[发明专利]在基于闪存的存储系统中构建RAID的方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种在基于闪存的存储系统中构建RAID的方法，以及应用该方法的系统。

背景技术

基于闪存(NAND Flash)的数据存储技术在过去十几年发展迅速，在很多应用中逐渐取代了传统的磁记录硬盘(hard disk drive,HDD)。主要原因有：

速度快：基于闪存的数据存储不象传统HDD依靠磁头机械寻址，从而在数据读写速度上有本质性的提高，满足了应用对数据存储吞吐速度的日趋严格的需求。

价格下降：随着半导体技术的进步，闪存的容量也随着摩尔定律每不到两年增加一倍，单位容量价格也随着下降。目前MLC的闪存每GB的价格已从5年前的$10USD/GB降至现在的低于$1USD/GB。

控制器技术进步：闪存需要匹配的控制器(controller)才能与主机(host)通信实现数据存储读写。控制器技术的成熟促进了基于闪存的固态存储技术在越来越多的领域找到相应的应用，包括在高端的数据中心及移动智能电话中的应用。

闪存控制器是固态硬盘(SSD)系统中最核心的部分，它的性能及功能直接决定了该SSD的性能和功能，也是消费类SSD与企业级SSD最本质的区别。由于数据保护的要求，冗余校验码(RAID)的计算和写入是企业级应用所必备的。

由于闪存的价格较高，镜像等RAID方法(即RAID-1)在通常应用环境下不可接受。通常在SSD中使用的方法是RAID5，即n个数据块产生1个校验块(n>>2)。如果数据为D0,D1,…,Dn的话，奇偶校验码即为D0,D1,…,Dn的异或P＝D0^D1^...^Dn。本发明将以RAID 5的数据结构为例子。需要指出的是该方法与系统也可以应用于其它RAID的结构，如RAID 6。

闪存的一大特性是其不可重写性：保存在闪存中的一页(page)数据必需要经过其页面所在的整个块(block)擦除之后才可以写入新的数据。这对闪存转换层(FTL)带来了挑战，但对RAID带来了机遇，RAID的附加写放大不再存在。在SSD中实现动态RAID的方法在中国专利申请201210256754.4“基于非易失性存储器的动态独立冗余阵列存储系统及方法”中有详尽描述。

SSD下的RAID5数据结构如图1所示，数据块D0,D1,D2,D3组成一个RAID数据带,D0,D1,D2,D3异或后产生奇偶校验码D4。在通常情况下，D0,D1,D2,D3和D4分别存储在不同的闪存单元，既LUN(logic Unit Number)中，以确保在任何一个闪存LUN失效的情况下数据能通过异或操作进行恢复。

当前，市场上的SSD主要分为两种，一种是通常不带RAID5功能的消费类的SSD；另一种是包含RAID5功能的企业级SSD，但其在读写混合下性能不尽如人意。

为了达到高性能，需要使用完全为闪存控制量身定做的大规模并行多核多线程控制器，对每一块闪存芯片(LUN)做独立并行操作。RAID5计算和写入要考虑如下因素：从主机传来的数据是乱序的，后发的指令可能先执行；从主机传来的数据是交织的，一个数据块没有传完，另一个数据块已开始传送，并部分先期到达；奇偶校验码的写入是异步的：充任校验设备的闪存需要写入的时候校验码未必准备好，校验码准备好时控制此闪存的读写处理单元未必准备就绪；不同应用下对RAID5的宽度(既组成一个RAID数据带的数据块的数量，或者闪存LUN的数量)不同；一个读写处理单元可能控制多个闪存芯片，带来更多死锁的可能，从而加大了调度的难度。

本发明所要解决的技术问题包括：如何降低RAID5计算所造成的性能代价，以达到如SSD的存储系统的高性能要求；如何减少RAID5的逻辑面积，以适应如SSD的存储系统的控制单元的小型化。

技术方案