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      一種自主可控的加固型存儲(chǔ)陣列設(shè)計(jì)

      2015-04-29 00:44:03金亮亮吳洪成祝緒東
      計(jì)算機(jī)時(shí)代 2015年11期

      金亮亮 吳洪成 祝緒東

      摘 要: 介紹一種滿足車載工作環(huán)境的加固型存儲(chǔ)陣列設(shè)計(jì),該存儲(chǔ)陣列采用國(guó)產(chǎn)CPU作為存儲(chǔ)控制器,利用可編程邏輯自主開(kāi)發(fā)了RAID控制器,實(shí)現(xiàn)了面向網(wǎng)絡(luò)的iSCSI等通用存儲(chǔ)服務(wù)。雙機(jī)熱備技術(shù)的采用進(jìn)一步確保了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的安全性和數(shù)據(jù)服務(wù)的不間斷性。

      關(guān)鍵詞: 存儲(chǔ)陣列; iSCSI; 自主可控; 雙機(jī)熱備

      中圖分類號(hào):TP399 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1006-8228(2015)11-01-03

      Abstract: This paper introduces a design of vehicular ruggedized storage array. The storage array adopts domestic CPU as the controller, the RAID controller is developed by using FPGA, and iSCSI and other network-oriented general storage services are realized. The use of hot standby technology further ensures the security of data storage and uninterrupted data service.

      Key words: storage array; iSCSI; autonomous controllable; hot standby

      0 引言

      由于網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)速率、數(shù)據(jù)可用性、I/O服務(wù)方面具有良好的性能,使其逐漸成為高性能信息處理系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)施。目前,高性能網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)設(shè)備的制造技術(shù)主要掌握在國(guó)外廠商手中,如EMC、HP、IBM等供應(yīng)商,這些廠商不僅能夠提供高性能與高可靠性的存儲(chǔ)產(chǎn)品[1],而且可以提供整套的存儲(chǔ)解決方案。雖然國(guó)內(nèi)存儲(chǔ)產(chǎn)品供應(yīng)商如華為、浪潮、曙光占據(jù)了網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)產(chǎn)品的一定市場(chǎng)份額,但核心存儲(chǔ)技術(shù)仍采用國(guó)外技術(shù),存儲(chǔ)控制器一般依賴Intel的XEON等產(chǎn)品。

      在軍事應(yīng)用等敏感領(lǐng)域,技術(shù)自主可控的要求日益強(qiáng)烈,核心存儲(chǔ)控制器設(shè)計(jì)國(guó)產(chǎn)化已經(jīng)迫在眉睫。現(xiàn)有的基于XEON等控制器的存儲(chǔ)產(chǎn)品,在飛機(jī)、越野車等工作環(huán)境中,穩(wěn)定性大幅降低,無(wú)法滿足高低溫、濕熱、低氣壓、抗振等試驗(yàn)要求。由于處理器、RAID卡等核心部件均是采購(gòu)?fù)鈬?guó)產(chǎn)品,無(wú)法修改,加固設(shè)計(jì)也很難進(jìn)行。

      本文介紹一種滿足車載工作環(huán)境的加固型存儲(chǔ)陣列設(shè)計(jì),該存儲(chǔ)陣列對(duì)外提供SAN和NAS融合的統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)服務(wù)[2],支持RAID5,容量達(dá)到24TB(熱備模式下有效容量為12TB)。設(shè)備采取標(biāo)準(zhǔn)上架式設(shè)計(jì),要求工作溫度-10℃~55℃,并可支持高原低氣壓工作。

      1 總體設(shè)計(jì)

      為滿足振動(dòng)、高低溫、低氣壓等車載的環(huán)境適應(yīng)性要求,存儲(chǔ)陣列采用CPCI技術(shù)架構(gòu),將PCIe等高速總線集成在背板,從而避免商用存儲(chǔ)陣列中大底板和金手指等技術(shù)形式在惡劣環(huán)境下容易出現(xiàn)的接觸不可靠、傳輸不穩(wěn)定、易熱脹冷縮等問(wèn)題。加固型存儲(chǔ)陣列式示意如圖1所示。

      存儲(chǔ)陣列選用電子盤作為存儲(chǔ)介質(zhì),并采取整體加固安裝形式,所有SAS/SATA總線均自主設(shè)計(jì)在背板中,消除了普通盤接口接觸的易松動(dòng)特性,整機(jī)內(nèi)部沒(méi)有線纜。而且,電子盤沒(méi)有機(jī)械磁頭,不受振動(dòng)影響,對(duì)低氣壓也不敏感。

      存儲(chǔ)陣列所有功能模塊均自主設(shè)計(jì),包括CPU板、RAID卡、電源、電子盤等,對(duì)器件選型和PCB設(shè)計(jì)等均可遵照GJB等相關(guān)規(guī)范,增加設(shè)計(jì)冗余以滿足寬溫工作要求,并執(zhí)行板級(jí)篩選。其中,CPU板選擇國(guó)產(chǎn)處理器SW410,RAID算法在FGPA內(nèi)實(shí)現(xiàn)。

      由于車載空間限制,設(shè)備機(jī)箱深度要求不超過(guò)460mm,普通的商用存儲(chǔ)陣列設(shè)計(jì)方法無(wú)法滿足要求(深度一般均超過(guò)500mm)。本設(shè)計(jì)采取了前后通風(fēng)式的統(tǒng)一布局[3],模塊傳導(dǎo)與整體強(qiáng)迫風(fēng)冷結(jié)合散熱,所有模塊均衡分布,機(jī)箱深度降低至440mm,防止模塊間熱串?dāng)_,設(shè)備散熱效果也大幅提升,提高高溫工作的可靠性。

      2 存儲(chǔ)控制器設(shè)計(jì)

      存儲(chǔ)控制器是網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)陣列產(chǎn)品的核心部件,含存儲(chǔ)管理單元、RAID處理器、嵌入式的操作系統(tǒng)和專業(yè)的存儲(chǔ)管理軟件。

      2.1 存儲(chǔ)管理單元

      本設(shè)計(jì)中,選擇國(guó)產(chǎn)處理器SW410作為存儲(chǔ)控制器,自主設(shè)計(jì)了SW410的CPCI形式的主控板[4],以適應(yīng)設(shè)備結(jié)構(gòu)要求。如圖3。

      在實(shí)際測(cè)試中發(fā)現(xiàn),SW410兼顧讀寫控制與服務(wù)的響應(yīng)較慢,對(duì)I/O控制過(guò)程耗時(shí)較長(zhǎng),不能及時(shí)響應(yīng)外部服務(wù)。因此在本設(shè)計(jì)中,將存儲(chǔ)控制遷移至SCSI Target中層,直接向塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)建立地址映射,調(diào)用MD驅(qū)動(dòng)建立邏輯卷,再掛載外部PCIe總線上的DMA通路,由硬件電路自主完成數(shù)據(jù)塊經(jīng)RAID控制器寫入磁盤過(guò)程,SW410僅負(fù)責(zé)管理邏輯卷映射表,集中精力響應(yīng)存儲(chǔ)服務(wù)。

      2.2 RAID控制器

      RAID是獨(dú)立磁盤冗余陣列的英文簡(jiǎn)稱,有RAID0、RAID1、RAID5、RAID6、RAID10等多種RAID等級(jí)。RAID技術(shù)原理雖然很成熟,但目前市面上能夠購(gòu)買的高性能RAID卡均是LSI金手指形式,抗振動(dòng)性能較差,而且無(wú)法集成DMA控制器。

      本設(shè)計(jì)的RAID算法基于XINLINX V6系列FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn),性能可以與RAID芯片保持一致,編碼速率可達(dá)900MB/s以上。FPGA內(nèi)部還集成了DMA控制器,利用DirectIO技術(shù)掛載PCIe IP核,連接多個(gè)SAS/SATA IP核。FPGA掛載了高速、大容量DDR3緩存,將寫通路緩存和讀通路緩存獨(dú)立分開(kāi),各自建立FIFO隊(duì)列,避免讀/寫切換時(shí)緩存清空開(kāi)銷,減小讀/寫過(guò)程轉(zhuǎn)換CPU等待時(shí)間。

      3 雙機(jī)熱備技術(shù)

      為保證數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的安全性和數(shù)據(jù)服務(wù)的不間斷性,存儲(chǔ)陣列集成了完整的兩套存儲(chǔ)管理電路,可將電子盤分為兩組進(jìn)行配置,組建兩個(gè)RAID陣列,執(zhí)行雙機(jī)熱備的集群工作方式,數(shù)據(jù)自動(dòng)被鏡像復(fù)制并分別存儲(chǔ)在兩組陣列中,以保證存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的絕對(duì)安全。存儲(chǔ)對(duì)外服務(wù)執(zhí)行主從模式,任意一個(gè)服務(wù)若發(fā)生中斷,另一個(gè)存儲(chǔ)管理器自動(dòng)接管服務(wù),保證對(duì)外存儲(chǔ)服務(wù)不間斷。

      通過(guò)配置管理軟件可將其中一個(gè)存儲(chǔ)分機(jī)配置成“主服務(wù)器”,另一個(gè)配置成“從服務(wù)器”,主從服務(wù)器有各自的IP地址,主從服務(wù)器通過(guò)集群軟件虛擬出有一個(gè)共同的虛擬IP,這個(gè)虛IP就是客戶端訪問(wèn)該系統(tǒng)時(shí)用的IP地址。這種措施是高可靠集群[5]的首要技術(shù)保證,可確保集群服務(wù)的切換不會(huì)影響客戶IP層的訪問(wèn)。

      心跳和同步線是高可靠集群系統(tǒng)中主從節(jié)點(diǎn)通訊的物理通道,通過(guò)集群軟件的控制來(lái)確保服務(wù)數(shù)據(jù)和狀態(tài)同步。心跳和同步線可采用串并口、USB口或TCP/IP網(wǎng)口,基于TCP/IP技術(shù)的心跳線因通用性和高性能而被廣泛采用。若僅有主從兩臺(tái)服務(wù)器,心跳和同步線刻可以采用直連的方式,無(wú)需通過(guò)交換機(jī)。

      熱備集群軟件負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)存儲(chǔ)分機(jī)的同步狀態(tài)檢測(cè)、主備切換。當(dāng)主服務(wù)器出現(xiàn)故障時(shí),從服務(wù)器及時(shí)接管主服務(wù)器資源,這些資源包括處理器、內(nèi)存數(shù)據(jù)列表和磁盤數(shù)據(jù)。為了支撐高可靠集群系統(tǒng)故障時(shí)順利接管磁盤數(shù)據(jù),引入了磁盤鏡像技術(shù)。磁盤鏡像類似于在設(shè)備間實(shí)現(xiàn)一個(gè)RAID1的功能,當(dāng)主服務(wù)器將數(shù)據(jù)寫入本地磁盤時(shí),數(shù)據(jù)將被磁盤鏡像軟件捕獲并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中從服務(wù)器上,且以相同的形式記錄在磁盤中,保證主從存儲(chǔ)分機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步。當(dāng)主服務(wù)器出現(xiàn)故障時(shí),從服務(wù)器利用已同步的磁盤數(shù)據(jù)接管服務(wù)。

      4 結(jié)束語(yǔ)

      面對(duì)國(guó)外網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)廠商設(shè)置的技術(shù)壁壘,自主可控高可靠存儲(chǔ)陣列的研制顯得尤為重要。本文介紹的加固型存儲(chǔ)陣列就是在自主可控的大背景下針對(duì)抗惡劣環(huán)境需求而提出的一種自主可控存儲(chǔ)陣列的典型架構(gòu)。經(jīng)測(cè)試和試驗(yàn)驗(yàn)證,該加固型存儲(chǔ)陣列在FC接口下iSCSI讀寫速率大于700MB/s;千兆網(wǎng)接口下CIFS和iSCSI讀寫速率均不低于70MB/s;組RAID5模式后有效存儲(chǔ)容量不低于24TB,雙機(jī)熱備時(shí)有效容量不低于12TB,熱備服務(wù)切換時(shí)間小于1s。

      在國(guó)產(chǎn)CPU性能無(wú)法快速提升的情況下,如何優(yōu)化流程控制、構(gòu)建旁路系統(tǒng)以減輕CPU負(fù)載是存儲(chǔ)陣列進(jìn)一步研究的內(nèi)容。同時(shí),還需在此基礎(chǔ)上研究網(wǎng)絡(luò)IO加速卡,創(chuàng)建從網(wǎng)絡(luò)服務(wù)端口至讀寫控制端口的直接映射,集成多級(jí)RAID控制技術(shù),進(jìn)一步釋放CPU負(fù)載,以提升存儲(chǔ)陣列性能。

      參考文獻(xiàn)(References):

      [1] 國(guó)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)發(fā)展現(xiàn)狀[J].http://wenku.baidu.com.

      [2] 張冬.網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)系統(tǒng)原理精解與最佳實(shí)踐[M].清華大學(xué)出版

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      [3] 田云均.車載式數(shù)字圖像固態(tài)存儲(chǔ)技術(shù)協(xié)議的研究[J].長(zhǎng)春

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      [4] 張忠濤等.抗惡劣環(huán)境高性能計(jì)算機(jī)[J].計(jì)算機(jī)工程,2008.9.

      [5] 鞏天寧,周書明.基于DRBD的Linux高可用集群[J].電腦與

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