專利名稱：一種利用固態(tài)硬盤提高快照性能的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及存儲領(lǐng)域，具體地說是一種利用固態(tài)硬盤提高快照性能的方法。
背景技術(shù)：
固態(tài)硬盤(Solid State Disk ;簡稱SSD)由控制單元與存儲單元組成。存儲單元多采用非易失性的閃存(Flash)芯片，或者采用同步動態(tài)隨機(jī)存取存儲器(SynchronousDynamic Random Access Memory ;簡稱SDRAM)。SSD 不具有機(jī)械轉(zhuǎn)動裝置，具有很高的隨機(jī)讀寫性能。但造價(jià)很高，經(jīng)常用于高端存儲領(lǐng)域。快照一般是指關(guān)于指定數(shù)據(jù)集合的一個(gè)完全可用拷貝，該拷貝包括相應(yīng)數(shù)據(jù)在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)(例如拷貝開始的時(shí)間點(diǎn))的映像?？煺湛梢允撬硎镜臄?shù)據(jù)的一個(gè)副本或復(fù)制品。快照的作用是能夠進(jìn)行在線數(shù)據(jù)恢復(fù)，當(dāng)存儲設(shè)備發(fā)生應(yīng)用故障或者文件損壞時(shí)，可以利用快照進(jìn)行及時(shí)數(shù)據(jù)恢復(fù)，將數(shù)據(jù)恢復(fù)成快照產(chǎn)生時(shí)間點(diǎn)的狀態(tài)。快照實(shí)現(xiàn)的方法有很多種，例如即寫即拷、分割鏡像快照等。在Iinux中，基于LVM實(shí)現(xiàn)快照,采用的是copy on firest write (cow)機(jī)制,其中一個(gè)重要的概念就是例外。即快照映射關(guān)系，表明快照源上數(shù)據(jù)在建立快照之后修改過，改變之前的數(shù)據(jù)從快照源設(shè)備的某一個(gè)chunk已經(jīng)拷貝到或正在拷貝到快照上另一個(gè)chunk。為了體現(xiàn)這種映射關(guān)系，需要元數(shù)據(jù)來表示這種映射關(guān)系。元數(shù)據(jù)存放的設(shè)備也叫例外倉卷。當(dāng)對快照卷或源卷讀寫時(shí)，首先需要查找對應(yīng)元數(shù)據(jù)，查看該chunk是否已經(jīng)映射過，即創(chuàng)建好快照之后源卷數(shù)據(jù)是否已經(jīng)修改過，假如沒有的話還需再建立新的映射關(guān)系，創(chuàng)建新的元數(shù)據(jù)。如果刪除快照的話，還需要?jiǎng)h除對應(yīng)的元數(shù)據(jù)等。每個(gè)數(shù)據(jù)塊都必須進(jìn)行元數(shù)據(jù)操作。假如將元數(shù)據(jù)存放至硬盤中，對元數(shù)據(jù)的操作必將成為快照的性能瓶頸。假如將元數(shù)據(jù)存放至內(nèi)存中，雖然可以增加快照的性能，但一旦掉電之后，元數(shù)據(jù)就會丟失。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種利用固態(tài)硬盤提高快照性能的方法。本發(fā)明的目的是按以下方式實(shí)現(xiàn)的，該方法是利用固態(tài)硬盤高隨機(jī)讀寫性能，以固態(tài)硬盤作為快照的例外倉卷，將元數(shù)據(jù)和COW數(shù)據(jù)存儲在固態(tài)硬盤中，固態(tài)硬盤中元數(shù)據(jù)的組織方式，是將快照的元數(shù)據(jù)存儲在固態(tài)硬盤的最前端，將COW數(shù)據(jù)存儲在剩余區(qū)段，以提高快照對元數(shù)據(jù)的操作性能，系統(tǒng)包括快照模塊(I)、例外倉卷模塊(2)，具體步驟如下
(I)快照模塊
采用增量快照的方式，以固態(tài)硬盤作為例外倉卷，將固態(tài)硬盤分為元數(shù)據(jù)區(qū)和cow數(shù)據(jù)區(qū)，當(dāng)對源卷建立快照之后，初始化例外倉庫卷的元數(shù)據(jù)區(qū)，元數(shù)據(jù)的形式為oldchunk, new chunk, snap ID range,其中，old chunk 指向源卷中的塊，new chunk 指向快照卷對應(yīng)的塊，snapID range為快照ID的范圍，每個(gè)快照都有一個(gè)ID,snapID range用于表明元數(shù)據(jù)指定的塊是在哪個(gè)快照范圍之內(nèi)；
當(dāng)對源卷進(jìn)行寫時(shí)，首先查找元數(shù)據(jù)，假如沒有查找到話，說明是第一次修改快照源，需要將快照源的數(shù)據(jù)拷貝到COW設(shè)備上，假定快照源的數(shù)據(jù)所在的位置為舊chunk，完成上述過程需要以下三個(gè)步驟
1)在COW設(shè)備上查找用于保存數(shù)據(jù)的位置，記為新chunk;
2)將快照數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)保存到COW設(shè)備上新chunk處 ；
3)將例外信息old chunk, new chunk, snap ID range即所謂元數(shù)據(jù)保存至固態(tài)硬
盤；
如果查找到的話，說明在創(chuàng)建快照之后，源卷已經(jīng)更新過，源卷的數(shù)據(jù)已經(jīng)保存到COW設(shè)備中了，直接對源卷進(jìn)行寫操作；
當(dāng)對源卷進(jìn)行讀操作時(shí)，直接對源卷進(jìn)行讀操作即可；
當(dāng)對快照卷進(jìn)行寫操作時(shí)，首先查找元數(shù)據(jù)，如果沒有查找到的話，說明源卷該Chunk處的數(shù)據(jù)還沒有修改，需要將新數(shù)據(jù)寫到COW設(shè)備上，在COW設(shè)備上查找用于保存數(shù)據(jù)的位置，記為新chunk，再將元數(shù)據(jù)保存至固態(tài)硬盤上；
如果查找到的話，直接對查找到的new chunk寫操作即可；
當(dāng)對快照卷進(jìn)行讀操作時(shí)，首先查找元數(shù)據(jù)，如果沒有查找到的話，讀源卷的對應(yīng)chunk,如果查找到的話,讀快照倉卷的對應(yīng)chunk ；
(2)例外倉卷模塊
固態(tài)硬盤的第一個(gè)扇區(qū)作為超級塊，用于記錄元數(shù)據(jù)B+樹的根節(jié)點(diǎn)位置、B+樹的深度和位圖和根節(jié)點(diǎn)；
在固態(tài)硬盤的前一部分作為元數(shù)據(jù)存儲區(qū)，元數(shù)據(jù)以B+樹的形式組織，B+樹的葉子目錄項(xiàng)包含old chunk源卷中，new chunk快照倉卷中，這對映射屬于的snapshot ID范圍，B+樹的關(guān)鍵字Key由old chunk, snapshot ID range組成，在一個(gè)node中的最大目錄項(xiàng)號是有規(guī)定的，以至于一個(gè)node剛好填充一個(gè)塊；
內(nèi)部節(jié)點(diǎn)與葉子節(jié)點(diǎn)有相同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如果是內(nèi)部節(jié)點(diǎn)，new_chunk則代表指向從屬B+樹node的指針,如果是葉子節(jié)點(diǎn)，new_chunk就是要查找的數(shù)據(jù)內(nèi)容；
查找元數(shù)據(jù)B+樹時(shí)，從根節(jié)點(diǎn)開時(shí)查找，根據(jù)關(guān)鍵字key來比較，對節(jié)點(diǎn)內(nèi)的關(guān)鍵字序列進(jìn)行二分查找，直到達(dá)到葉子節(jié)點(diǎn)才能命中，內(nèi)部節(jié)點(diǎn)相當(dāng)于葉子節(jié)點(diǎn)的索引，葉子節(jié)點(diǎn)直接指向COW數(shù)據(jù)區(qū)；
固態(tài)硬盤沒有物理機(jī)械臂，隨機(jī)讀寫性能很高，COW數(shù)據(jù)在例外倉卷中直接以隨機(jī)的方式存儲與固態(tài)硬盤中，其中元數(shù)據(jù)的neW_Chunk用于保存COW數(shù)據(jù)所存的扇區(qū)號，當(dāng)在元數(shù)據(jù)區(qū)查找到new_chunk后,直接讀寫例外倉卷的改chunk位置；
例外倉卷空閑空間由位圖管理，位圖由一顆基樹指向，每個(gè)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)包含64位的指針，指向從屬節(jié)點(diǎn)，葉節(jié)點(diǎn)為位掩碼，每個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)包含單獨(dú)的位，I意味著已分配，O表示空閑，位圖的根節(jié)點(diǎn)位置存于超級塊中，深度由設(shè)備大小和chunk大小共同決定；
如果深度是0，則根位圖塊只包含單個(gè)的位，設(shè)備非常小，以至于I個(gè)塊用作位圖就足夠，如果深度是1，則根位圖塊是一組64位的指針，指向的塊用作單個(gè)位圖，如果深度是2，則是二級指針，以此類推；
位圖查找時(shí)，根據(jù)位圖塊號從根節(jié)點(diǎn)開始遍歷，遍歷時(shí)，由位圖塊號和深度求出每一層的索引，直到查找到葉子節(jié)點(diǎn)為止。本發(fā)明的有益效果是該方法是兼顧性能的考慮，利用固態(tài)硬盤來提高快照性能的方法。提到的兼顧性能的考慮，是因?yàn)槿绻云胀ㄓ脖P存儲快照數(shù)據(jù)，快照數(shù)據(jù)的操作會極大的降低快照的性能。利用固態(tài)硬盤來存儲快照數(shù)據(jù)，是利用固態(tài)硬盤的高隨機(jī)讀寫性能來提高快照數(shù)據(jù)操作的速率。本發(fā)明的一種將固態(tài)硬盤作為快照的例外倉庫存儲設(shè)備的方法，利用固態(tài)硬盤高隨機(jī)讀寫性能，提高快照對元數(shù)據(jù)的操作性能，而且掉電元數(shù)據(jù)不丟失，達(dá)到了高性能、高可用性快照的技術(shù)效果。



圖I是快照模塊結(jié)構(gòu) 圖2是元數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu) 圖3是位圖組織結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式參照說明書附圖對本發(fā)明的方法作以下詳細(xì)地說明。具體技術(shù)方案如下
IX 一種實(shí)現(xiàn)快照的方式，以固態(tài)硬盤作為快照的例外倉卷，將元數(shù)據(jù)和COW數(shù)據(jù)存儲在固態(tài)硬盤中；
2〉.固態(tài)硬盤中元數(shù)據(jù)的組織方式，將快照的元數(shù)據(jù)存儲在固態(tài)硬盤的最前端，將COW數(shù)據(jù)存儲在剩余區(qū)段；
(I)快照模塊
本例采用增量快照的方式，以固態(tài)硬盤作為例外倉卷，如圖I所示
將固態(tài)硬盤分為元數(shù)據(jù)區(qū)和■數(shù)據(jù)區(qū)，當(dāng)對源卷建立快照之后，初始化例外倉庫卷的元數(shù)據(jù)區(qū)。元數(shù)據(jù)的形式為(old chunk, new chunk, snap ID range), old chunk指向源卷中的塊，new chunk指向快照卷對應(yīng)的塊,snapID range為快照ID的范圍，每個(gè)快照都有一個(gè)ID, snapID range用于表明元數(shù)據(jù)指定的塊是在哪個(gè)快照范圍之內(nèi)；
當(dāng)對源卷進(jìn)行寫時(shí)，首先查找元數(shù)據(jù)，假如沒有查找到話，說明是第一次修改快照源，需要將快照源的數(shù)據(jù)拷貝到COW設(shè)備上，假定快照源的數(shù)據(jù)所在的位置為舊chunk，完成上述過程需要三個(gè)步驟；
1)在COW設(shè)備上查找用于保存數(shù)據(jù)的位置，記為新chunk;
2)將快照數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)保存到COW設(shè)備上新chunk處；
3)將例外信息(old chunk, new chunk, snapID range)即所謂元數(shù)據(jù)保存至固態(tài)硬
盤；
如果查找到的話，說明在創(chuàng)建快照之后，源卷已經(jīng)更新過，源卷的數(shù)據(jù)已經(jīng)保存到COW設(shè)備中了?？梢灾苯訉υ淳磉M(jìn)行寫；
當(dāng)對源卷進(jìn)行讀時(shí)，直接對源卷進(jìn)行讀即可；
當(dāng)對快照卷進(jìn)行寫操作時(shí)，首先查找元數(shù)據(jù)，如果沒有查找到的話，說明源卷該Chunk處的數(shù)據(jù)還沒有修改，需要將新數(shù)據(jù)寫到COW設(shè)備上。在COW設(shè)備上查找用于保存數(shù)據(jù)的位置，記為新chunk。再將元數(shù)據(jù)保存至固態(tài)硬盤上；
如果查找到的話，直接對查找到的new chunk寫即可；
當(dāng)對快照卷進(jìn)行讀操作時(shí)，首先查找元數(shù)據(jù)，如果沒有查找到的話，讀源卷的對應(yīng)chunk,如果查找到的話,讀快照倉卷的對應(yīng)chunk ；
(2)例外倉卷模塊
固態(tài)硬盤的第一個(gè)扇區(qū)作為超級塊，用于記錄元數(shù)據(jù)B+樹的根節(jié)點(diǎn)位置、B+樹的深度和位圖和根節(jié)點(diǎn)。
在固態(tài)硬盤的前一部分作為元數(shù)據(jù)存儲區(qū)，元數(shù)據(jù)以B+樹的形式組織。B+樹的葉子目錄項(xiàng)包含old chunk(源卷中),new chunk(快照倉卷中)，這對映射屬于的snapshot ID 范圍。B+樹的關(guān)鍵字(Key)由old chunk, snapshot ID range組成。在一個(gè)node中的最大目錄項(xiàng)號是有規(guī)定的，以至于一個(gè)node剛好填充一個(gè)塊。內(nèi)部節(jié)點(diǎn)與葉子節(jié)點(diǎn)有相同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。如果是內(nèi)部節(jié)點(diǎn)，new_chunk則代表指向從屬B+樹node的指針。如果是葉子節(jié)點(diǎn)，new_chunk就是要查找的數(shù)據(jù)內(nèi)容。如圖2所
/Jn ο查找元數(shù)據(jù)B+樹時(shí)，從根節(jié)點(diǎn)開時(shí)查找，根據(jù)關(guān)鍵字key來比較，對節(jié)點(diǎn)內(nèi)的關(guān)鍵字序列進(jìn)行二分查找，直到達(dá)到葉子節(jié)點(diǎn)才能命中，內(nèi)部節(jié)點(diǎn)相當(dāng)于葉子節(jié)點(diǎn)的索引。葉子節(jié)點(diǎn)直接指向COW數(shù)據(jù)區(qū)。固態(tài)硬盤沒有物理機(jī)械臂，隨機(jī)讀寫性能很高，COW數(shù)據(jù)在例外倉卷中直接以隨機(jī)的方式存儲與固態(tài)硬盤中，其中元數(shù)據(jù)的neW_Chunk用于保存COW數(shù)據(jù)所存的扇區(qū)號，當(dāng)在元數(shù)據(jù)區(qū)查找到new_chunk后,直接讀寫例外倉卷的改chunk位置。例外倉卷空閑空間由位圖管理。位圖由一顆基樹指向。每個(gè)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)包含64位的指針，指向從屬節(jié)點(diǎn)，葉節(jié)點(diǎn)為位掩碼。每個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)包含單獨(dú)的位，I意味著已分配，O表示空閑。位圖的根節(jié)點(diǎn)位置存于超級塊中，深度由設(shè)備大小和Chunk大小共同決定。如果深度是0，則根位圖塊只包含單個(gè)的位(設(shè)備非常小，以至于I個(gè)塊用作位圖就足夠)。如果深度是1，則根位圖塊是一組64位的指針，指向的塊用作單個(gè)位圖。如果深度是2，則是二級指針，以此類推。由圖3所示。位圖查找時(shí)，根據(jù)位圖塊號從根節(jié)點(diǎn)開始遍歷，遍歷時(shí)，由位圖塊號和深度求出每一層的索引，直到查找到葉子節(jié)點(diǎn)為止。除說明書所述的技術(shù)特征外，均為本專業(yè)技術(shù)人員的已知技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種利用固態(tài)硬盤提高快照性能的方法，其特征在于，該方法是利用固態(tài)硬盤高隨機(jī)讀寫性能，以固態(tài)硬盤作為快照的例外倉卷，將元數(shù)據(jù)和COW數(shù)據(jù)存儲在固態(tài)硬盤中，固態(tài)硬盤中元數(shù)據(jù)的組織方式，是將快照的元數(shù)據(jù)存儲在固態(tài)硬盤的最前端，將COW數(shù)據(jù)存儲在剩余區(qū)段，以提高快照對元數(shù)據(jù)的操作性能，系統(tǒng)包括快照模塊(I)、例外倉卷模塊(2)，具體步驟如下 (1)快照模塊 采用增量快照的方式，以固態(tài)硬盤作為例外倉卷，將固態(tài)硬盤分為元數(shù)據(jù)區(qū)和cow數(shù)據(jù)區(qū)，當(dāng)對源卷建立快照之后，初始化例外倉庫卷的元數(shù)據(jù)區(qū)，元數(shù)據(jù)的形式為oldchunk, new chunk, snap ID range,其中，old chunk 指向源卷中的塊，new chunk 指向快照卷對應(yīng)的塊，snapID range為快照ID的范圍，每個(gè)快照都有一個(gè)ID,snapID range用于表明元數(shù)據(jù)指定的塊是在哪個(gè)快照范圍之內(nèi)； 當(dāng)對源卷進(jìn)行寫時(shí)，首先查找元數(shù)據(jù)，假如沒有查找到話，說明是第一次修改快照源，需要將快照源的數(shù)據(jù)拷貝到COW設(shè)備上，假定快照源的數(shù)據(jù)所在的位置為舊chunk，完成上述過程需要以下三個(gè)步驟 1)在COW設(shè)備上查找用于保存數(shù)據(jù)的位置，記為新chunk; 2)將快照數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)保存到COW設(shè)備上新chunk處； 3)將例外信息oldchunk, new chunk, snapID range即所謂元數(shù)據(jù)保存至固態(tài)硬盤； 如果查找到的話，說明在創(chuàng)建快照之后，源卷已經(jīng)更新過，源卷的數(shù)據(jù)已經(jīng)保存到COW設(shè)備中了，直接對源卷進(jìn)行寫操作； 當(dāng)對源卷進(jìn)行讀操作時(shí)，直接對源卷進(jìn)行讀操作即可； 當(dāng)對快照卷進(jìn)行寫操作時(shí)，首先查找元數(shù)據(jù)，如果沒有查找到的話，說明源卷該chunk處的數(shù)據(jù)還沒有修改，需要將新數(shù)據(jù)寫到COW設(shè)備上，在COW設(shè)備上查找用于保存數(shù)據(jù)的位置，記為新chunk，再將元數(shù)據(jù)保存至固態(tài)硬盤上； 如果查找到的話，直接對查找到的new chunk寫操作即可； 當(dāng)對快照卷進(jìn)行讀操作時(shí)，首先查找元數(shù)據(jù)，如果沒有查找到的話，讀源卷的對應(yīng)chunk,如果查找到的話,讀快照倉卷的對應(yīng)chunk ； (2)例外倉卷模塊 固態(tài)硬盤的第一個(gè)扇區(qū)作為超級塊，用于記錄元數(shù)據(jù)B+樹的根節(jié)點(diǎn)位置、B+樹的深度和位圖和根節(jié)點(diǎn)； 在固態(tài)硬盤的前一部分作為元數(shù)據(jù)存儲區(qū)，元數(shù)據(jù)以B+樹的形式組織，B+樹的葉子目錄項(xiàng)包含old chunk源卷中，new chunk快照倉卷中，這對映射屬于的snapshot ID范圍，B+樹的關(guān)鍵字Key由old chunk, snapshot ID range組成，在一個(gè)node中的最大目錄項(xiàng)號是有規(guī)定的，以至于一個(gè)node剛好填充一個(gè)塊； 內(nèi)部節(jié)點(diǎn)與葉子節(jié)點(diǎn)有相同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如果是內(nèi)部節(jié)點(diǎn)，new_chunk則代表指向從屬B+樹node的指針,如果是葉子節(jié)點(diǎn)，new_chunk就是要查找的數(shù)據(jù)內(nèi)容； 查找元數(shù)據(jù)B+樹時(shí)，從根節(jié)點(diǎn)開時(shí)查找，根據(jù)關(guān)鍵字key來比較，對節(jié)點(diǎn)內(nèi)的關(guān)鍵字序列進(jìn)行二分查找，直到達(dá)到葉子節(jié)點(diǎn)才能命中，內(nèi)部節(jié)點(diǎn)相當(dāng)于葉子節(jié)點(diǎn)的索引，葉子節(jié)點(diǎn)直接指向COW數(shù)據(jù)區(qū)； 固態(tài)硬盤沒有物理機(jī)械臂，隨機(jī)讀寫性能很高，COW數(shù)據(jù)在例外倉卷中直接以隨機(jī)的方式存儲與固態(tài)硬盤中，其中元數(shù)據(jù)的neW_Chunk用于保存COW數(shù)據(jù)所存的扇區(qū)號，當(dāng)在元數(shù)據(jù)區(qū)查找到new_chunk后,直接讀寫例外倉卷的改chunk位置； 例外倉卷空閑空間由位圖管理，位圖由一顆基樹指向，每個(gè)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)包含64位的指針，指向從屬節(jié)點(diǎn)，葉節(jié)點(diǎn)為位掩碼，每個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)包含單獨(dú)的位，I意味著已分配，0表示空閑，位圖的根節(jié)點(diǎn)位置存于超級塊中，深度由設(shè)備大小和chunk大小共同決定； 如果深度是0，則根位圖塊只包含單個(gè)的位，設(shè)備非常小，以至于I個(gè)塊用作位圖就足夠，如果深度是1，則根位圖塊是一組64位的指針，指向的塊用作單個(gè)位圖，如果深度是2，則是二級指針，以此類推； 位圖查找時(shí)，根據(jù)位圖塊號從根節(jié)點(diǎn)開始遍歷，遍歷時(shí) ，由位圖塊號和深度求出每一層的索引，直到查找到葉子節(jié)點(diǎn)為止。
全文摘要
本發(fā)明提供一種利用固態(tài)硬盤提高快照性能的方法，該方法是兼顧性能的考慮，利用固態(tài)硬盤來提高快照性能的方法。提到的兼顧性能的考慮，是因?yàn)槿绻云胀ㄓ脖P存儲快照數(shù)據(jù)，快照數(shù)據(jù)的操作會極大的降低快照的性能。利用固態(tài)硬盤來存儲快照數(shù)據(jù)，是利用固態(tài)硬盤的高隨機(jī)讀寫性能來提高快照數(shù)據(jù)操作的速率。本發(fā)明的一種將固態(tài)硬盤作為快照的例外倉庫存儲設(shè)備的方法，利用固態(tài)硬盤高隨機(jī)讀寫性能，提高快照對元數(shù)據(jù)的操作性能，而且掉電元數(shù)據(jù)不丟失，達(dá)到了高性能、高可用性快照的技術(shù)效果。
文檔編號G06F12/02GK102968381SQ201210465199
公開日2013年3月13日 申請日期2012年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月19日
發(fā)明者王少鋒 申請人:浪潮電子信息產(chǎn)業(yè)股份有限公司