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1、华中科技大学硕士学位论文Linux下磁盘阵列的实现及其高可用性的研究姓名：饶国林申请学位级别：硕士专业：计算机系统结构指导教师：刘景宁20060509华中科技大学硕士学位论文摘要*磁盘阵列控制软件的体系结构对磁盘阵列的可扩展性及实现的难度有着重要的影响。Linux 下的 SCSI 中间层能够屏蔽各种目标驱动器的类型差异，并且能够把实现的磁盘阵列在文件系统层映射成一个块设备文件，因而设计了基于 SCSI 中间层的磁盘阵列控制软件体系结构，使系统有良好的可扩展性和较小的编码难度，设计时可把精力完全集中在磁盘阵列算法的设计及功能的实现上。在设计阵列控制软件时，采用层次化的设计思想，构建了基于 Lin
2、ux 操作系统的磁盘阵列抽象层，使用该层来实现阵列的算法和功能。该抽象层相当于一个虚拟的逻辑块设备驱动，从上层的文件系统上看，它是一个普通的块设备，而从存储设备的驱动层看，它又是一个普通块请求的应用。研究了磁盘阵列的高可用性特征，提出了 Linux 下阵列的在线数据重建策略。在线重建策略保证了系统的服务质量，并使当前服务与丢失数据的修复两不误。在分析磁盘阵列在降级模式下读、写操作的特点的基础上，设计了在线数据重建的过程；通过对正常 I/O 和重建 I/O 的返回的不同处理，实现了两种 I/O 的交替执行；通过对在线数据重建过程中故障盘的写请求的响应方式的分析，解决了在线数据重建过程中的数据一致
3、性问题。对设计的磁盘阵列控制系统进行了一系列条件下的性能和可用性测试，并对测试结果进行了分析。测试结果表明，这种设计达到了预期的效果。关键词：磁盘阵列；SCSI 中间层；磁盘阵列抽象层；高可用性；在线数据重建本文的研究工作受国家自然科学基金(60303032)资助I华中科技大学硕士学位论文Abstract*The architecture of RAID controlling software has a great impact on the RAIDsscalability and programming difficulty. The SCSI middle level for Lin
4、ux can shield thetype difference of various target drivers, and map the RAID to a block device file in thevirtual file system layer, so we design the architecture of RAID controlling softwarebased on the SCSI middle level for Linux. With the SCSI middle level, the RAIDsscalability and less programmi
5、ng difficulty can be easily achieved. By using thearchitecture, the programmer can focus his attention on the designing of RAID algorithmand the implementation of RAID functions.The whole system is designed based on the hierarchy and modularization principle.As to the designing of the RAID controlli
6、ng software, the RAID abstract layer is adopted,which implements the RAIDs algorithm and functions. The abstract level can be seen asa virtual logical block device driver, it is a block device to its upper level, and theappliance of a block device request to the real device driver layer.The online d
7、ata rebuild strategy based on the Linux OS is presented based on theresearch of the characteristic of the RAIDs high-availability. With the strategy, theservice quality can be ensured. By the analysis of the rebuilding I/O operation, design theprocedure of the online data rebuild, implement the alte
8、rnate operation of the normal andrebuilding I/O. The question of consistency of the online data rebuild has been solved bythe analysis of the response mode of the bad disks write request.Finally, through the performance and availability testing experiments based onvarious conditions, it has been pro
9、ved that the system whic h we have designed can satisfythe expected requirement.Keywords: Redundant Arrays of Independent Disks; the SCSI Middle Level for Linux;the RAID Abstract Layer; High-Availability; Online Data RebuildThe research is supported by National Natural Science Foundation (60303032)I
10、I独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。近我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不包含任何其他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：饶国林日期：2006 年 5 月 9 日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
11、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。本论文属于不保密（请在以上方框内打“”）学位论文作者签名：饶国林日期：2006 年 5 月 9 日指导教师签名：刘景宁日期：2006 年 5 月 9 日华中科技大学硕士学位论文1绪论1.1 课题研究的背景近年来以计算机和网络为基础的信息产业获得了空前的发展，许多新的应用，如视频服务、科学计算、数据中心等的出现，导致数据的存储技术产生了革命性的变化，主要表现为：第一，数据存储容量需求的急剧增长，达到 TB 级。第二，数据可用性的要求更高，今天，Internet 使网络数据必须保证每时每刻处于就绪状态。第三，数据存储的结构发生了
12、巨大的变化，在 Internet 和全球化电子商务的时代，数据应该是面向全世界的，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。传统的存储体系结构的数据存储与交换以服务器为中心，即我们常说的直接连接存储（Direct Attached Storage，DAS）或者服务器附加存储（Server Attached Storage，SAS）1。它是指将存储设备通过 SCSI（Small Computer System Interface）接口或光纤通道直接连接到一台计算机上，包括存储器件（例如硬盘驱动器阵列、光盘驱动器、磁带驱动器或可移动的存储介质）和集成在一起的简易服务器。DAS
13、虽然可用于实现涉及文件存取及管理的所有功能，但它具有如下的一些弱点：分散式数据存储模式，网络管理员需要耗费大量的时间到不同的服务器下分别管理各自的数据；不能提供跨平台文件共享功能，各系统平台下文件需分别存储；异地备份过程复杂；依靠双服务器和相关软件实现双机容错功能，但两服务器同时发生故障，用户就不能进行数据存储。随着技术发展，进入九十年代以后，人们逐渐意识到 IT（Information Technology）系统的数据集中和共享成为一个亟待解决的问题。存储领域不断增长的巨大需求与相对落后的存储技术发展现状形成了鲜明的对比。由于上述一系列因素的影响,计算机存储技术沿着两条主线在不断发展:一是存
14、储系统；二是存储设备。从 20 世纪 80 年代末提出来的磁盘阵列到现在广泛应用的网络存储,存储系统的1华中科技大学硕士学位论文发展可以用日新月异来形容。存储系统在数据的安全性和传输性能上、系统可用性、可扩展性和易用性等方面得到了极大的提高。磁盘阵列1-13向着接口协议多样化、网络化的方向发展，相应地产生了支持多种接口协议变换的磁盘阵列、网络磁盘阵列等新产品。而网络存储领域更是成为存储系统发展的主流。目前应用较广的主要有附网存储系统（Network Atached Storage ，NAS) 22-23和存储区域网（Storage AreaNetwork，SAN）24-27。另外基于 iSCSI28-30（Internet SCSI）的存储系统和 P2P（Peerto Peer）对等存储系统31也逐渐引起存储市场的关
