[论文解读] 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 3

一句话总结

本文提出了一种新型RAID数据布局方案，采用随机二进制扩展码（RBEC），这是一种系统化的XOR基础编码，可实现数据盘与校验盘的完全随机扩展、高容错能力以及准最优存储效率。该方法通过简单的XOR运算支持任意容错级别，并可根据系统需求实现动态扩展，适用于可扩展、高可靠的存储系统。

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.

研究动机与目标

• 为应对数据量增长和故障率上升背景下对可扩展、可靠且可扩展的RAID存储系统日益增长的需求。
• 克服现有RAID方案在容错能力、存储效率和可扩展性方面的局限性。
• 设计一种支持任意容错级别以及数据盘与校验盘动态、随机扩展的数据布局方法。
• 仅通过简单的XOR运算实现高可靠性和可用性，最大限度降低计算复杂度。

提出的方法

• 所提出的方案采用随机二进制扩展码（RBEC），这是一种系统化编码，其生成矩阵由单位矩阵和一个二值子矩阵组成。
• 数据盘与校验盘的组织方式使得生成矩阵能够仅通过XOR运算实现系统化编码。
• 通过根据系统需求灵活调整编码参数，该方法支持任意容错级别。
• 通过动态添加新的数据盘与校验盘，无需重构现有数据，实现完全随机扩展。
• 设计确保所有操作均在GF(2)上执行，最大限度降低计算开销。
• 通过在阵列中均衡数据盘与校验盘的使用，该方案保持准最优的存储效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在不进行数据迁移或重构的前提下，实现RAID存储系统中数据盘与校验盘的真正随机和动态扩展？
• RQ2 何种编码方案能够在仅使用XOR运算的前提下实现高容错能力并保持低计算复杂度？
• RQ3 能否设计一种系统化编码，使RAID系统支持任意容错级别，同时存储开销最小化？
• RQ4 与现有RAID编码相比，该方案在存储效率和可扩展性方面表现如何？
• RQ5 生成矩阵中使用二值子矩阵对容错能力与系统可扩展性有何影响？

主要发现

• 基于RBEC的数据布局方案通过灵活的编码参数化，支持任意容错级别。
• 该方案实现了准最优的存储效率，接近RAID系统冗余的理论下限。
• 所有编码与解码操作均仅通过XOR运算实现，显著降低了计算复杂度。
• 该方法实现了数据盘与校验盘的完全随机扩展，支持根据实时存储需求进行动态扩展。
• RBEC的系统化特性确保数据以前置形式存储，简化了数据访问并提升了性能。
• 该方法通过结合强容错能力与高效、低开销的操作，维持了高可靠性和可用性。