[发明专利]能够感知RAID的闪存转换层及其实现方法

说明书

本发明涉及能够感知RAID的闪存转换层及其实现方法。为闪存的每个逻辑页添加表示对该页的最近一次访问的访问类型的操作标识和表示该页是普通数据还是校验数据的逻辑页类型标识；为闪存的每个物理块添加表示该块存储的数据是普通数据还是校验数据的块类型标识；当访问某个逻辑页时，对比最近一次访问和本次访问的访问类型，如果都是读操作，则表明该逻辑页对应的数据为普通数据；当对某个逻辑页进行写操作时，根据该页的类型标识，将该页写在新分配的空闲块中并将空闲块的类型置成与该页类型相同，或者直接写入与该页类型相同的物理块中。本发明开销很小，减少垃圾回收过程中迁移的数据量，减少对闪存的写，从而延长闪存的寿命。

技术领域

本发明适用于闪存固态存储技术领域，提供了一种基于闪存实现的能够感知RAID的冷热数据自动分离方法、系统及闪存。

背景技术

闪存(Flash Memory)是近年来应用广泛的一种半导体存储器，闪存技术的发展引起了存储领域新的变革。闪存具有体积小、重量轻、无噪声、抗震动、低功耗(其能耗只有传统硬盘的1/5～1/6)，读写速度快(是普通磁盘的两倍以上)和工作温度范围大的优点，是一种理想的存储介质。

闪存的一个重要特性就是修改数据时不能作覆盖写(over-write)，也即当一页数据需要修改时，不能像磁盘那样直接在原地作修改，而需要将该页擦除后再重新写入数据。由于擦除操作延迟较大，一般将新的数据写到另一个空白页上，同时让原数据失效，这就是常说的非定点更新(out-of-place update)，这一特性使得传统磁盘上的文件系统不能直接应用到闪存设备上。为充分利用传统磁盘领域积累的技术和大量软件产品，各大厂商纷纷将一个或多个闪存芯片组合封装成类似磁盘的固态盘SSD(Solid State Drive)，为上层应用提供与磁盘一样的接口，而不需要修改应用和文件系统。闪存固态盘采用一个转换层FTL(Flash Translation Layer)将闪存模拟成磁盘设备。FTL主要完成以下几项功能：地址映射、损耗均衡、垃圾回收，其中地址映射实现了物理地址空间到逻辑地址空间的转换，损耗均衡和垃圾回收在保证各闪存块擦除次数均衡的前提下对失效闪存块进行回收。

垃圾回收的基本过程是：先将物理块中的有效数据迁移，然后擦除该块。其中迁移数据涉及大量的读写操作，延迟很大。一般说来，数据迁移是由同一物理块中既包含热点数据又包含冷数据导致的。热点数据因为被更新很快变得无效，而冷数据仍然有效，回收该块时就需要数据迁移。如果能把冷热数据分别写到不同的块中，所有的物理块就可以分成两类：热块和冷块。其中，冷快中不含无效数据，不需要垃圾回收；热块中的所有数据很快变得无效，回收这些块不需要数据迁移。冷热数据分类能够降低垃圾回收的开销。

独立磁盘冗余阵列(RAID，redundant array of independent disks)是把相同的数据存储在多个硬盘的不同的地方(因此，冗余地)的方法。通过把数据放在多个硬盘上，输入输出操作能以平衡的方式交叠，改良性能。因为多个硬盘增加了平均故障间隔时间(MTBF)，储存冗余数据也增加了容错。

以RAID5(5块盘)为例，它的数据分成均等的四份，并以这四份数据的异或作为校验数据，分别存储在5块盘中，并且校验数据在每块盘中的位置都不一样，可以并发访问。同时，校验数据存在所有磁盘上，也提高了可靠性。对于RAID5来说，大部分数据传输只针对其中的一块盘操作，可进行并行操作。所以，RAID5的读出效率很高，但是写入效率一般。因为RAID5存在“写损失”，即每次写操作都要将旧的数据和校验信息读出，更新数据和校验信息后再写入新的数据和校验信息。

固态存储(SSD)技术已逐步渗入到服务器、混合存储阵列以及缓存设备的应用中，另外，新兴的全闪存阵列正在开始进入高性能存储系统市场。全闪存存储系统是完全由固态存储介质(通常是NAND闪存)构成的独立的存储阵列或设备。这些系统是用于增强可能包含磁盘阵列的环境的性能，或者用于取代所有传统的硬盘存储阵列。并且，由于其便捷性、在总体拥有成本方面的竞争力以及高性能等优势，使得其越来越受到企业和厂商的关注。