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基于存储处理器的Raid控制器研究

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文章设计了一种基于Intel IQ81348的Raid控制器,该控制器采用了集成多个SAS通道和DMA部件的存储专用处理器.实现了该控制器的原型机,原型机与主机的联接方式采用光纤通道.对原型机进行了测试,试验结果显示其读、写数据传输率分别达到378 MB/s和293 MB/s,与其它Raid系统相比性能有显著提高.

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2010年8月

西北工业大学学报

Northwestern

Polyteehnical

Aug．

2010

Journal of

V01．28 No．4

University

第28卷第4期

基于存储处理器的Raid控制器研究

刘志强，王丽芳，王新民，蒋泽军，刘卫东

(西北工业大学，陕西西安710072)

摘要：文章设计了一种基于Intel

tQ81348的Raid控制器，该控制器采用了集成多个SAS通道和

DMA部件的存储专用处理器。实现了该控制器的原型机。原型机与主机的联接方式采用光纤通道。

MB／s和293

对原型机进行了测试，试验结果显示其读、写数据传输率分别达到378

Raid系统相比性能有显著提高。

MB／s，与其它

关键词：控制，数据传输，存储处理器，磁盘阵列控制器，数据传输率

中图分类号：TB391

文献标识码：A

文章编号：1000-2758(2010)04-0633-04

磁盘阵列为主机提供块设备服务。它采用

RAID技术，显著提高了I／O系统的数据传输率和

可靠性。目前，磁盘阵列已成为构建大型存储系统

的关键基础设备。Raid控制器承担着磁盘阵列存

储介质管理、Cache管理及数据传输的功能，是磁盘

器)和光纤通道主机适配器(FC HBA)。

阵列的核心部件。文献[1]介绍了采用Qb舀c

Celeron处理

QLA2200光纤通道主机适配器和Intel

器的Raid控制器原型机，通过测试得出该系统实际

数据传输率为35MB／s。文献[2】提出了海量存储

架构—川H—MSNS，并设计了FC光纤通道主机适

配器的目标器模式驱动程序。文献[3]提出了基于

结构化模型的Raid系统——nssRAID，并采用Intel

Xeon处理器构建了原型系统，通过试验得出该系统

数据传输率可以达到260．4 MB／s(顺序读)。本文

图1硬件体系结构

其中存储处理器采用Intel

IOP81348处理器．

与其它处理器相比，其优势主要体现在：

(1)集成了3Gb／s的SAS控制器，因此对硬盘

的访问将不会抢占PCI总线带宽。

IOP81348”1

设计了一种采用集成SAS通道的Intel

处理器的Raid控制器卅1348Raid，实现了其原

(2)集成了硬件Raid5和Raid6加速。

(3)集成了多个DMA部件，加速了与存储介质

问的数据交换。

型机，并对其性能进行了分析评估。

81348Raid控制器与主机的联接采用基于

ISP2422处理器的光纤通道主机适配器。该适配器

的最大带宽是4Gb／s。

1控制器架构设计

1．1硬件结构设计

从硬件角度看，影响Raid控制器数据传输率的

主要因素是数据传输路径上的各个总线或通道的带

宽。81348Raid控制器在处理器内部集成了SAS通

图1是81348Raid控制器硬件结构设计，其核

心部件包括2个部分：存储处理器(也称为10处理

收稿日期：2009-06· 18

基金项目：陕西省自然科学基金(2009JQ8021)、陕西省自然科学基金(2009JM8017)与航空基金(2009zD53044)资助

作者简介：刘志强(1975一)，西北工业大学讲师、博士，主要从事网络存储及嵌入式系统的研究。

万方数据

· 634·

第28卷

西北工业大学学报

道，使其不会和与主机相连的上行通道竞争PCI总

线带宽。因此，理论上提高了系统的带宽。

1．2软件结构设计

光纤通道适配器之间的数据交换，是通过DMA通

道直接完成的(如图2中的空心箭头所示)。

基于上述硬件架构和软件架构，开发实现了

Raid控制器原型机(以下简称原型机)。其中，基于

ISP2422处理器的光纤通道主机适配器与PCI—x总

线相连，在Intel IOP81348处理器集成的SAS通道

上挂接硬盘；在软件上，采用Linux内核作为核心运

行系统，内核版本是2。6．24。以内核模块的形式开

发了基于ISP2422处理器的光纤通道主机适配器的

目标器模式设备驱动程序及与之相匹配的SCSI目

标器程序。

一些作者已对Raid控制器的软件体系结构进

行了深入的研究。其中，文献[1]中提出了一种基

于QLogic QLA系列的光纤通道主机适配器的Raid

控制器软件体系结构；文献[5]提出了由SCSI目标

器、Cache管理、Raid核心算法、IO调度、SCSI启动

器及全局管理模块等组成的Raid控制器软件结构，

该结构具有相当的通用性。

图2是本文设计的81348Raid控制器软件结构

设计图。其中，在软件的体系结构上参考并改进了

文献[5]的设计；SCSI通用中间层是SCSI目标器的

核心处理部分，该部分的设计参考了文献[6]；

Cache替换与预取算法、Raid核心算法和IO调度模

块．采用了Linux内核的实现方式。

2分析与评估

2．1试验环境与评价指标

对81348Raid控制器的原型机进行了性能评

估，在原型机上挂接了4个SAlA硬盘。

评价存储系统性能最常用的指标是数据传输率

(MB／s)。本文使用目前权威的测试工具Iometer[7】

作为测试程序。

SAS／SATA硬盘

▲▲*“

一二

数据路线

够

Io调度

R丑id核心算法

2．2性能测试及其分析

对Raid控制器进行性能测试的测试结果与负

载特性密切相关。本文重点测试了在请求数据块大

小不同的情况下，原型机顺序读和顺序写的性能。

将测试结果与文献E3]提出的nssRAID系统的测试

结果相比较。此外，还将原型机的测试结果与高端

243

c∞hc替换与顶取算法

scsI通用中间层H

。

、

HBA目标器驱动程序

通j

商用磁盘阵列nStor

10F的性能相比较。

磊鞋辩

图3是顺序读情况下的测试结果。可以看出，

原型机的最大数据传输率达到了378 MB／s，大于

nssRAID系统的数据传输率；并高于文献[3]给出的

lOeB

Pg总线IOCBl

—

HBA硬件和固件

远程启动器

图2软件体系结构

‘名

曼

＼

光纤通道主机适配器的目标器驱动程序负责驱

奢

窭

熙

动适配器，实现适配器目标器模式功能。在目标器

模式下。81348Raid控制器接收从光纤通道适配器

Control

簟

Block，IOCB)，其中

发来的IO控制块(I／O

承载着SCSI命令。SCSI命令在SCSI通用中间层中

被解析并执行。命令执行的结果通过FC HBA目标

器驱动程序封装成IOCB，反馈给光纤通道适配器。

命令执行的路径如图2中实心箭头所示。控制器与

请求的数据块大小／kS

图3顺序读时原型机的数据传输率

万方数据

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