CN100550894C - 对n路共享存储系统中快闪副本的高效锁管理 - Google Patents

对n路共享存储系统中快闪副本的高效锁管理 Download PDF

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Abstract

存储控制装置可工作于存储控制器节点的网络中，其中该网络具有可运行以在I/O行为期间控制数据区域的锁定的所有者节点及可运行以请求锁、准许锁、请求释放锁和信号通知锁已被释放的消息传递部件。该装置包括I/O执行部件，其可运行以服从所述I/O执行部件对任何所述所有者存储控制器节点控制的锁协议的遵从性，对所述所有者存储控制器节点拥有的数据执行I/O操作。数据区域的任何快闪副本映象以与该数据区域一致的关系被维护，且I/O执行部件可运行以缓存前一个对于数据区域已与任何所述快闪副本映象处于一致关系中的肯定确认，并根据所述前一个肯定确认执行I/O行为。

Description

对N路共享存储系统中快闪副本的高效锁管理
技术领域
本发明涉及计算机存储控制器领域，尤其涉及提供快闪复制功能的N路共享存储系统中的高级功能存储控制器。
背景技术
在计算机存储系统的领域中，存在对已被描述为“高级功能”的不断增加的需求。这种功能超越了传统存储控制器系统中简单的I/O功能。高级功能在本领域中是公知的，它依赖于对元数据的控制，元数据用于保存关于存储在系统中的真实或“用户”数据的状态数据。使用高级功能时可用的操作使得各种行为能够被快速施加到数据的虚拟映象上，同时使真实数据可供用户应用使用。一种这样公知的高级功能是“快闪复制”。
在最高层次上，快闪复制是使得“某一数据”的第二映象可用的功能。这一功能有时称作实时复制或T0复制。第二映象的内容最初与原始的内容一致。第二映象被实现为“立即”可用。实际上，这意味着第二映象在比生成真正的、单独的物理副本所需的时间要少的多的时间内被实现为可用，这意味着可以在对使用应用的操作无不可接受的中断的情况下建立该第二映象。
一旦建立，第二副本可用于很多目的，包括进行备份，系统测试和数据采集。第一副本继续由初始使用的应用为其初始目的而使用。这与没有快闪复制情况下的备份形成对比，在没有快闪复制的情况下应用必须被关闭，并在该应用可再次重新启动之前进行备份。但找到应用足够闲置可被关闭的时间窗变得越来越困难。进行备份的成本也逐渐增加。但快闪复制的能力中存在允许在不停止业务的情况下进行备份的重大且逐渐增加的商业价值。
快闪复制实现通过将对第二映象(下文称为目标)的读I/O重定向到初始映象(下文称为源)(如果该区域未处于写操作下的话)来实现存在第二映象的假象。当一个区域已经处于(对源或对目标的)写操作下，则保持源和目标均拥有它们自己的数据副本的假象，调用挂起该写命令操作的进程，并且在该写操作还未生效的情况下，发出对源中所作用的区域的读，利用写操作将读出数据应用到目标中，然后(且只有所有步骤都成功时)释放所挂起的写操作。随后对该相同区域的写操作不需要再被挂起，因为目标已经具有它自己的数据副本。这种写时复制技术是公知的，其应用于许多环境中。
快闪复制的所有实现都依赖于一种数据结构，该数据结构控制上面讨论的判定，即关于将在目标处接收到的读命令发给源还是目标的判定，及关于是否必须挂起写操作以允许写时复制发生的判定。该数据结构主要跟踪从源复制到目标的数据区或数据粒度，这些数据区域或粒度与那些未复制的数据区域或粒度是不同的。
对这一数据结构(下文称为元数据)的维护是实现快闪复制背后的算法的关键。
在单个CPU复合体(可能具有SMP处理器)内实现快闪复制相对比较直接，这种实现通常在现代存储控制器中应用。多付出一点努力，便可能实现容错的快闪复制，以便(至少)两个CPU复合体能够访问元数据的副本。如果第一个CPU复合体故障，可以使用第二个继续工作，不会造成对目标映象的访问失败。
然而，单个CPU复合体的I/O能力是有限的。提高单个CPU复合体的以每秒I/O或带宽(MB/s)度量的能力具有有限限度，且其将最终对使用应用的性能产生约束。这种限度出现于快闪复制的许多实现中，但一个很好的例子是在存储控制器中。典型的存储控制器具有单个(或可能一个冗余对)CPU复合体，其支配该控制器的执行能力方面的限度。
可安装多个存储控制器。但分离的存储控制器不共享对元数据的访问，因此在对快闪副本映象的管理中不共同操作。将快闪副本限制在单个控制器系统的范围之内，则存储空间被分成段。源盘和目标盘二者必须在同一个存储控制器内进行管理。单个存储控制器盘空间可能会充满，而另一盘还有一些空闲空间，但是将源盘和目标盘分离开，将目标盘置于新的控制器的控制之下是不可能的。(这在新的快闪副本的情况下是尤其不幸的，在这种情况下移动目标是低成本的操作，因为它不具有与其相关的物理数据。)
而且，限制整体性能对于源/目标对是可能的，对单个控制器存储功能的限制增加了对存储环境的管理的复杂性。
通常，目前的存储控制系统并未试图解决这一问题。它们实现限于单个控制器的快闪复制技术，因此被该控制器的能力所限制。
一种允许多个控制器参与到共享快闪副本关系中的简单方法是指派一个控制器作为元数据的所有者，并使其他控制器向该控制器转发读和写请求。所有者控制器使用上面描述的算法处理I/O请求，就好象它们直接来自于它自己的附属宿主服务器，并完成每个I/O请求返回给发起控制器。
这种系统的主要缺点以及它没有被广泛使用的原因在于，转发每个I/O请求的负担太大了，甚至可能是整个系统范围成本的2倍，因而将近平分了系统性能的一半。
例如，已知，在分布式并行数据库系统的领域内，为了以一致关系维护数据的任何副本，使运用两相锁定协议的分布式锁定管理结构保持对数据的锁。然而，两相锁定通常是耗费时间的，而且为处理增加相当大的消息传递负担。同样，根据先有技术的未更改的两相锁定协议在具有更低级别的软件和硬件栈的系统中是不利的，这种系统诸如是具有分布式存储控制器的存储区域网络，在该系统中传递锁定控制消息的性能影响甚至比处于数据库控制级别时的更大。
因此，期望能够在快闪复制环境中获得分布式锁管理的优点，而同时引起最小的锁消息传递开销。
发明内容
因此，在第一方面，本发明提供一种可工作于存储控制器节点的网络中的存储控制装置，其中该网络具有可运行以在I/O行为期间控制数据区域的锁定的所有者存储控制器节点及可运行以传递至少一个请求锁、准许锁、请求释放锁及信号通知锁已被释放的消息的消息传递部件，该装置包括：I/O执行部件，其可运行以服从所述I/O执行部件对任何所述所有者存储控制器节点控制的锁协议的遵从性，对所述所有者存储控制器节点拥有的数据执行I/O操作；其中所述数据区域的任何快闪副本映象以与所述数据区域一致的关系被维护；以及其中所述I/O执行部件可运行以缓存前一个对于所述数据区域已与任何所述快闪副本映象处于一致关系中的肯定确认，并根据所述前一个肯定确认执行I/O行为。
优选地，所述I/O执行部件可运行以丢弃已缓存的肯定确认，并随后请求重新锁定。
优选地，通过有选择地丢弃已缓存的肯定确认，来管理缩减的缓存存储区域。
优选地，对于所述数据区域的肯定确认进一步包括任何对于邻近于所述数据区域的其他数据区域的肯定确认。
在第二方面，本发明提供一种存储控制器节点的网络中的存储控制方法，其中该网络具有可运行以在I/O行为期间控制数据区域的锁定的所有者存储控制器节点及可运行以传递至少一个消息，以请求锁、准许锁、请求释放锁及信号通知锁已被释放的消息传递部件，该方法包括步骤：服从对任何所述所有者存储控制器节点控制的锁协议的遵从性，对所述所有者存储控制器节点拥有的数据执行I/O操作；以与所述数据区域一致的关系维护所述数据区域的快闪副本；以及缓存前一个对于所述数据区域已与任何所述快闪副本映象处于一致关系中的肯定确认，并根据所述前一个肯定确认执行I/O行为。
优选地，该第二方面的方法进一步包括丢弃已缓存的肯定确认，并随后请求重新锁定的步骤。
优选地，该第二方面的方法进一步包括通过有选择地丢弃已缓存的肯定确认，来管理缩减的缓存存储区域。
优选地，对于所述数据区域的肯定确认进一步包括任何对于邻近于所述数据区域的其他数据区域的肯定确认。
在第三方面，本发明提供一种有形实现于计算机可读存储介质中的计算机程序产品，包括计算机程序代码手段，当其被加载到计算机系统中并在其上执行时，使具有可运行以在I/O行为期间控制数据区域的锁定的所有者存储控制器节点及可运行以传递至少一个消息，以请求锁、准许锁、请求释放锁及信号通知锁已被释放的消息传递部件的存储控制器节点的网络中的存储控制装置执行步骤：服从对任何所述所有者存储控制器节点控制的锁协议的遵从性，对所述所有者存储控制器节点拥有的数据执行I/O操作；以与所述数据区域一致的关系维护所述数据区域的快闪副本；以及缓存前一个对于所述数据区域已与任何所述快闪副本映象处于一致关系中的肯定确认，并根据所述前一个肯定确认执行I/O行为。
本发明的当前优选实施例使用修改的两相锁消息传递方案来协调n路系统中多个存储控制器(或节点)之间的行为。该消息传递协调系统中的节点之间的行为，但每个节点仍然负责执行它自己的I/O操作。每个节点具有缓存工具，以缓存其先前的锁请求的结果，以便它能够再使用这些结果中的某一个来避免查询数据区域的状态的必要性，如果该状态已经由已缓存的前一结果肯定指示的话。
附图说明
现在参照附图仅以举例的方式描述本发明的优选实施例，其中：
图1是流程图，其示出使用锁消息控制数据区域与数据的快闪副本映象之间的一致性的两相锁定方案的一个实施例；
图2示出根据本发明优选实施例的系统的系统部件；
图3示出本发明优选实施例的附加步骤。
具体实施方式
为了更好地理解本发明当前的优选实施例，有必要描述两相锁消息传递对n路存储系统中多个存储控制器(或节点)之间的协调行为的使用。
作为举例，考虑一个实现快闪复制的n路系统。假设每个节点都能访问由一组共同操作的n个节点管理的存储器。这些节点中的一个被指定为是涉及存储区域的所有I/O关系的元数据的所有者(102)。其他节点被指定为客户端。在当前最优的实施例中，这些客户端节点中的一个被进一步指定为备份所有者，维护元数据的副本，以便当所有者节点出现故障时提供继续的可用性。
考虑一个到达特定客户端节点(“C”)的主机I/O请求(104)。假设该主机I/O请求是对目标盘的读或写，或可能是对源盘的写。客户端C由挂起该I/O(106)而开始处理。然后，C向所有者节点O发送消息REQ(108)，询问该粒度是否已被复制。
在O接收到消息REQ时，它检查自己的元数据结构。如果O发现该区域已经被复制，则它以NACK消息回复(110)。如果O发现该区域还未被复制，则它在自己的元数据结构内为该区域放置一个依据适当元数据的锁记录，并以GNT消息回复(112)。锁记录对于确保刚接收到并准许的请求与其他在C的处理持续时可能到达的作用于相同元数据的请求之间的兼容性是所需的。关于如何对锁记录进行维护以及兼容性约束是什么的详情与好似该I/O请求是O本地接收到时的情况相同，并且对于本领域的技术人员来说是公知的。
在接收到NACK消息时，C释放初始I/O请求(114)。
在接收到GNT消息时，C通过执行快闪复制算法所需的数据传输而继续进行处理(116)。在目标读的情况下，这意味着执行对源盘的读。一段时间后，C将对该读请求处理完成(118)，并在对发出该初始I/O请求的主机系统完成该I/O请求的同时向O发送UNL消息(120)。
在接收到UNL消息时，O从其元数据表中移除锁记录(122)，并因此可能释放因该锁而挂起的其他I/O请求。在当前最优选的实施例中，O向C传递UNID消息(124)，允许C再使用与初始请求相关的资源。但是，这不是快闪复制算法本身要求的。
在(对目标或源盘)写的情况下，C必须执行写时复制(127)。在完成了写时复制的所有步骤，且初始写I/O请求仍然挂起时，C向O发出UNLC请求(126)。
在接收到UNLC消息时，O在元数据中将所作用的区域标记为已被复制(128)，移除锁记录(130)，向任何等待请求通知该区域现在已被复制(132)，然后向C发送UNLD消息(134)。
在接收到UNLD消息时，C释放挂起的在一段时间后将完成的写操作(136)，然后，C完成对主机的写操作(138)。
恢复路径对于满足盘I/O故障、或消息传递系统故障、或节点故障的情况的需要是所需的，但这些需求和实现是本领域中已知的。
以上的描述是从单个I/O和单个客户端C的观点来叙述的。但是，该方案在存在来自多个客户端节点的多个I/O，而O继续以相同算法处理所有请求的情况下怎样继续工作是很清楚的。
现在转到图2，其示出根据本发明当前优选实施例的装置，该装置实现于存储控制器网络中，该存储控制器网络包括所有者(202)、客户端(204)I/O执行部件、涉及在存储网络控制下的所持有的数据(208)的元数据(206)部分、数据(208)的副本(209)、以及通信装置。该装置包括所有权指派部件(210)，其向所有者(202)指派元数据的所有权；和锁管理部件(212)，其可在I/O行为期间在所述元数据(206)级别上控制锁定，以确保与任何副本(209)的一致性。该装置还包括在所有者(202)处的消息传递部件(214)，该消息传递部件(214)可用于在客户端(204)和所有者(202)之间传递一个或多个消息，以请求关于元数据状态的响应、准许一个锁、请求释放锁、以及信号通知锁已释放。客户端(204)可服从客户端(204)在任何拥有数据的元数据的所有者(202)控制的元数据级别上对锁定协议的遵从性，对该数据执行I/O操作。
上述的系统和方法能够在n路共享存储控制器网络中处理分布式锁管理，但是它们具有缺点，即在该系统中存在相当大的消息传递开销。这在包含相对较少控制器或存在相对较少活动的系统中不是难以承受的，但在诸如超大规模的存储区域网络的现代存储系统中，很可能具有许多控制器和相当高级的存储活动。在这样的环境中，避免不必要的消息传递开销将是非常有利的。
因此，为了提高系统的处理性能，在本发明的最优选实施例中，向每个客户端节点提供对记录上一次从所有者接收到的响应的信息进行维护的能力。具体地(在根据图3对图1的增加方面进行描述)，允许客户端节点C缓存它在图1的步骤114之后接收到一个NACK消息、或它自己在图1的步骤126和在步骤134之后发出并确认了一个UNLC/UNLD对的信息(308)。
如在图1的步骤104处那样接收到一个主机I/O请求(302)时，现在，客户端C使用修改的锁控制算法，如下所述。
C首先检查其已缓存的数据(303)，以查看其是否具有对所作用的区域已被复制的肯定指示。如果具有，则它继续I/O操作(304)，而不向O发送任何协议消息。
如果缓冲存储器不包含这样的肯定指示，则使用上述未修改过的协议。客户端C继续执行图1的步骤106和后续步骤。在步骤(303)处在缓冲存储器中发现这一信息，则NACK或UNLC/UNLD对的接收(306)使得要更新的信息的缓存(308)、以及随后作用于该区域的I/O能够继续进行(304)，而无需发出任何协议消息。
术语“悲观缓存”有时用来描述本发明的当前最优选实施例中所需的方案。这意味着客户端不必知道最新的所有者的元数据；客户端可能认为某个区域需要被复制，但被所有者(NACK)纠正以告知还未复制。但是，在所有者知道一个区域还未被复制时，客户端决不会认为该区域已被复制。
当前最优选实施例的锁缓存需要对客户端进行某些改变，以进行正确的操作。首先，在每次启动快闪副本关系(300a)时，必须初始化缓冲存储器(301)(以指示所有的区域必须被复制)。这可以多种方式来驱动，但从所有者到客户端的消息是最直接的实现。第二，每当客户端节点可能(或许是因为网络干扰)丢失了一个指示缓冲存储器已被重新初始化的消息(300b)时，客户端必须假设最坏的情况并重新初始化或重新生效其缓冲存储器。
对本领域的技术人员来说显而易见的，进一步的扩展和修改是可能的。例如，已缓存的数据是可丢弃的，因为它通常可从具有唯一真正最新副本的所有者节点恢复。这样，客户端具有的为缓存信息而分配的元数据空间要少于存储所有节点上保存的所有元数据所需的空间。然后，客户端可依赖于对于它们所处理的I/O的访问位置，以确保它们继续从对锁消息信息的缓存中受益。
在进一步扩展的实施例中，NACK消息(还有GNT或UNLD消息)可返回比REQ/GNT/UNLC/UNLD消息所返回的涉及正被直接处理的区域的信息要多的信息。关于也被清除了的邻近区域的信息可从所有者发送给客户端。
应该理解，上面描述的方法通常以运行在一个或多个处理器(未示出)上的软件来实现，且该软件可作为承载于任何诸如磁或光计算机盘的适当数据载体(未示出)上的计算机程序组件来提供。用于数据传输的信道同样可包括所有种类的存储介质以及信号承载介质，诸如有线或无线信号介质。
本发明可适于实现为用于计算机系统的计算机程序产品。这种实现可包括一系列计算机可读的指令，这些指令或者固定于有形介质上，诸如磁盘、CD-ROM、ROM、或硬盘的计算机可读介质，或可经由调制解调器或其他接口设备通过有形介质(包括但不限于光或模拟通信线路)或使用无线技术(包括但不限于微波、红外线或其他传输技术)的无形介质传输到计算机系统。该计算机可读指令序列实现前述的全部或部分功能。
本领域的技术人员将理解，这种计算机可读指令可以各种编程语言来编写，以用于多种计算机体系结构或操作系统。此外，可使用目前或未来的任何存储技术来存储这些指令，这些存储技术包括但不限于半导体、磁或光技术，或使用目前或未来的任何通信技术来传输这些指令，这些通信技术包括但不限于光、红外线或微波技术。设想这种计算机程序产品作为附有印刷或电子文档、预加载到计算机系统的例如系统ROM或固定盘的例如压缩打包软件的可移动介质来分布，或从服务器或电子公告板分布于例如互联网或万维网的网络之上。
应该理解，对于以上描述的实施例的各种修改，对于本领域的普通技术人员来说都是显而易见的。

Claims (6)

1.一种可工作于存储控制器节点的网络中的存储控制装置，其中该网络具有可运行以在I/O操作期间控制数据区域的锁定的所有者存储控制器节点及可运行以传递至少一个消息，以请求锁、准许锁、请求释放锁及信号通知锁已被释放的消息传递部件，该装置包括：
I/O执行部件，其可运行以服从所述I/O执行部件对任何所述所有者存储控制器节点控制的锁协议的遵从性，对所述所有者存储控制器节点拥有的数据执行I/O操作；
其中所述数据区域的任何快闪副本映象以与所述数据区域一致的关系被维护；以及
其中所述I/O执行部件可运行以缓存前一个对于所述数据区域已与任何所述快闪副本映象处于一致关系中的肯定确认，并根据所述前一个肯定确认执行I/O操作；
其中对于所述数据区域的肯定确认进一步包括任何对于邻近于所述数据区域的其他数据区域的肯定确认。
2.权利要求1的装置，其中所述I/O执行部件可运行以丢弃已缓存的肯定确认，并随后请求重新锁定。
3.权利要求2的装置，其中通过有选择地丢弃已缓存的肯定确认，来管理缩减的缓存存储区域。
4.一种存储控制器节点的网络中的存储控制方法，其中该网络具有可运行以在I/O操作期间控制数据区域的锁定的所有者存储控制器节点及可运行以传递至少一个消息，以请求锁、准许锁、请求释放锁及信号通知锁已被释放的消息传递部件，该方法包括步骤：
服从对任何所述所有者存储控制器节点控制的锁协议的遵从性，对所述所有者存储控制器节点拥有的数据执行I/O操作；
以与所述数据区域一致的关系维护所述数据区域的快闪副本；以及
缓存前一个对于所述数据区域已与任何所述快闪副本映象处于一致关系中的肯定确认，并根据所述前一个肯定确认执行I/O操作；
其中对于所述数据区域的肯定确认进一步包括任何对于邻近于所述数据区域的其他数据区域的肯定确认。
5.权利要求4的方法，进一步包括丢弃已缓存的肯定确认，并随后请求重新锁定的步骤。
6权利要求5的方法，进一步包括通过有选择地丢弃已缓存的肯定确认，来管理缩减的缓存存储区域。
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