[发明专利]数据存储与重建的方法与系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种数据存储与重建(rebuilding)的方法与系统。

背景技术

独立磁盘冗余阵列(Redundant Array of Independent Disks，RAID)是一种结合硬件与软件来强化容错(fault tolerance)能力与性能(performance)的技术。当某磁盘工作失败(disk failure)时，例如发生故障或损毁，常用来存储与保护数据。此技术把多块相对便宜的磁盘组合起来，成为一个软磁盘阵列组，使性能达到甚至超过一个价格昂贵的容量巨大的磁盘。此技术能够在横跨每一磁盘时，节省数据与相对应的同位(parity)。保护条带(protection stripe)包括来自不同磁盘的一系列的页(page)，页是每一磁盘的数据存储单位。条带大小(stripe size)定义为一磁盘阵列(disk array)中磁盘的个数(number of disk drives)。此技术通常利用轮询(round-robin)方式来确保每一条带已平均分散至每一磁盘。

将同位块(parity block)加入于一组来源位(source bits)中可确保输出结果(outcome)的设定位(set bits)的个数为偶数或是奇数，而设定位的个数也就是值为1的位的个数。一错误纠正码(Error Correction Code，ECC或称parity)模块可使用至少一错误纠正或错误检测码，例如Reed-Solomon(RS)码、循环冗余检验(Cyclic Redundancy Check，CRC)码等。

在RAID的结构中，当某一磁盘出现故障时，每一条带上的数据，可使用硬件来检查分散于各磁盘上的ECC/同位，其它磁盘可以通过这些分散的ECC/同位的校验，将故障的磁盘所存储的数据重新恢复出来。RAID5是RAID的一系列技术的其中一种。RAID5使用至少三块磁盘配置。图1是RAID5的配置的一范例示意图。如图1的范例所示，RAID5将所有ECC，分别以条带式地存储在每一磁盘上，并且每一磁盘在不同页存储不同数据，每一磁盘也各存储一对应的ECC。每一条带包括来自N-1个不同磁盘的不同数据，以及其余一个磁盘的ECC，N是条带大小，也就是一条带中磁盘的个数，本例中，N等于4。当某一磁盘出现故障时，其它磁盘可以通过ECC的校验，将故障的磁盘所存储的数据重新恢复出来。在RAID5中，由于所有的ECC要使用一磁盘的容量作为校验使用，所以实际可以使用的磁盘容量为N-1。

在一条带上，将数据分散在阵列的每一磁盘上时，若此条带具有最大的被允许的(allowed)数据存储容量时，此类型的条带被定义为全条带(fullstripe)。也就是说，全条带是使用最大的被允许的磁盘个数所构成的一条带。所以，全条带的写入效能(write performance)高，亦即速度很快。另一种类型的条带是部份填入式条带(partially filled stripe)，此部份填入式条带的数据存储容量小于条带大小。部份填入式条带在随机存取频繁时，其写入效能低，如图2的范例所示。当收到一输入/输出命令(I/O command)时，从一磁盘中读出数据1及该磁盘存储的ECC至一存储器，例如一随机存取存储器(RAM)，然后图2中的部份填入式条带需要重新记算新的ECC后，再将数据1写回至该磁盘的同一地址。当RAM的空间不够且随机存取频繁时，会增加写入的工作负荷(write workload)，而降低写入效能低。

有一种在RAID系统中存储器备份(memory backup)的技术如图3所示。此技术提供一易失性(volatile)存储器324与一非易失性(non-volatile)存储器358给一RAID系统。此RAID系统利用一RAID控制器312来检测出主要电源供应(main power supply)失败(failure)。当RAID控制器312检测出主要电源供应(main power supply)失败时，暂时电源供应354则供应暂时电源(temporary power)给易失性(volatile)存储器324，让RAID控制器312将数据从易失性存储器324传送到非易失性存储器358。也就是说，此技术在RAID系统中提供易失性存储器及额外的电源供应来进行数据备份。

在上述数据保护的技术中，当处理部份填入式条带的数据时，会遇到的挑战是，如何确保能妥善保存条带的数据以及得以成功重建条带的数据，并且如何确保数据与ECC/同位均等分配至每一磁盘。因此，如何在条带的架构下设计一种数据存储与重建的技术，将会是重要的课题之一。

发明内容