發(fā)布時(shí)間：2018-06-08 19:49

  本文選題：高密度光存儲(chǔ)系統(tǒng) + 固態(tài)硬盤　； 參考：《華中科技大學(xué)》2013年博士論文

【摘要】：隨著社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步,信息技術(shù)的發(fā)展速度也越來越快,尤其是互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展和個(gè)人數(shù)碼產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用使得人們獲取信息的方式由最早的紙記筆錄方式發(fā)展到數(shù)年前的多媒體時(shí)代,再演變到現(xiàn)在每個(gè)人都是信息發(fā)布源的“自媒體”時(shí)代。信息的爆炸式增長也對(duì)信息的存儲(chǔ)造成了巨大的壓力,這種壓力來自兩方面,一是飛速增長的信息量對(duì)存儲(chǔ)容量的要求越來越高,二是數(shù)據(jù)本身的價(jià)值越來越高,甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過信息存儲(chǔ)媒介的價(jià)值,因此對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)可靠性的要求也越來越高。 隨著人們對(duì)大容量存儲(chǔ)系統(tǒng)的可靠性提出了新的要求,原有的各種編碼技術(shù)開始捉襟見肘。光盤和磁介質(zhì)硬盤中的里德·索羅門碼(Reed-Solomon Codes, RS)、單層單元固態(tài)硬盤中的循環(huán)檢驗(yàn)碼(Bose-Chaudhuri-Hocquenghem Codes, BCH)以及分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)中的糾刪碼均已經(jīng)到達(dá)或接近其極限,迫切需要一種新的編碼。低密度奇偶校驗(yàn)碼(Low-density Parity-check Codes, LDPC)雖然有著已知最接近香農(nóng)限的糾錯(cuò)能力,但因其編譯碼過程比較復(fù)雜,在其發(fā)現(xiàn)初期并未進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域。而隨著近年來半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展,人們已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)基于超大規(guī)模集成電路的LDPC碼編譯碼工作,因此繼實(shí)際應(yīng)用于通信領(lǐng)域后,LDPC碼必將在存儲(chǔ)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本文正是基于這種考慮,對(duì)LDPC碼在各種存儲(chǔ)環(huán)境下的應(yīng)用展開了前瞻性研究。 目前,光存儲(chǔ)系統(tǒng)雖然面臨硬盤存儲(chǔ)系統(tǒng)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)但仍然憑借自己批量復(fù)制成本極低、保存時(shí)間長達(dá)百年并且不存在誤刪除可能性的優(yōu)勢(shì),在存儲(chǔ)市場(chǎng)仍然占據(jù)著一席之地。由于新一代高密度光盤存儲(chǔ)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于DVD等早期低密度光存儲(chǔ)系統(tǒng),因此廣泛用于光盤的RS碼在將不能很好的滿足新一代高密度光盤的應(yīng)用；而隨機(jī)構(gòu)造型LDPC碼可以通過計(jì)算機(jī)篩選最優(yōu)的構(gòu)造矩陣,因此可以代替RS碼更好地為人們提供基于高密度光存儲(chǔ)系統(tǒng)的可靠存儲(chǔ)服務(wù),本論文首先對(duì)高密度光存儲(chǔ)中應(yīng)用隨機(jī)構(gòu)造LDPC碼的可行性及其實(shí)用性進(jìn)行了深入論證,說明隨機(jī)構(gòu)造的LDPC碼確實(shí)可以用于高密度光盤存儲(chǔ)系統(tǒng),并且能夠有效提高高密度光盤存儲(chǔ)系統(tǒng)的可靠性和有效存儲(chǔ)容量。 固態(tài)硬盤則是近年來迅速興起的新型硬盤,憑借其高速度、高IOPS以及完全抗震等傳統(tǒng)磁介質(zhì)硬盤無法實(shí)現(xiàn)的特性很快的占領(lǐng)了一部分商用存儲(chǔ)系統(tǒng)和個(gè)人存儲(chǔ)系統(tǒng)的市場(chǎng)。但是,由于固態(tài)硬盤存儲(chǔ)介質(zhì)自身的特點(diǎn),它存在著耐久度不高、讀寫不對(duì)稱等致命缺陷。代數(shù)結(jié)構(gòu)的非隨機(jī)構(gòu)造LDPC碼則因其編譯碼開銷較小,能提供極佳的糾錯(cuò)能力,大碼長的編譯碼,因此非常適合應(yīng)用于固態(tài)硬盤。本論文從構(gòu)造適合固態(tài)硬盤存儲(chǔ)系統(tǒng)的代數(shù)結(jié)構(gòu)非隨機(jī)LDPC碼的角度對(duì)固態(tài)硬盤存儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究,并得出可以通過縮短技術(shù)以犧牲一定碼率為代價(jià)構(gòu)造出適合固態(tài)硬盤存儲(chǔ)系統(tǒng)的合理構(gòu)造的準(zhǔn)循環(huán)LDPC碼以幫助提高固態(tài)硬盤的可靠性。此外,本文還針對(duì)固態(tài)硬盤存儲(chǔ)系統(tǒng)面臨的另一大挑戰(zhàn)——耐久度不高的問題,提出通過細(xì)粒度數(shù)據(jù)重構(gòu)的方式有效延長多級(jí)單元(Multi Level Cell, MLC)和三級(jí)單元(Trinary Level Cell, TLC)固態(tài)硬盤的使用壽命。 分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)是存儲(chǔ)系統(tǒng)發(fā)展史上的一大突破,它不僅將磁盤陣列(Redundant Array Of Independent Disks, RAID)的優(yōu)點(diǎn)——基于廉價(jià)桌面硬盤搭建高性能高可靠性的存儲(chǔ)系統(tǒng)——進(jìn)一步發(fā)揚(yáng)光大,還可以通過網(wǎng)絡(luò)將不同的存儲(chǔ)子系統(tǒng)相互連接,甚至可以搭建基于廣域網(wǎng)的高性能存儲(chǔ)系統(tǒng)。但是,以往對(duì)分布式存儲(chǔ)的研究主要集中于可靠性方面,對(duì)分布式存儲(chǔ)的效率和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的研究較少。相對(duì)于目前廣泛應(yīng)用于分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)中的水平糾刪碼和垂直糾刪碼,LDPC碼有著糾錯(cuò)能力更強(qiáng)并且譯碼工作是線性時(shí)間開銷等特點(diǎn),因此同樣非常適合成為新一代分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)的糾錯(cuò)碼。本文在對(duì)LDPC碼進(jìn)行深入研究后,將其應(yīng)用領(lǐng)域延伸至分布式存儲(chǔ)系統(tǒng),首先研究了適合分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)的LDPC碼分塊方法,隨后提出由于糾刪碼策略和復(fù)制策略的綜合成本不同,可以由分布式存儲(chǔ)子系統(tǒng)通過博弈的方法優(yōu)化存儲(chǔ)策略,并在通過博弈論的數(shù)學(xué)方法證明夏普里值的存在性后,給出了分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)LDPC碼糾刪策略和復(fù)制策略之間的納什均衡解。 綜上所述,本文系統(tǒng)地研究了LDPC碼應(yīng)用于存儲(chǔ)領(lǐng)域中的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),解決了LDPC碼在光存儲(chǔ)、固態(tài)硬盤存儲(chǔ)和分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)中的應(yīng)用難題,并取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展,進(jìn)一步擴(kuò)展了LDPC碼的應(yīng)用范圍。
[Abstract]:With the development and progress of the society, the development of information technology is becoming faster and faster. In particular, the rapid development of the Internet and the wide application of personal digital products make people get information from the earliest form of paper record to the multimedia times a few years ago. The explosive growth of information has also caused enormous pressure on the storage of information. This pressure comes from two aspects. One is that the rapid growth of information is becoming more and more demanding for storage capacity. The two is that the value of the data itself is higher and higher, even far more than the value of the information storage medium, so the storage system is reliable. The demand for sex is getting higher and higher.
As people put forward new requirements for the reliability of large capacity storage systems, the original coding techniques begin to be difficult. Reid Soromenma (Reed-Solomon Codes, RS) in disk and magnetic media hard disk, cyclic test code (Bose-Chaudhuri-Hocquenghem Codes, BCH) in single layer solid state hard disk and distributed storage system The erasure codes in the system have reached or close to their limits, and there is an urgent need for a new code. Low-density Parity-check Codes (LDPC) has the error correction ability known closest to Shannon limit, but its coding and decoding process is complex and has not entered the actual application field at the beginning of its occurrence. With the rapid development of semiconductor technology, LDPC code encoding and decoding based on large scale integrated circuits can be realized, so LDPC code will be widely used in the storage field after application in the field of communication. This paper is based on this consideration, the application of LDPC code in various storage environments is prospectively studied.
At present, although the optical storage system is facing the severe challenge of the hard disk storage system, it still has the advantage of saving time for a hundred years and does not have the possibility of deleting it, and still occupies a place in the storage market. The data density of the new generation of high-density optical disk storage system is far higher than DVD and so on. The early low density optical storage system, so the RS code widely used in optical disk will not satisfy the application of the new generation of high-density optical disk, while the mechanism modeling LDPC code can screen the optimal structure matrix by computer, so it can replace the RS code to provide people with the reliable storage service based on the high density optical storage system better. In this paper, the feasibility and practicability of the random construction of LDPC codes in high-density optical storage are discussed in this paper. It shows that the random structure of LDPC code can be used in the high density optical disk storage system and can effectively improve the reliability and effective storage capacity of the high-density optical disk storage system.
Solid-state hard disk is a new type of hard disk which has springing up rapidly in recent years. With its high speed, high IOPS and completely aseismic traditional magnetic medium hard disk can not realize the characteristics quickly occupy a part of the commercial storage system and personal storage system market. However, because of the characteristics of the solid hard disk storage medium itself, it has a durability. The non random structural LDPC code of algebraic structure is very suitable for application to solid state hard disk because of its low coding and decoding overhead, which can provide excellent error correction ability and large code length. Therefore, this paper is based on the construction of the solid hard disk storage system for the algebraic structure of the non random LDPC code. The storage system has been studied deeply, and the quasi cyclic LDPC code which is suitable for the solid state hard disk storage system can be constructed by shortening the technology at the cost of a certain bit rate to help improve the reliability of the solid disk. In addition, this paper also aims at another challenge facing the solid-state hard disk storage system - durability. The high problem is to prolong the service life of the Multi Level Cell (MLC) and the three stage unit (Trinary Level Cell, TLC) solid state hard disk by means of fine grained data reconfiguration.
Distributed storage system is a breakthrough in the history of storage system development. It not only makes the advantages of disk array (Redundant Array Of Independent Disks, RAID) - based on cheap desktop hard disk to build high performance and high reliability storage system - further development, and can also connect different storage subsystems to each other through the network. It can even build a high performance storage system based on wide area network. However, the previous research on distributed storage is mainly focused on reliability, and there are few studies on the efficiency and economic value of distributed storage. Compared with the horizontal erasure code and vertical erasure code widely used in distributed storage systems, LDPC codes have a correction. More error ability and decoding work are linear time overhead and so on, so it is also very suitable for a new generation of distributed storage system error correction code. After the in-depth study of LDPC code, this paper extends its application field to distributed storage system. First, the LDPC code block method suitable for distributed storage system is studied. Due to the different comprehensive cost of erasure code and replication strategy, the distributed storage subsystem can optimize the storage strategy by game method, and after proving the existence of SHARP in SHARP through game theory, the Nash equilibrium solution between the erasure strategy of the distributed storage system and the replication strategy is given.
To sum up, this paper systematically studies the key technologies used in the storage field of LDPC code, and solves the problem of application of LDPC code in optical storage, solid-state hard disk storage and distributed storage system. It has made substantial progress and further expanded the application model of LDPC code.
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：TP333

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本文編號(hào)：1996985