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1、华中科技大学 硕士学位论文 光纤通道磁盘阵列及其自适应延迟策略的研究与实现 姓名：倪勋 申请学位级别：硕士 专业：计算机系统结构 指导教师：王芳 20060509 I 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 摘摘 要要 随着信息技术的飞速发展，存储系统在整个计算机系统中的地位日益突出，而存 储“瓶颈”问题却日益严峻。为了缓解这种状况，在设计实现磁盘阵列时，外部通道 采用具有高性能、连接距离长、扩展性强等优点的光纤通道技术，内部设备通道采 用高速的 SCSI 总线技术，有效地消除了系统瓶颈，提高了存储系统的 I/O 性能。 存储系统软件平台的设计合理与否对系统性能有很大的影响。在设计系统
2、软件 时，采用层次化的设计思想，将整个系统分为三层，层与层之间的耦合度小，使系 统具有更好的可移植性。与此同时，将命令执行模块和命令返回模块分布在不同层 次，使命令的执行和返回能异步进行，这样不仅充分利用了系统硬件资源，使其并 行工作，而且阵列可以并发处理多个请求，显著提高系统整体性能。 RAID5 级别是磁盘阵列中应用得最为广泛的级别之一。RAID5 中最耗时的操作 是执行写命令时的小条纹写情况。为了减少 RAID5 中小条纹写操作，提出了自适应 延迟策略。该策略通过将命令延迟执行，在延迟时间段内对这些命令进行合并与排 序，以降低小条纹写操作所占的比重，从而提高阵列性能。采用自适应延迟策略，
3、 不仅能有效的对命令进行合并， 也能充分的利用缓存快速返回结果， 从而减少实际 I/O 操作次数，进一步提高性能。通过测试系统最大数据传输率，与未采用自适应延迟 策略的系统相比，阵列系统的读速率提高了 15MB/s，写速率提高了 5MB/s。 关键词：磁盘阵列; 光纤通道; 自适应延迟调度 本文的研究工作受国家自然科学基金(60303032)资助 II 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 Abstract With the development of information technology, storage subsystem is becoming more and mo
4、re outstanding in the whole computer system, but the problem of storage bottleneck is becoming acute. In order to overcome this status and improve the I/O performance of RAID, the outer channel use Fiber Channel which has the advantage of high performance, long distance connection and high expansibi
5、lity,the device channel use the high speed SCSI adaptors to improve the disk I/O performance when implement high performance RAID. This method overcome the storage bottleneck effectively. The choice of software platform of RAID has a great impact on the systems performance. In building up software p
6、latform, it is important to divide the system into several layers based on the hierarchy principle to make the controller software transplantable. In order to improve the disk I/O performance, we sperate the execute command module and end command module into two layer to finish asynchronously. There
7、by, this policy makes full use of the resource of the system, expands the parallel degree. This policy also makes the RAID system can process more than one command at the same time and improve the system performance effectively. In all RAID levels , RAID5 is one of the most common used level. In thi
8、s level , the slowest stage is small block write. In order to minize the rate of small block write, we use the Auto-delay Strategy, its a strategy that can improve performance through delay commands. In the delay period, some actions are doing such as merging and sorting to lower the rate of small b
9、lock write. Its effective to combine commands and return data directly from cache to decreases the number of disk I/O. Proved by experiments, the read performance of throughput has increased 15MB/s, and the write performance of throughput has increased 5MB/s. Keywords: Redundant Array of Independent
10、 Disks; Fiber Channel; Auto-delay Strategy The research is supported by National Natural Science Foundation (60303032) 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本 人承担。 学位论文作者签名：倪勋 日期： 2006 年 5 月
11、9 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 保密 ，在_年解密后适用本授权书。 不保密 。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 倪勋 指导教师签名：王芳 日期：2006 年 5 月 9 日 日期：2006 年 5 月 9 日 本论文属于 1 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1
12、绪绪 论论 1.1 课题背景课题背景 近年来，随着信息化的高速发展和空前普及，使网络上的数据量成爆炸性增长， 人们对数据存储、数据处理和数据传输的要求也越来越高。由于 CPU 速度的持续提 高，致使 I/O 速度和 CPU 速度间的落差越来越大，高性能的计算机正在面临着越来 越严重的失衡。而随着工业技术的发展，处理器的性能和网络速度不断提高，使得 服务器的性能瓶颈越来越集中在存储系统上。与此同时，随着 Internet 和电子商务， 在线点播，无线 Web 等的发展，用户对数据可用性和存储的结构的要求也变得更高， Internet 使网络数据必须保证任何时候都处于就绪状态，存储系统的数据应该是
13、面向 Internet 的，数据的存取只应该受到安全机制的管理而不应该受到地域空间的约束。 由于上述一系列因素的影响，计算机存储技术主要沿着两条不同的道路在发展：一 是存储设备；二是存储系统。 从存储设备的角度来看，当前人们使用的主要还是光盘、磁盘和磁带等这些设备， 这些设备都需要机械部件的支持。存储设备的性能参数主要有存储容量和存取速度 两种，存储容量可以通过提高介质的存储密度来增大，例如采用更先进的磁头和更 完善的生产工艺；而存取速度是由包括马达转速等机械运动来决定的。当前的单盘 存储速度越来越接近机械速度的极限，提升空间不大。故存取速度的发展远没有存 储容量来得快。为了更好地满足人们日常
14、生活工作的需要，研究人员在存储设备的 外部接口和系统整合上做了很多努力，使得存取速度能保持一定的发展速度，例如 磁盘的接口速度就从 ESDI（Enhanced Small Drive Interface）接口的 10Mb/s 发展到 Ultra320 SCSI（Small Computer System Interface）接口的 320MB/s，当前 320MB/s 的 SCSI 接口芯片已经得到应用。 从存储系统的角度来看，磁盘阵列简称 RAID(Redundant Array Of Independent Disks) 1-2，是把多个磁盘按照一定的组合方法组成的一个大容量的逻辑磁盘，从
15、而 得到如下的好处：其一，相对于高速发展的 CPU 处理速度和内存存取速度，磁盘控 制器由于内部机械特性的限制，存取速度较为缓慢，而磁盘阵列采用数据分块和交 2 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 叉存取技术，使得阵列中的各个磁盘控制器高度并行工作，可以显著地提高访问速 度3-5。其二，磁盘阵列可以采用多种冗余技术来保证数据的安全可靠6，在出现系统 故障的情况下，能够快速地恢复损坏的数据，从而为不间断提供信息服务创造了可 能；其三，用户不需要因空间大小的限制而更换存储设备，磁盘阵列可以方便地实 现在线增加容量和更换损坏的磁盘；其四，RAID 结构并不是一成不变的，RAID 结 构实
16、际上经历了一个从单级 RAID 到多级 RAID 的演化过程7-9，以适应不同的应用 需求。随着接口技术的发展和用户对数据安全性、访问速度的不同要求，磁盘阵列 也需要适应这种变化。因此，利用新的接口技术来组合新的磁盘阵列和新的磁盘结 构就显得尤为重要。 现在已有的存储接口标准有 FC10-11 (Fibre Channel)、 SCSI-3(Small Computer System Interface)12-13 、SATA(Serial Advanced Technology Attachment)14、 USB（Universal Serial Bus）15、P139416-17 、SSA18-19 (Serial Storage Architecture) 、 iSCSI20-21（Internet SCSI）。光纤通道技术作为一种高速通道技术，具有连接距离长、 传输速率高和扩展能力强的优势，很适宜于作为磁盘阵列系统与外部通道的接
