[논문 리뷰] A Randomly Expandable Method for Data Layout of RAID Storage Systems

De-zhai Yuan, Xing-yi Peng외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 14.

Advanced Data Storage Technologies참고 문헌 25인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 랜덤 이진 확장 코드(RBEC)를 사용하는 새로운 RAID 데이터 레이아웃 기법을 제안한다. RBEC는 체계적 XOR 기반 코드로, 데이터 디스크와 패리티 디스크의 완전한 랜덤 확장성, 높은 고장 내성, 준최적의 저장 효율성을 제공한다. 이 방법은 단순한 XOR 연산을 통해 임의의 고장 내성을 구현하고, 시스템 수요에 따라 동적 확장을 지원하여 확장성 있고 신뢰할 수 있는 저장 시스템에 이상적이다.

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.

연구 동기 및 목표

• 증가하는 데이터 볼륨과 고장률에 대비해 확장 가능하고 신뢰성 있는 RAID 저장 시스템의 수요 증가에 대응하기 위해.
• 기존 RAID 체계의 고장 내성, 저장 효율성, 확장성에 한계가 있음을 해결하기 위해.
• 임의의 고장 내성을 지원하고 데이터 디스크 및 패리티 디스크의 동적이고 랜덤한 확장을 가능하게 하는 데이터 레이아웃 방법을 설계하기 위해.
• 단순한 XOR 연산만을 사용하여 계산 복잡도를 최소화하면서도 높은 신뢰성과 가용성을 달성하기 위해.

제안 방법

• 제안된 기법은 랜덤 이진 확장 코드(RBEC)를 사용한다. RBEC는 항등행렬과 이진 부분행렬으로 구성된 생성행렬을 가진 체계적 코드이다.
• 데이터 디스크와 패리티 디스크는 생성행렬이 단순한 XOR 연산만으로도 체계적 인코딩을 가능하게 하도록 구성된다.
• 시스템 요구사항에 따라 유연한 코드 파rameter 설정을 통해 임의의 고장 내성을 지원한다.
• 기존 데이터의 재구성 없이 새로운 데이터 디스크와 패리티 디스크를 동적으로 추가함으로써 랜덤 확장성을 달성한다.
• 모든 연산이 GF(2)에서 수행되도록 설계되어 계산 오버헤드를 최소화한다.
• 어레이 전체에 걸쳐 데이터 디스크와 패리티 디스크 사용을 균형 있게 조절함으로써 준최적의 저장 효율성을 유지한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 데이터 마이그레이션이나 재구성 없이 RAID 저장 시스템에서 데이터 디스크와 패리티 디스크의 진정된 랜덤 및 동적 확장성을 어떻게 달성할 수 있는가?
• RQ2 단순한 XOR 연산만을 사용하면서도 높은 고장 내성을 유지할 수 있는 코딩 체계는 무엇인가?
• RQ3 최소한의 저장 오버헤드로 RAID 시스템에서 임의의 고장 내성 수준을 지원할 수 있는 체계적 코드를 설계할 수 있는가?
• RQ4 기존 RAID 코드와 비교할 때 제안된 기법은 저장 효율성과 확장성 측면에서 어떤가?
• RQ5 생성행렬에 이진 부분행렬을 사용할 경우 고장 내성과 시스템 확장성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• RBEC 기반의 데이터 레이아웃 기법은 탄력적인 코드 파rameter 설정을 통해 임의의 고장 내성 수준을 지원한다.
• 이 기법은 이론적 최소 레이턴시 기반의 중복성에 가까운 준최적의 저장 효율성을 달성한다.
• 모든 인코딩 및 디코딩 연산이 단순한 XOR 연산으로만 이루어져 계산 복잡도가 크게 감소한다.
• 데이터 디스크와 패리티 디스크의 완전한 랜덤 확장이 가능하여 실시간 저장 수요에 따라 동적 확장을 지원한다.
• RBEC의 체계적 성격 덕분에 데이터가 원본 형태로 저장되어 액세스가 간편해지고 성능 향상이 가능하다.
• 강력한 고장 내성과 효율적이고 저비용의 연산을 조합함으로써 높은 신뢰성과 가용성을 유지한다.