本文關鍵詞：可重構堆疊存儲系統(tǒng)的設計及實現(xiàn)研究

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【摘要】：隨著智能設備的普及和網絡的高速發(fā)展,每年產生的數(shù)據量成倍增長。面對巨大的數(shù)據量,直連存儲和本地存儲模式已不能滿足海量數(shù)據對存儲空間的需求,互聯(lián)網和存儲服務廠商紛紛推出網盤等便捷的網絡存儲方式。網絡存儲可以充分利用網絡資源擴展個人的存儲空間,便于管理,可以隨時隨地的訪問存儲資源和方便快捷的分享資源。企業(yè)也更加依賴網絡存儲設備,存儲企業(yè)推出了大型的網絡存儲設備和存儲服務器,網絡存儲日益普及�？芍貥嫸询B存儲就是一種基于網絡的靈活存儲設計方案,可以為用戶提供海量、高速的數(shù)據存儲服務。本研究提出一種基于可編程邏輯和SATA硬盤的可重構堆疊存儲系統(tǒng)。針對海量高速數(shù)據存儲,設計方案采用XC7K325T-2FFG900C評估板,自定義陣列管理控制器和通道控制器。為實現(xiàn)數(shù)據的高速并行存儲,提高數(shù)據傳輸速度并擴展存儲空間,提出了群Group、組Set、通道Channel的元數(shù)據和數(shù)據存儲空間劃分模式,將存儲系統(tǒng)的元數(shù)據存儲在元數(shù)據群,而數(shù)據存儲在數(shù)據群。在評估板的RAM中為元數(shù)據分配高速緩存,使用定時更新和預取預讀策略,使系統(tǒng)訪問的元數(shù)據存儲在高速緩存中,可以大幅度提高元數(shù)據的訪問速度。數(shù)據群由數(shù)據組和校驗組構成,數(shù)據組由8條數(shù)據通道構成,校驗磁盤用于存儲校驗計算數(shù)據所得校驗值。10個相互獨立的通道控制器控制SATA硬盤,數(shù)據通道連接的磁盤相同偏移位置的扇區(qū)組成超扇區(qū)SS,一個超扇區(qū)含有rpq個扇區(qū),其中r是每個磁盤所含的扇區(qū)數(shù),q表示通道的條數(shù),p是每條通道連接硬盤的個數(shù)。10組GTX數(shù)據傳輸收發(fā)器可以連接10個Marvell接口倍增器,每個接口倍增器可以將一個SATA接口擴展為5個,在不影響接口傳輸速率的同時擴展存儲系統(tǒng)容量。QorIQ通信處理器移植Linux操作系統(tǒng),分析并修改、編譯BootLoader和操作系統(tǒng)內核。通過通信處理平臺上的千兆或萬兆以太網接口連接網絡,搭建NFS網絡文件系統(tǒng)用于客戶端消息的接收和數(shù)據傳輸。Linux操作系統(tǒng)將接收的數(shù)據封裝成消息交換格式MES,MES是SATA協(xié)議的FIS幀信息格式擴展和修改的消息格式,MES信息中含有包括群、組、通道等的目的地址信息。通信處理板和陣列管理控制器通過PCI Express建立通信連接,最高可以提供20G以上的傳輸帶寬。經測試和驗證,存儲系統(tǒng)可以提供高效、穩(wěn)定的數(shù)據存儲服務。
【關鍵詞】：存儲系統(tǒng) 可重構 陣列控制器 PCI Express總線 Linux移植
【學位授予單位】：太原理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TP333
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 緒論11-17
• 1.1 選題背景及意義11-13
• 1.2 存儲系統(tǒng)研究現(xiàn)狀13-14
• 1.3 研究內容及章節(jié)安排14-17
• 第二章 可堆疊存儲陣列整體架構17-39
• 2.1 系統(tǒng)設計分析17-21
• 2.1.1 傳統(tǒng)分布式存儲系統(tǒng)分析18-20
• 2.1.2 可重構堆疊存儲陣列20-21
• 2.2 系統(tǒng)硬件平臺21-28
• 2.2.1 QorIQ通信處理器21-23
• 2.2.2 陣列管理控制單元XC7K325T-2FFG900C23-24
• 2.2.3 Marvell轉接芯片Akupa 88SM970524-26
• 2.2.4 RAID冗余磁盤陣列26-28
• 2.3 系統(tǒng)軟件設計分析28-31
• 2.3.1 系統(tǒng)軟件總體結構28-30
• 2.3.2 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境30-31
• 2.4 PCIe通道及消息交換結構MES31-36
• 2.4.1 PCIe總線體系結構31-32
• 2.4.2 PCIe總線的分層和物理結構32-33
• 2.4.3 消息交換結構MES33-36
• 2.5 系統(tǒng)整體架構36-38
• 2.6 本章小結38-39
• 第三章 存儲陣列的硬件設計39-57
• 3.1 可堆疊磁盤陣列39-43
• 3.1.1 群組及通道的劃分39-41
• 3.1.2 存儲介質的超扇區(qū)SS41-43
• 3.1.3 邏輯地址單元43
• 3.2 消息交換模塊43-44
• 3.3 陣列控制管理模塊設計44-49
• 3.3.1 數(shù)據緩沖區(qū)Buffer45-46
• 3.3.2 數(shù)據的分發(fā)與合并46-47
• 3.3.3 硬件校驗與數(shù)據恢復47-48
• 3.3.4 元數(shù)據的高速緩存48
• 3.3.5 負載均衡48-49
• 3.4 SATA磁盤通道控制器49-53
• 3.4.1 群組通道管理49-50
• 3.4.2 SATA控制器50-53
• 3.4.3 讀寫訪問53
• 3.5 Marvell 88SM97051 轉5磁盤連接器53-54
• 3.5.1 端口倍增器Port Multiplier53-54
• 3.5.2 控制器與SATA磁盤通信54
• 3.6 本章小結54-57
• 第四章 存儲系統(tǒng)的軟件設計與文件系統(tǒng)實現(xiàn)57-73
• 4.1 虛擬文件系統(tǒng)VFS57-62
• 4.1.1 進程與文件訪問57-58
• 4.1.2 文件索引與塊緩存58-61
• 4.1.3 文件I/O和塊I/O61-62
• 4.2 網絡文件系統(tǒng)62-64
• 4.2.1 RPC遠程調用62-63
• 4.2.2 NFS系統(tǒng)調用實現(xiàn)63-64
• 4.3 磁盤文件系統(tǒng)64-68
• 4.3.1 元數(shù)據的訪問與修改65-66
• 4.3.2 文件的并行I/O訪問66-68
• 4.4 萬兆以太網68-70
• 4.4.1 萬兆以太網MAC68-69
• 4.4.2 萬兆以太網應用69-70
• 4.5 PCIe驅動設計70-72
• 4.5.1 并行Tx/Rx控制通道71
• 4.5.2 QorIQ與陣列控制器通信71-72
• 4.6 本章小結72-73
• 第五章 Linux系統(tǒng)移植與系統(tǒng)功能測試73-87
• 5.1 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境搭建73-76
• 5.1.1 軟件開發(fā)環(huán)境73-75
• 5.1.2 硬件開發(fā)環(huán)境75-76
• 5.2 Boot Loader啟動分析與移植76-77
• 5.2.1 Boot Loader啟動分析76-77
• 5.2.2 配置與編譯77
• 5.3 Linux內核配置與編譯77-81
• 5.3.1 Linux結構及塊設備驅動78-79
• 5.3.2 Linux配置與編譯79-81
• 5.4 系統(tǒng)測試81-85
• 5.4.1 系統(tǒng)功能驗證82-83
• 5.4.2 系統(tǒng)測試與分析83-85
• 5.5 本章小結85-87
• 第六章 總結與展望87-89
• 參考文獻89-93
• 致謝93-95
• 攻讀研究生期間發(fā)表過的論文95

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