磁盘阵列数据安全预警技术研究

摘 要： 高性能计算和数据中心存储规模的飞速增长造成对存储系统的容量和性能的巨大需求。磁盘阵列是目前应用最广泛的存储系统，是构成最大规模存储系统的基础设备。磁盘阵列采用多磁盘并行的方式扩展了存储系统容量，提高了存储系统性能，用冗余技术提高了存储系统高可用性。通过对磁盘阵列预警技术中传感技术、S.M.A.R.T技术及磁盘增长缺陷表的研究和分析，使用户能及时发现系统中可能存在的隐患，及时发现预警信息，及时进行相关保护，大幅降低了数据丢失的风险，提高了磁盘阵列存储系统的可靠性和可用性。

关键词： 磁盘阵列； 数据安全； 预警技术； 研究

中图分类号：TP399 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2013）10-04-02

0 引言

随着信息技术的快速发展，大量的数据通过计算机系统来存储，形成了数据在IT环境中的高度集中存储。由于需要处理的数据量不断增加，导致对存储系统的容量和性能的巨大需求。单位面积下可以存储更多的文件、视频、影视、图片及声音等数据，在很大程度上提高了信息和数据管理的自动化，提高了效率、降低了成本，但同时数据安全的风险性也在不断增强。由于设备故障、操作失误、环境变化、病毒感染、人为破坏、自然灾难等所造成的数据丢失可能会导致巨大的损失。越来越多的企业认识到存储设备安全的重要性，因而也越来越重视存储设备安全以及数据保护。

1 目前应用需求现状分析

目前采用得较多的存储设备是磁盘阵列，它能提升存储设备性能、扩充存储容量、提高存储可靠性。磁盘阵列采用冗余技术提高存储系统可靠性，当磁盘产生故障时，系统进入降级状态。传统的数据保护方法多是通过采用冗余技术以及各种数据备份来保证数据的可用性及可靠性，是在系统故障已经发生时进行数据的重建或者数据的恢复，备用磁盘需要反复执行输入/输出存取动作，从而导致系统性能降低和I/O资源浪费，并且由于其故障维护窗口容量较小，极易造成二次数据流失，也可能造成数据业务的中断。根据实际应用经验，使用时间相当、同批次磁盘中某一个磁盘一旦出现故障，其他磁盘也可能即将出现故障，极有可能由于其他成员盘再次产生故障而导致重建失败、阵列数据损毁的事故，因此，数据重建过程相对来说是比较危险的操作。如果能够事前根据存储设备的运行状态有效地预测系统的故障发生概率，在磁盘产生故障之前进行安全预警并采取相关的数据保护措施，不仅可以降低不必要的长期备份开销，缩小备份窗口，而且可以极大地减少数据丢失的风险。因此及时对磁盘阵列的运行情况进行预警，根据其运行、性能和健康状况，在系统即将产生故障之前进行数据保护、防患于未然是十分重要的。将安全预警技术引入存储系统中。能保证数据不丢失、系统尽快恢复运行。存储设备安全预警能够为数据存储提供最为基础的可用性保证，对提高存储系统可靠性和可维护性提供保障，最终保护存储系统数据安全[1]。

2 安全预警技术研究现状

对安全预警技术的研究是当前国内外比较重要的研究内容之一，这些研究有利于及时发现系统中可能存在的隐患，使用户及时发现预警信息，便于用户及时进行相关保护，避免不必要损失。当前安全预警技术研究方向可以分为以下两种。

⑴ 按磁盘检测技术来分，有各种传感技术、S.M.A.R.T技术、磁盘增长缺陷表等。

⑵ 按预警的用途来分，有用于交换机、远程预警监控等网络的，用于流媒体、网络电视等存储技术领域的，用于电脑装置、磁盘、磁盘阵列等存储设备[2]。

3 安全预警技术研究内容

3.1 传感技术

传感技术是从各种设备获取信息，并进行处理和识别的技术。可以利用感测传感技术感知硬盘受到外部作用力而跌落或碰撞的异常震动进行预警，可以利用温度传感技术感知硬盘工作环境温度变化进行预警，可以利用生物传感技术对硬盘及数据进行保护。利用各种传感技术可以对磁盘的物理故障进行提前预警，从而保护磁盘及存储的数据。

预测传感器技术是如何在硬盘装置中预警保护的？预测传感器由感测单元、信号处理与控制电路及预警电路组成。感测单元采用加速度感测芯片在极短时间内感知加速度并及时通知硬盘将磁头移到停靠区，该感测传感技术感测硬盘受到外部的作用力而产生运动时的加速度，并以模拟信号的形式输出感测信号到信号处理与控制电路。信号处理与控制电路可以将模拟信号转换成数字信号并输出到单稳态电路，输出触发信号。若硬盘装置发生异常，则输出控制信号至硬盘以停止读/写操作。硬盘自带电路发出停止数据读/写指令，从而使得硬盘的磁头拉离盘片表面，回归初始位置并停止读/写，避免磁头撞击盘片造成硬盘损坏而导致数据丢失。硬盘受到外部作用力而跌落，处于自由运动状态时，或者因碰撞而处于非自由落体的异常震动状态时，预警电路接收信号处理与控制电路输出的控制信号并发出预警信息。可以对预警电路的预警级别进行区别，即在非正常操作时，如偶然碰撞但未使硬盘跌落或翻转，硬盘可发出轻度预警提示，可以不停止硬盘的读写/操作；而当硬盘受到外部猛烈的撞击，会进一步损坏硬盘时，则启动严重预警信息，并同时启动控制电路以停止硬盘工作[3]。

3.2 S.M.A.R.T技术

S.M.A.R.T技术（Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology），即自我监测、分析及报告技术。支持S.M.A.R.T技术的硬盘可以通过硬盘上的监测指令和主机上的监测软件对磁头、盘片、电动机、电路的运行情况、历史记录及预设的安全值进行分析比较。当出现安全值范围以外的情况时，就会自动向用户发出警告[4]。

S.M.A.R.T技术可以在安全预警中建立稳定的存储机制。一般计算机设备包含磁盘和磁盘冗余控制单元，用具有S.M.A.R.T技术的磁盘监测工具监测磁盘的工作情况。当磁盘监测工具检测到磁盘工作信息出现异常情况时，触发磁盘冗余阵列控制单元运行，并将磁盘阵列中可能发生损坏的磁盘所存放的数据映射到动态备份磁盘，当磁盘完成映射式磁盘冗余阵列数据备份后接管可能有故障磁盘的工作，保护写入磁盘和磁盘存放的数据不受损毁[5]。

3.3 磁盘增长缺陷表

在硬盘驱动器中，使用增长的缺陷列表（G-list）作为使用过程中用户数据区的缺陷调整。具体策略是：用保留区的扇区来替代缺陷扇区。

在具有磁盘增长的缺陷列表磁盘阵列预警系统中，磁盘阵列卡和多个硬盘等必备的存储设备还包括能够收集、保存、分析磁盘增长缺陷数据的监测单元，并且连接在磁盘阵列卡与硬盘接口之间的总线上，根据分析结果给出预警信息。监测单元的数据采集单元用于采集磁盘阵列预警数据，并将采集的数据存储到数据存储单元中。磁盘阵列硬盘的增长缺陷数据以日志文件的格式进行存储。需要对这些存储的磁盘阵列预警数据进行比较分析，以便发现磁盘阵列预警数据中潜在的故障，并在磁盘阵列预警数据达到预警水平中的一个或多个时，发出预警信息提示用户。当其中一块磁盘的增长缺陷表数量达到设定的范围或在一个时间段内，增长缺陷表数量增长数达到设定的范围。报警单元在接收到预警信息后，向计算机发出报警信息，告知用户[6]。

4 结束语

由于磁盘阵列具有容量大、数据存取速度快、安全性高等特点，磁盘阵列技术得到了广泛的运用。磁盘阵列预警技术有利于及时发现存储系统中可能出现的故障及隐患，提前获得故障预警信息并及时修复，便于用户及时进行相关的数据信息保护，保护用户的数据安全，避免数据损毁，提高磁盘阵列的健壮性。

今后随着安全预警技术的发展，应从全局的角度提出一种对磁盘内盘片、磁盘阵列内的磁盘、磁盘阵列间的磁盘进行全面检测的技术。充分利用多种磁盘检测技术，在存储系统中建立故障信息收集模块，从而获取故障预警信息，并进行相关的数据信息保护，有效缩短存储系统故障维护时间，提前预警、及时修复、提高存储系统可靠性、增强存储系统的安全性。

参考文献：

[1] 曹强，黄建忠，万继光，谢长生.海量万络存储系统远离与设计[M].华中科技大学出版社，2010.

[2] 许静.多级存储技术及光盘库在实际工程中的应用探讨[J].智能建筑电气技术，2011.3.

[3] 刘军平.磁盘存储系统可靠性技术研究[D].华中科技大学，2011.

[4] 胡维.基于智能预警和自修复的高可靠磁盘阵列关键技术研究[D].国防科学技术大学，2010.

[5] 黄迅，刘晨.一种计算机RAID阵列预警系统及方法：China，CN200610094289.3.[P]，2006.

[6] David P Helmbold，E Long D D，Sherrod B.A dynamic disk spindown technique for mobile computing[J].Computing and Networking，1996：130-142