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1、分类号分类号 学号学号 2004612100113 学校代码学校代码104 87 密级密级 硕士学位论文硕士学位论文 光纤磁盘阵列控制器光纤磁盘阵列控制器 RAID 核心算法的研究与实现核心算法的研究与实现 学位申请人学位申请人 聂洪杰聂洪杰 学 科 专 业学 科 专 业 ： 计算机系统结构计算机系统结构 指 导 教 师指 导 教 师 ： 谢长生谢长生 教授教授 答 辩 日 期答 辩 日 期 ： 2007.1.31 A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of
2、Engineering The Research and Implementation of RAID Kernel Arithmetic in Fiber RAID Controller Candidate : Nie Hongjie Major : Computer Architecture Supervisor: Prof. Xie Changsheng Huazhong University of Science /标识结构体的类型 struct _STRIPE_T * pstStripe; /该请求的 Stripe 信息 BOOLX bIsRead:1; /标识请求的读写特性 BOO
3、LX bFailed:1; /标识请求的完成结果 PVOID pCmStripe; /挂接跟该请求 Stripe 有关的 CM 中的结构 体 PVOID pRkStripe; /挂接跟该请求Stripe有关的SI中的结构体 CM_RK_STRIPE_T, * PCM_RK_STRIPE_T; struct _RK_SI_RINFO_T 是 RK 模块向 SI 模块发送的请求的数据结构，同时也是 SI 模块向 RK 模块回送的响应的数据结构，其定义如下： typedef struct _RK_SI_RINFO_T STRUCT_TYPE_E enStructType; /标识结构体的类型 PDI
4、SK_T pstDisk; /磁盘数据请求所在的磁盘的信息 U32X uOffsetLba; /磁盘数据请求在磁盘上的偏移 U32X uLenLba; /磁盘数据请求在磁盘上的长度 PCHARX * ppcBuf; /磁盘数据请求的数据 U8X u8PieceNum; /磁盘数据请求有多少个 Piece BOOLX bIsRead : 1; /磁盘数据请求的读写类型 BOOLX bFailed : 1; /磁盘数据请求的完成结果 BOOLX bIsHigh : 1; /磁盘数据请求的优先级 PVOID pRkRinfo; /指向一个 struct _RK_RINFO_T 类型的 /结构体，包含
5、具体的请求和响应信息 PVOID pSiRinfo; /指向与该请求相关的 SI 中的数据结构体 RK_SI_RINFO_T, * PRK_SI_RINFO_T; 结构体 struct _RK_RINFO_T 的定义如下： 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 19 typedef struct _RK_RINFO_T PRK_SI_RINFO_T pstRkSiRinfo; /回指到 struct _RK_SI_RINFO_T struct _RK_STRIPE_T * pstRkStripe; /该请求对应 Stripe 在 RK 中的数据结构 U8X u
6、8Id; /标识 SU 的标识号 PCHARX a_pcTempBufMAX_BUF_PIECE_NUM; /临时数据缓冲区 PSU_T pstSu; /相关 SU 的信息 U8X u8Action; /请求的操作类型，如正常读、降级读 RK_RINFO_T, *PRK_RINFO_T; 3.3 RAID 核心算法的动态分析核心算法的动态分析 RAID 核心算法的软件流程可以分为两个主要部分：请求处理和响应处理。下面 分别对这两部分进行动态分析。 3.3.1 请求处理动态分析请求处理动态分析 当 CM 模块收到上层模块的读写请求后，如果数据此时不在 Cache 中，那么 CM 模块就会组织一个
7、 struct _CM_RK_STRIPE_T 的结构体，并通过 RK 模块向 CM 模块 提供的接口将该结构体插入到 RK_MsgQueue 的末尾。RK_MainThread 会循环遍历到 这个请求，并通过判断消息头部的类型字段 enStructType 来将消息分流，因此上述流 程会进入到 RK_HandleReq 子模块，该模块的入口函数为 RK_HandleCmRkStripe，该 函数根据参数中的 RAID 级别信息，调用相应的 RAID 级别请求处理函数，形如 RAIDx_HandleReq，它们根据当前 SLICE 的运行状态及读写类型来将 Stripe 请求作相 应拆分，生成
8、新的类型为 struct _RK_SI_RINFO_T 的读写请求结构体，然后调用 SI 模 块提供的接口函数 SI_SendReqFromRk 将读写请求下发，整个请求处理流程如图 3.3 所示： 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 20 RK_HandleCmRkStripe 控 RAID 控 控 控 控 CM控 控 RAID5_HandleReq 控 SLICE 控 控 控 控 RAID5_HandleReqOk RAID5_HandleReqDegrad ed RAID5_HandleReqErr 控 控 控 控 控 RAID5_HandleReqO
9、kRea d RAID5_HandleReqOkWrite SI控 控SI控 控 JBOD控 控 控 控控 控 控 控 控 控 控 控 SI控 控SI控 控 图 3.3 RAID 核心算法请求处理流程 3.3.2 响应处理动态分析响应处理动态分析 SI 模块完成请求后再调用 RK 模块提供的接口函数 RK_SendRspFromSI 将响应信 息 插 入 到 RK_MsgQueue 的 末 尾 ， RK_MainThread 对 此 消 息 分 流 后 会 进 入 RK_HandleRsp 子模块，其入口函数为 RK_HandleRkSiRinfo，该函数根据参数中的 RAID 级别信息调用相
10、应的响应处理函数，形如 RAIDx_HandleRsp，按照响应信息中 所标记的读写操作类型进行分流，然后根据返回响应消息中的状态来确定请求实际完 成的情况来明确目前所出的处理阶段， 最后调用各自级别内部的函数继续向 SI 模块发 送读写请求，或直接调用 CM_SendReqFromRk 接口向 CM 模块发送请求完成的响应 来结束 CM 模块发起的本次请求。整个响应处理流程如图 3.4 所示： 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 21 RK_HandleRkSiRinfo 控 RAID 控 控 控 控 SI控 控 RAID5_HandleRsp SI控 控
11、 控 控 CM控 控 控 控 控 控 控 控 RAID5_HandleRs pReadOk 控 控 控 控 控 RAID5_HandleRspReadRAID5_HandleRspWrite 控 控 控 控 控 控 RAID5_HandleRs pWriteOkWriteFull SI控 控 控 控 CM控 控 JBOD控 控 控 控 控 控 控 控 控 控 控 控 控 控 控 控 控 控 控控 控 控 控 控 控 控 SI控 CM控 控 图 3.4 RAID 核心算法响应处理流程 3.4 本章小结本章小结 本章通过比较 MD 以及 RAIDFRAME 这两种不同的设计思路的优劣，明确了将 R
12、AIDFRAME 作为 RAID 核心算法的设计参考，然后介绍了组成 RAID 核心算法的各 个子模块的功能，同时还对模块的核心数据结构进行了介绍。 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 22 4 RAID 核心算法的设计与实现核心算法的设计与实现 在 RAID 核心算法中已经实现的 RAID 级别有 JBOD、RAID0、RAID1、RAID10、 RAID3、RAID5 以及 RAID6，考虑到算法之间的重复性，下面只介绍 JBOD、RAID0、 RAID1、RAID5、RAID6 这几种典型算法的具体实现。 4.1 JBOD 算法的实现算法的实现 JBO
13、D 将多块硬盘当作一块硬盘来进行操作，是当一块磁盘的空间用尽时，数据 就会被自动写入到下一块磁盘中。由于没有任何冗余信息， 因而 JBOD 的实现比后 面将要介绍的几种要简单的多。 但是 JBOD 的实现也有两点需要注意：首先，对于任何一个 Stripe 不可能同时存 储在两个磁盘上，这是在 GC 模块保证的，每次建立 JBOD 时，GC 模块就自动将该 JBOD 级别包括的各个磁盘的大小减小了 2MB （对用户透明） ， 由于 Su 最大为 128KB， 所以就保证了在建立包括 2MB/128KB=16 个磁盘的 JBOD 时 Stripe 也不会跨盘，而系 统目前硬件结构上最多也只能插 1
14、6 个磁盘， 所以任何请求的 Stripe 都只可能分布在一 个磁盘上；其次，在 JBOD 中，逻辑上相邻的 Su 在物理上也是相邻的，所以只要计 算出 Stripe 的起始偏移就可以计算出 Stripe 中每个 Su 的偏移，这个工作在函数 JBOD_CommonCompute 中完成，此函数在进行请求分流前调用，所以在任何分支处 理中，各个 Su 对应的磁盘序号以及其在磁盘上的偏移都是已经计算好了的。下面是 JBOD 算法的具体实现： 1 正常读 此情形的入口函数为 JBOD_HandleReqOkRead，在该函数中会对满足下列条件的 Su 发送请求：该 Su 上有请求（即 pstSu-
15、bAccessMe 为 TRUE） ；该 Su 中的数据目前 没有全部存放在 Cache 中。在发送请求前，会先通过 RK_PrepareSuReadBuf 来为该 Su 申请一个临时的缓冲区 TempBuf， SI 模块读出来的数据就放在 TempBuf 中。 响应消息 会在 JBOD_HandleRspReadOk 中处理，当发给 SI 模块的所有请求的响应都正确返回 后，会调用 RK_UpdateStripeBuf 来将 TempBuf 中的数据（磁盘上的老数据）同步到 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 23 pstSu-a_pcBuf（CACHE
16、中的新数据）中，同步完成后会调用 CM 模块注册的接口 l_stFuncToRk.pfnSendRspFromRk 将该次请求的响应回送到 CM 模块的消息队列中， 该 响应会在 CM 模块的线程中进行处理。 2 正常写 若请求 Stripe 上的所有数据 Su 中的数据全部存放在 Cache 中， 那么称该次写操作 为 满 写 ， 所 以 正 常 写 可 以 分 为 正 常 满 写 和 正 常 非 满 写 。 满 写 会 调 用 JBOD_HandleReqOkWriteFull，它调用 JBOD_WriteSu 对需要更新的 Su 发写请求，其 响应在 JBOD_HandleRspWriteOkWrite 中，该函数只有
