁盘继续代替故障磁盘运行，直到故障磁盘被替换。然而，如果替换磁盘在重建处理期间的任何点被插入730，则剩余退化卷段被重建至替换磁盘750而不是重建至全局热备用磁盘740。重建处理继续760直到m个卷的每个卷都重建770至全局热备用磁盘或替换磁盘。在重建所有退化卷段并替换故障磁盘之后，被重建至全局热备用磁盘的这些卷段被复制回替换磁盘780。
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 (7)

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，所述n磁盘RAID的物理存储空间被分成m个逻辑卷，
其中，包括有所述m个逻辑卷中的每个逻辑卷的数据被分配成跨越所述n个磁盘的多个独立段，
其中所述n个磁盘中的每个磁盘在故障时可被替换，
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，及
其中，位于故障磁盘上的所述存取或更改的逻辑卷的段被重建，
如果用于所述故障磁盘的一替换磁盘还没有被插入所述RAID，则所述重建的目的地是所述全局热备用磁盘，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直到所述故障磁盘被替换，
如果一替换磁盘已经被插入所述RAID，则在替换故障磁盘时还没有开始重建的卷被直接重建至所述替换磁盘，且在重建所有卷段之后，被重建至全局热备用磁盘的卷段被复制回所述替换磁盘。
2.根据权利要求1所述的数据存储系统，其中，所述n个磁盘之一出现故障。
3.根据权利要求1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个可运行磁盘的存在的数据块和奇偶校验块，发生所述重建。
4.一种用于重建在n磁盘廉价磁盘冗余阵列RAID中的故障磁盘的内容的方法，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故障；
接收一个或多个来自一外部装置的输入信号，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；
转换所有卷至一退化状态，其中，当一个或多个所述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；
重建所述故障磁盘的退化状态的卷段至一全局热备用磁盘或用于所述故障磁盘的一替换磁盘；
替换所述n磁盘RAID中的所述故障磁盘；
将重建在所述全局热备用磁盘上的所述卷段复制回所述替换磁盘；
其中，如果所述故障磁盘还没有被替换，则所述重建的退化状态卷段的目的地是所述全局热备用，对于所述重建的退化状态逻辑卷段，如果所述故障磁盘还没有被替换，则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，所述重建的退化状态逻辑卷段被复制到重新连接的磁盘，
其中，如果所述故障磁盘已经被替换，则在替换故障磁盘时还没有开始重建的卷被直接重建至所述替换磁盘，且在重建所有卷段之后，被重建至全局热备用磁盘的卷段被复制回所述替换磁盘。
5.根据权利要求4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个可运行磁盘的存在的数据块和奇偶校验块，发生所述重建。
6.一种用于重建在n磁盘廉价磁盘冗余阵列RAID中的故障磁盘的内容的系统，该系统包括：
一装置，其检测到一n磁盘RAID的n个磁盘中的一个故障磁盘的断开；
一装置，其接收来自一外部装置的输入信号，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；
一装置，其将一个或多个逻辑卷从一优化状态转换为一退化状态，其中，当一个或多个所述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；
一装置，其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；
一装置，其重新连接所述断开磁盘；
一装置，其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，其中，如果所述故障磁盘还没有被替换，则所述重建的退化状态卷段的目的地是所述全局热备用，对于所述重建的退化状态逻辑卷段，如果所述故障磁盘还没有被替换，则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，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，其中，如果所述故障磁盘已经被替换，则在替换故障磁盘时还没有开始重建的卷被直接重建至所述替换磁盘，且在重建所有卷段之后，被重建至全局热备用磁盘的卷段被复制回所述替换磁盘。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，通过使用来自所述n磁盘RAID中剩余的n-1个可运行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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