[論文レビュー] A Randomly Expandable Method for Data Layout of RAID Storage Systems

De-zhai Yuan, Xing-yi Peng+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2017

Advanced Data Storage Technologies参考文献 25被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、ランダムバイナリエキステンシブコード（RBEC）を用いた新規RAIDデータレイアウト方式を提案する。RBECは、システム的XORベースの符号であり、データディスクおよびパリティディスクの完全なランダム拡張性、高い耐障害性、準最適なストレージ効率を実現する。この手法は、単純なXOR演算のみで任意の耐障害性を実現でき、システムの要件に応じた動的拡張が可能であり、スケーラブルで信頼性の高いストレージシステムに最適である。

ABSTRACT

With the increase of huge amounts of data in volume, velocity, and variety, the need for capacity of Redundant Arrays of Inexpensive Disks (RAID) storage systems is dramatically growing. However, the probability of disk failures in RAID storage systems is sharply high with the increase of program/erase cycles, read cycles, and retention time. Furthermore, they are faced with more challenges in fault tolerance, storage efficiency, computational complexity, and expandability. This article presents a novel data layout scheme for RAID storage System using Random Binary Extensive Code (RBEC), which are designed to ensure random expandability, high reliability, and availability of data in RAID storage systems. RBEC is a family of systematic code, in which the generator matrix consists of two submatrices with entries over GF(2), an identity matrix on the top, and another submatrix on the bottom. Compared with the existed approaches, the attractive advantages of our schemes include 1) they are completely implemented based on only simple eXclusive OR (XOR) operations and have systematic code property, 2) they can provide arbitrary fault tolerance, 3) their storage efficiency is quasi-optimal, and 4) data and parity disks of RAID storage systems can be randomly expanded according to practical requirements. Thus, our scheme is particularly suitable for RAID storage systems that need higher reliability, availability, and expandability.

研究の動機と目的

• 増加するデータ量と障害率に伴い、スケーラブルで信頼性が高く拡張可能なRAIDストレージシステムの需要に対応すること。
• 従来のRAID方式における耐障害性、ストレージ効率、拡張性の制限を克服すること。
• 任意の耐障害性をサポートし、データディスクおよびパリティディスクの動的かつランダムな拡張が可能なデータレイアウト手法を設計すること。
• 計算複雑性を最小限に抑えるために、単純なXOR演算のみを用いて高い信頼性と可用性を達成すること。

提案手法

• 提案手法は、単位行列とバイナリ部分行列から構成される生成行列を有するシステム的符号であるランダムバイナリエキステンシブコード（RBEC）を用いる。
• データディスクとパリティディスクは、生成行列が単純なXOR演算でのシステム的符号化を可能にするように構成される。
• システム要件に応じた柔軟な符号パラメータの設定により、任意の耐障害性を実現できる。
• 既存のデータの再構成なしに、新しいデータディスクおよびパリティディスクを動的に追加することで、ランダム拡張性を達成する。
• すべての操作がGF(2)上での演算に保たれることで、計算オーバーヘッドを最小限に抑える。
• アレイ全体におけるデータディスクとパリティディスクの使用をバランスさせることで、準最適なストレージ効率を維持する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 データの移行や再構成なしに、データディスクおよびパリティディスクの真正にランダムかつ動的拡張可能なRAIDストレージシステムを実現するにはどうすればよいか？
• RQ2 XOR演算のみを用いて低計算複雑性を維持しながら、高い耐障害性を実現できる符号方式は何か？
• RQ3 最小限のストレージオーバーヘッドで、任意の耐障害性レベルをサポートできるシステム的符号を設計できるか？
• RQ4 本手法は、従来のRAID符号と比較して、ストレージ効率および拡張性においてどのように異なるか？
• RQ5 生成行列におけるバイナリ部分行列の使用が、耐障害性およびシステムスケーラビリティに与える影響は何か？

主な発見

• RBECに基づくデータレイアウト方式は、柔軟な符号パラメータ設定により、任意の耐障害性レベルをサポートする。
• 本手法は、RAIDシステムにおける冗長性の理論的下限に近い準最適なストレージ効率を達成する。
• すべての符号化および復号化処理がXOR演算のみで実装され、計算複雑性が顕著に低減される。
• 本手法は、データディスクおよびパリティディスクの完全なランダム拡張を可能にし、リアルタイムのストレージ要件に基づく動的スケーリングを実現する。
• RBECのシステム的性質により、データが元の形式そのままで格納されるため、アクセスが簡素化され、パフォーマンスが向上する。
• 強力な耐障害性と効率的で低オーバーヘッドの演算を組み合わせることで、高い信頼性と可用性を維持する。