DE19720721C2 - Speichersystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Speichersystem, wie beispielsweise ein RAID-System (Redundant Arrays of Inexpensive Disks - Redundante Felder aus kostengünstigen Platten).

Die Leistungseigenschaften eines Computers hängen von seiner zentralen Verarbei­ tungseinheit (CPU) und seinem Eingabe/Ausgabe-Untersystem ab. In neuerer Zeit wurde die Betriebsgeschwindigkeit der CPU durch die Weiterentwicklung der VLSI- Technologie deutlich erhöht, allerdings wurde die Performance (Leistungsfähigkeit) des Eingabe/Ausgabe- Untersystems nur langsam verbessert. Hierdurch wird die Zeit, die zur Ein- bzw. Ausga­ be von Daten in das bzw. aus dem Speichersystem erforderlich ist, erhöht. Weiterhin wird ein Eingabe/Ausgabe-Untersystem benötigt, das eine exzellente Performance und Zuverlässigkeit besitzt, da der Aufwand, der für die Datenrückgewinnung notwendig wird, erhöht wird. Ein RAID-Untersystem stellt hierfür eine Lösung dar.

Die RAID-Technologie ist bereits kommerziell verfügbar. Theoretische Studien und Untersuchungen in bezug auf den RAID-Algorithmus und Experimente, die Simulationen verwenden, werden aktiv an einigen Universitäten durchgeführt. Andererseits sind in Firmen Bemühungen zur Verbesserung der Eingabe-/Ausgabefunktion und der Zuver­ lässigkeit durch Messungen verschiedener Leistungseigenschaften vorgenommen worden. Ein Feld aus Platten, ein Array, ist verwendet worden, um die Ein­ gangs/Ausgangsfunktion der Festplatte eines Supercomputers, etwa eines Cray- Rechners, zu verbessern. Die Theorie eines RAID-Systems wurde durch drei Compu­ terwissenschaftler an der Berkeley-Universität der Vereinigten Staaten im Jahre 1988 aufgestellt.

Die RAID-Theorie kann auf eine Vorrichtung mit sequentiellem Zugriff, wie beispielsweise ein Kassettenband der Eingabe/Ausgabegeräte, angewendet werden. Allerdings stellen Festplattenvorrichtungen das Hauptgebiet für die Anwendung der RAID-Theorie dar. Der Zweck des RAID-Systems liegt im Verteilen und Speichern von Daten über jedes bzw. auf jedem Plattenlaufwerk oder im Verbessern der Funktion der Einga­ be/Ausgabevorrichtung und im Erweitern deren Kapazität durch Spiegelung einer Platte mit Striping-Wiederholungsdaten und in einer Datenrückgewinnung, die Paritäten ver­ wendet. Hierzu wird das RAID-System in Strukturen von sechs Typen entsprechend der Charakteristik und Umgebung jedes Computersystems unterteilt, so wie dies nachfol­ gend beschrieben wird.

RAID-Struktur vom Typ 0: Daten werden über alle Laufwerke auf dem Plattenfeld verteilt und gespeichert, wobei das Interesse auf die Funktion und nicht auf die Datenzuverläs­ sigkeit gerichtet ist.

RAID-Struktur vom Typ 1: Die Spiegelung, ein herkömmliches Verfahren zum Verbes­ sern der Plattenfunktion, ist mit hohen Kosten verbunden, da alle Inhalte der Platte auf einer Reproduktionsplatte ohne Änderungen gespeichert werden müssen. Dementspre­ chend können in einem System, wie etwa einem Datenbanksystem, das einen Platten­ raum mit einer großen Kapazität erfordert, nur 50% des Plattenraums verwendet wer­ den. Allerdings ist die Spiegelung die beste Art und Weise, um die Datenzuverlässigkeit zu sichern, da die identischen Daten auf der Reproduktionsplatte gespeichert werden.

RAID-Struktur vom Typ 2: Diese dient zur Verringerung des Aufwandes für die Datenzu­ verlässigkeit. Die RAID-2-Struktur verteilt und speichert Daten in jedem Plattenfeld auf der Bitebene und besitzt neben der Datenplatte verschiedene Testplatten, die einen Hamming-Code verwenden, um Fehler zu erkennen und zu korrigieren.

RAID-Struktur vom Typ 3: Daten werden parallel auf bzw. von dem Laufwerk ein- und ausgegeben, wenn eine Eingabe bzw. Ausgabe einmal angefordert wird, wobei Paritäts­ daten auf einem separaten Laufwerk gespeichert werden. Weiterhin werden Laufwerk­ spindeln synchronisiert, um so eine simultane Datenein- und -ausgabe für alle Laufwerke zu ermöglichen. Demzufolge kann eine schnelle Datenübertragung auch dann ausge­ führt werden, wenn eine parallele Ein- und Ausgabe nicht schnell erfolgt. Wenn ein Laufwerk einen Fehler besitzt, können die fehlerhaften Daten unter Verwendung des momentan betriebenen Laufwerks und des Paritätslaufwerks zurückgewonnen werden, obwohl die gesamte Datenrate sogar verringert wird. Die RAID-3-Struktur wird in einer Anwendung verwendet, die eine sehr schnelle Datenübertragungsrate erfordert, also etwa bei einem Supercomputer und Bildbearbeitungsprozessoren. Das bedeutet, daß RAID-3 eine höhere Effektivität bei einer langen Datenblockübertragung, jedoch eine niedrigere Effektivität in einer kurzen Datenblockübertragung besitzt, die eine schnelle Ein- und Ausgabeanforderung erfordert. Da das Datenlaufwerk zusammen mit einem einzelnen Laufwerk für die Redundanz verwendet wird, ist das Laufwerk zudem kleiner als dasjenige, das in dem RAID-1-Typ verwendet wird. Allerdings wird dessen Steuerein­ heit teuerer und komplizierter.

RAID-Struktur vom Typ 4: Die Paritätsdaten werden berechnet und auf einem separaten Laufwerk gespeichert, wobei die Daten streifenförmig quer verteilt werden (striping). Die Daten können zurückgewonnen werden, wenn sie fehlerhaft waren. Die Leseperfor­ mance ist ähnlich derjenigen des RAID-1-Typs, allerdings ist die Schreibperformance viel schlechter als bei einem einzelnen Laufwerk, da die Paritätsinformationen zu dem ein­ zelnen Laufwerk geliefert werden müssen. Deshalb wird zu dem RAID-4-Typ die RAID- Struktur vom Typ 5 hinzugefügt, die eine verbesserte Schreibfunktion besitzt.

Die RAID-Struktur vom Typ 5: Daten werden in jedem Laufwerksfeld stripe-verteilt, wobei Paritätsdaten über alle Laufwerke verteilt und gespeichert werden, um ein Engpaßphä­ nomen beim Schreiben von Daten zu verhindern. Dieser RAID-Typ führt zu einer gerin­ geren Geschwindigkeit, da die Daten, die auf alle Laufwerke beschrieben worden sind, gelesen werden müssen, um die Parität beim Schreiben von Daten zu berechnen. Aller­ dings ist es möglich, die Daten-Ein- und -Ausgangsübertragung durchzuführen und Daten wiederherzustellen, die fehlerhaft auf einem Laufwerk gespeichert sind. Demge­ mäß ist der RAID-5-Typ wirkungsvoll beim Aufzeichnen von langen Daten und auch von kurzen Daten, wenn ein Anwendungsprogramm das Gewicht auf das Datenlesen legt und der Feldaufbau verbessert wird, um die Schreibperformance zu erhöhen. Gerade wenn die Größe des Datenblocks verringert wird, können Performance und Datenver­ fügbarkeit in einem gewissen Grad erreicht werden. Weiterhin ist der RAID-5-Typ, vergli­ chen mit einer Nicht-Feldvorrichtung, überaus wirkungsvoll im Hinblick auf die Kosten.

Unter den vorstehend erwähnten Plattenfeldstrukturen liefert die RAID-5-Struktur eine höhere Zuverlässigkeit bei geringeren, zusätzlichen Kosten, und zur gleichen Zeit macht sie den Parallelplattenzugriff möglich, was zu einer Verbesserung der Datenverarbei­ tungsrate führt. Der Schreibvorgang von Daten, die von der RAID-5-Struktur und dem Hostcomputer auf jedes Laufwerk übertragen werden, wird nun unter Bezugnahme auf die Fig. 3, 4 und 5 beschrieben.

Fig. 3 zeigt ein Blockdiagramm einer herkömmlichen RAID-5-Struktur. Wie die Figur zeigt, überträgt eine CPU 2 Daten an eine Steuereinheit 6, die über einen Ein­ gangs/Ausgangsbus von einem Hostcomputer (nicht dargestellt) gesendet worden sind. Die Steuereinheit 6, die mit dem Eingangs/Ausgangsbus 4 verbunden ist, wird durch die CPU 2 gesteuert und steuert ihrerseits Eingangs/Ausgangsdaten zwischen den Platten­ laufwerken DR1 bis DRS, die mit der CPU 2 und einem SCSI-Bus 8 verbunden sind. Jedes Laufwerk DR1 bis DR5, das mit dem SCSI-Bus 8 verbunden ist, zeichnet die Daten, die von dem Hostcomputer unter der Steuerung der Steuereinheit 6 übertragen werden, auf und reproduziert sie.

Fig. 4 stellt ein Beispiel eines Datenflusses in der herkömmlichen RAID-5-Struktur dar. Wie die Figur zeigt, werden Daten ND, die vom Hostcomputer stammen, in Streifen unterteilt und auf jedes Laufwerk DR1 bis DR5 verteilt und gespeichert. Das bedeutet, daß jedes Laufwerk DR1 bis DR5 einen Datenblock D, in dem Daten gespeichert sind, und einem Paritätsblock P besitzt, in dem Paritätsinformationen gespeichert sind, um dadurch Daten von dem Hostcomputer unter Steuerung der Steuereinheit 6 zu spei­ chern.

Fig. 5 zeigt ein Steuerflußdiagramm zur Erläuterung des Schreibvorgangs von Daten und Paritätsinformationen von dem Hostcomputer auf jedes Laufwerk in der herkömmli­ chen RAID-5-Struktur. Wie die Figur zeigt, berechnet in Schritt 10 die CPU 2 eine Ziel­ stelle, wenn von dem Hostcomputer ein Befehl zum Schreiben von Daten empfangen wird. Im Schritt 12 überträgt die CPU 2 die Daten von dem Hostcomputer zu der Steuer­ einheit 6. Die Steuereinheit 6 liest in den Schritten 14 und 16 alte Daten OD und eine alte Parität OP, die auf jedem Laufwerk gespeichert sind. Die Steuereinheit 6 berechnet dann eine neue Parität NP gemäß der nachfolgenden Formel (1).

NP = OP v OD v ND (1)

Dabei bedeutet v eine Exklusiv-ODER-Operation. Die Steuereinheit schreibt nun in den Schritten 20 und 22 die Daten ND und die neue Parität NP auf ein vorbestimmtes Lauf­ werk. Wie vorstehend beschrieben wurde, erfolgt im Falle, daß von dem Hostcomputer ein Schreibbefehl für einen kurzen Datenblock in dem RAID-5-System empfangen wird, ein Zugriff einer anderen Platte dieses Streifens, was die Performance des gesamten Systems verschlechtert. Dies tritt merkbar in einer Verarbeitungsumgebung für Online- Transaktionen mit vielen Betriebsladevorgängen auf. Das bedeutet, daß in dem Fall, daß ein Streifen partiell geschrieben wird, zunächst die alte Parität OP und die alten Daten OD von einem vorbestimmten Laufwerk gelesen und gemäß der Formel (1) mit Exklusiv- ODER verknüpft werden, daß das Ergebnis dann mit den Daten ND durch Exklusiv- ODER verknüpft wird und schließlich eine neue Parität NP und neue Daten ND auf ein vorbestimmtes Laufwerk geschrieben werden. Folglich werden zweimalige Lese- und Schreibvorgänge benötigt, was, verglichen mit dem Einzellaufwerk, zu der Erzeugung eines größeren Overheads führt.

Aus der US 5 341 381 ist ein RAID-System bekannt, das als Teil der Steuereinheit oder als separate, mit der Steuereinheit verbundene Einrichtung über einen Paritäts-Cache­ speicher verfügt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Speichersystem mit verbesserten Lei­ stungseigenschaften anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst.

Insbesondere wird die Performance der Datenein- und -ausgabe verbessert, indem der Overhead während des Lesevorgangs von Datenrückgewinnungsinformationen redu­ ziert wird.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm eines RAID-Systems gemäß einer Ausführungs­ form der Erfindung;

Fig. 2 stellt ein Flußdiagramm eines Steuerablaufs des RAID-Systems gemäß der Ausführungsform der Erfindung dar;

Fig. 3 zeigt ein Blockdiagramm einer herkömmlichen RAID-Struktur vom Typ 5;

Fig. 4 stellt ein Beispiel einer Datenübertragung der herkömmlichen RAID-Struktur vom Typ 5 dar; und

Fig. 5 zeigt ein Flußdiagramm eines Steuerablaufs zur Erläuterung des Schreibvorgangs von Daten und Paritätsinformationen von einem Hostcomputer auf jedes Laufwerk in dem herkömmlichen RAID-5-System.

Es wird nun detailliert eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beschrieben, die beispielhaft in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist. Zur Klarheit werden Bezugs­ zeichen der Bauteile konsistent in allen Zeichnungen verwendet. Hierbei treten in der nachfolgenden Beschreibung viele die Anzahlen von Antrieben, den Cachespeicher und den Prozeßablauf betreffende Details auf. Diese Details sind nur für ein allgemeines Verständnis der Erfindung vorgesehen. Es ist für einen Fachmann auf dem Gebiet die­ ser Technologie offensichtlich, daß die Erfindung auch ohne bestimmte Details ausge­ führt werden kann. Bei der Beschreibung der Erfindung sind ferner Einzelheiten dort weggelassen worden, wo die Beschreibung unübersichtlich geworden wäre.

Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm eines RAID-Systems mit Paritäts-Cachefeldern 38 ge­ mäß einer Ausführungsform der Erfindung. Wie die Figur zeigt, enthält das RAID-System eine CPU 30 zum Steuern des gesamten Systems und eine Steuereinheit 34, die mit der CPU 30 über einen Eingangs/Ausgangsbus 32 verbunden ist und zum Verteilen und Speichern von Daten von einem Hostcomputer auf jedes Laufwerk 39 des Feldes oder zum Reproduzieren der gespeicherten Daten unter der Steuerung der CPU 30 dient. Die Laufwerke 39 des RAID-Systems sind mit der Steuereinheit 34 über einen SCSI-Bus 36 verbunden und dienen dem Speichern und Reproduzieren der Daten und der Daten­ rückgewinnungsinformationen (Paritätsinformationen), die von dem Hostcomputer unter Steuerung der Steuereinheit 34 übertragen worden sind. Ferner sind Cachespeicher 38 zum Speichern der Paritätsinformationen vorgesehen, die mit der Steuereinheit 34 und einem Eingangs/Ausgangsbus 36 verbunden sind, der zwischen den Laufwerken 39 plaziert ist.

Jedes Laufwerk 39 besteht aus einer Vielzahl von Blöcken, um die Daten und Paritätsin­ formationen zu speichern und zu lesen. Weiterhin stellt jedes Laufwerk 39 eine vorbe­ stimmte Anzahl von Paritätsblöcken ein, ausgehend von dem Zylinder 0 auf der Platte, und verwendet diesen Block als einen Speicherbereich für Paritätsinformationen, und zwar ohne Verwendung des Striping-Verfahrens, wie es in der RAID-Struktur vom Typ 5 definiert ist. Daten können in dem Paritätsinformations-Speicherbereich nicht aufge­ zeichnet werden.

Fig. 2 stellt einen Steuerablauf dar, wenn Daten gemäß der Ausführungsform der Erfin­ dung geschrieben werden. Der Steuerprozeß für das Schreiben von Daten wird nachfol­ gend unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 erläutert. Zuerst wird der Daten- Schreibbefehl vom Hostcomputer empfangen, und die CPU 30 aktualisiert eine erforder­ liche Task- bzw. Aufgaben-Datei in Schritt 40. Dann berechnet die CPU einen Target- bzw. Zielzylinder (= Paritätsblock + Anforderungszylinder), um einen separaten Paritäts­ block auf dem Laufwerk zu verwenden. Dann überträgt die CPU 30 in Schritt 42 Daten ND, die geschrieben werden sollen. Die Steuereinheit 34 liest alte Daten OD von einem vorbestimmten Laufwerk 39, um eine neue Parität NP zu erzeugen, und prüft dann in Schritt 46, ob Paritätsinformationen OP, die gelesen werden sollen, in dem Cachespei­ cher 38 angetroffen werden oder nicht. Hierbei setzt die Steuereinheit 34 den Vorgang mit Schritt 50 fort, falls Paritätsinformationen OP in dem Cachespeicher 38 angetroffen worden sind. Falls dies nicht der Fall ist, fährt sie mit Schritt 48 fort. Dies bedeutet, daß in dem Fall, daß keine Paritätsinformationen OP angetroffen werden, die Steuereinheit 34 solche Paritätsinformationen in Schritt 48 aus dem Laufwerk ausliest, eine Cacheta­ belle aktualisiert und dann zu Schritt 50 übergeht. Die Steuereinheit 34 berechnet eine neue Parität NP durch eine Exklusiv-ODER-Verknüpfung der gelesenen Paritätsinforma­ tion und der Daten ND gemäß der nachfolgenden Formel (2).

NP = OP v OD v ND (2)

Die Steuereinheit 34 aktualisiert dann in Schritt 52 die Cachetabelle, schreibt in den Schritten 54 und 56 die Daten ND, die von dem Hostcomputer übertragen worden sind, und berechnet eine neue Parität NP in einem vorbestimmten Laufwerk. Dann wird der Datenschreibprozeß der Erfindung beendet.

Gemäß der Erfindung ist der Paritäts-Cachespeicher zwischen dem Laufwerk und der Paritätseinheit angeordnet, um dadurch eine schnelle Leseanforderung für Paritätsin­ formationen zu ermöglichen. Weiterhin ist es möglich, eine Zeitverzögerung aufgrund einer separaten Suche zu verhindern, wenn ein sequentieller Lese- bzw. Schreibvorgang ausgeführt wird, da der Paritätsblock zum Speichern der Paritätsinformationen von dem Zylinder Null auf der Platte eingestellt wird.

Claims (5)

1. Speichersystem, umfassend:
eine Vielzahl von Speichervorrichtungen (39), die jeweils einen ersten und einen zweiten Speicherbereich aufweisen, wobei die Speichervorrichtungen in dem ersten Bereich für eine Datenrückgewinnung benötigte Rückgewinnungsinformation sequentiell speichern, und wobei die Speichergeräte in dem zweiten Bereich Daten speichern; eine Vielzahl von Cachespeichern (38) zum Speichern von Rückgewinnungsinformation, wobei jeder Cachespeicher mit einer der Speichervorrichtungen verbunden ist und wobei die Rückgewinnungsinformation von der jeweiligen Speichervorrichtung gelesen wird; und
eine Steuereinheit (34) zum Steuern der Schreib- und Lesevorgänge der Daten und Rückgewinnungsinformation auf jede bzw. von jeder Speichervorrichtung, zum Berech­ nen von Rückgewinnungsinformation für von einer Speichervorrichtung gelesene Daten und zum Speichern der berechneten Rückgewinnungsinformation in dem jeweiligen Cachespeicher, der mit der Speichervorrichtung verbunden ist.

2. Speichersystem nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit (34) eingerichtet ist zu be­ urteilen, ob gelesene Daten betreffende Rückgewinnungsinformation in dem jeweiligen Cachespeicher gespeichert ist.

3. Speichersystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Rückgewinnungsinformation in im äußersten Zylinder einer Platte sequentiell angeordneten Blöcken gespeichert ist.

4. Speichersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Steuereinheit eingerich­ tet ist, um vorhandene Rückgewinnungsinformation durch neu berechnete Rückgewin­ nungsinformation zu ersetzen.

5. Speichersystem nach Anspruch 4, wobei die neu berechnete Rückgewinnungsinfor­ mation durch eine Exklusiv-ODER-Verknüpfung von vorigen Daten, zu den vorigen Daten gehöriger vorhandener Rück­ gewinnungsinformation und neuen Daten berechnet wird.