CN101169705A - 多硬盘下基于裸文件系统实现文件级镜像的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多硬盘环境下基于裸文件系统实现文件级镜像的方法及装置,该方法包括:初始化步骤,用于格式化多个硬盘,使所述多个硬盘满足文件级镜像所需的硬盘布局要求,并同步所述多个硬盘的系统区信息;写操作步骤,用于在执行写操作时,同时将用户数据在所述多个硬盘上发起写操作,并在写操作完成后更新所述系统区中的写指针;读操作步骤,用于在执行读操作时,根据所述系统区中记录的信息确定数据有效的硬盘并返回该数据有效的硬盘上的数据,并在读操作完成后更新所述系统区中的读指针。本发明实现简单管理有效,适合在嵌入式系统中对数据可靠性要求高的某类数据的存取。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于多硬盘环境下提高存取用户数据可靠性的方法,尤其涉及的是一种基于裸文件系统(RawFs)实现特定用户数据可靠存取的方法及装置。
背景技术
当今信息技术飞速发展,使得我们处在一个信息爆炸的年代,对数据可靠性的要求也越来越高。数据是企业最重要的资产,如果企业数据丢失,业务的开展将变得及其困难,更为重要的是,企业将失去客户的信任以及一系列的企业赖以生存发展的市场。
目前,从软件和硬件上提出了多种方法来尽可能实现数据可靠的存取。
从软件上提出了可靠文件系统的概念。这些文件系统能够保证在断电或者机器异常重启的情况下文件系统的系统数据不受破坏,用户数据恢复到机器异常重启前的最后一个有效状态。并且可靠文件系统对硬件没有特殊要求,节省硬件成本。但可靠文件系统是依赖于硬盘可靠性的,如果硬盘发生故障,则硬盘中的用户数据无法再恢复。对于话单等重要数据,这种无硬件备份导致的后果是无法接受的。
从硬件上保证数据可靠存取并且使用比较广泛的是独立磁盘冗余阵列(RAID)技术。RAID1提供了硬盘镜像技术,是RAID技术中最传统的一种形式,它最重要的优点是百分之百的数据冗余。RAID 1通过简单地将一个盘上的所有数据拷贝到第二个盘上来保证数据的可靠性。还有RAID3、RAID4和RAID5技术通过保存校验信息的方法也可以保证数据的可靠存储,达到了在某个硬盘损坏的情况下恢复其数据的效果。但使用硬件RAID技术需要专门的RAID控制器,这种方式无疑会大大增加产品的硬件成本,降低产品的竞争力。
因此需要一种方法,在对硬件设备没有特殊要求的情况下,从软件上保证用户数据的可靠存取。Linux操作系统中提出了软RAID的方法,从软件上来管理多个硬盘,对上层用户提供硬RAID相同的功能。但这种方式实现复杂,不适用于在嵌入式操作系统中使用。
在嵌入式系统长期工作中,硬盘可能由于长时间处于通电状态导致短暂的故障,在没有人工干预的情况下可以自动恢复正常工作状态,这就需要在硬盘恢复正常后能够继续使用该硬盘作为镜像硬盘。但上面所述的软RAID方式,每次在硬盘故障后都要人工干预来恢复其工作。
在嵌入式操作系统中,并不会存在大量使用磁盘的操作,只有一些特殊的数据在某段时间内需要大量读写磁盘,并且对存储设备的可靠性要求很高,比如话单文件。因此可以针对这种特殊数据提供一种实现简单并且可靠的存取方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在多硬盘环境下基于RawFs实现文件级镜像的方法及在装置。适用于不需要复杂的文件系统来维护的特殊数据,在硬盘故障恢复后能够重新同步多个硬盘的系统区,不需要用户干预自动进入正常的文件级镜像的工作状态。
为达到上述目的,本发明提供的多硬盘环境下基于RawFs实现文件级镜像的方法,包括:
初始化步骤,用于格式化多个硬盘,使所述多个硬盘满足文件级镜像所需的硬盘布局要求,并同步所述多个硬盘的系统区信息;
写操作步骤,用于在执行写操作时,同时将用户数据在所述多个硬盘上发起写操作,并在写操作完成后更新所述系统区中的写指针;
读操作步骤,用于在执行读操作时,根据所述系统区中记录的信息确定数据有效的硬盘并返回该数据有效的硬盘上的数据,并在读操作完成后更新所述系统区中的读指针。
上述实现文件级镜像的方法,所述初始化步骤进一步包括:选定主盘的步骤,用于在所述多个硬盘中选定一个硬盘作为主盘,其他硬盘作为从盘;在所述读操作步骤中,如果确定多个硬盘中的数据都有效,优先返回所述主盘上的数据。
上述实现文件级镜像的方法,所述初始化步骤中格式化后的硬盘布局包括系统区和数据区;所述系统区在所述硬盘首部和尾部各一个,且所述首尾两个系统区互为备份,在更新时要同时更新;所述数据区用于保存用户数据,该数据区被划分为多个固定大小的记录区,每个记录区对应一次读写的空间。
上述实现文件级镜像的方法,所述系统区保存读写操作使用的控制结构,所述控制结构的布局包括:幻数、标志符、记录大小、时间戳、读指针、写指针、同步区域控制结构和无法使用的数据空间;所述幻数保存固定的数值,用于表示该硬盘已经格式化;所述标志符用于表示当前使用的多个硬盘是否互为备份;所述记录大小表示每次用户读写数据的基本单位;所述时间戳表示最后一次读写硬盘的时间;同步区域控制结构表示本硬盘上一段数据无效的用户区域;所述无法使用的数据空间表示硬盘上由于存在坏扇区而导致无法读写的用户区域。
上述实现文件级镜像的方法,所述标志符相等的硬盘作为镜像硬盘互为备份,该标志符的值在硬盘格式化时固定;当互为镜像的硬盘中的一个硬盘发生故障重新初始化该故障硬盘时,需要自动同步该故障硬盘与互为镜像的硬盘上系统区的信息。
上述实现文件级镜像的方法,所述读指针指向一个写入时间最早但还没有被用户读取的记录,每次读完之后向后移动一个记录,所述写指针指向最后一次写的记录;当所述读指针追上所述写指针时表示硬盘上没有用户数据,当所述写指针追上所述读指针时表示硬盘上没有剩余空间保存用户数据。
上述实现文件级镜像的方法,所述同步区域控制结构由多个(SynBgn,SynEnd)结构组成,所述(SynBgn,SynEnd)结构表示记录号SynBgn到记录号SynEnd这段空间中是无效的用户数据,当用户读取数据时,如果所述读指针指向的位置在所述同步区域内,则会从另一块硬盘上获取有效数据,如果所述读指针在另一块硬盘上也处于同步区域,则读指针会后移直至找到一个有效的数据区。
上述实现文件级镜像的方法,所述无法使用的数据空间由多个(InvBgn,InvEnd)结构组成,所述(InvBgn,InvEnd)结构表示记录号InvBgn到记录号SynEnd这段空间的扇区不可使用,当读写到这段区域时读写指针会自动跳过该区域。
进一步的,本发明还提供了一种采用上述多硬盘环境下基于裸文件系统实现文件级镜像方法的装置,包括:
初始化模块,用于格式化多个硬盘,使所述多个硬盘满足文件级镜像所需的硬盘布局要求,并同步所述多个硬盘系统区的信息;
写操作执行模块,用于在执行写操作时,同时将用户数据在所述多个硬盘上发起写操作,并在写操作完成后更新所述系统区中的写指针;
读操作执行模块,用于在执行读操作时,根据所述系统区中记录的信息确定数据有效的硬盘并返回有效硬盘上的数据,并在读操作完成后更行所述系统区中的读指针。
上述文件级镜像管理装置,所述格式化后的硬盘布局包括系统区和数据区;所述系统区在所述硬盘首部和尾部各一个,该两个系统区互为备份使用,所述系统区保存读写操作使用的控制结构,该控制结构的布局包括:幻数、标志符、记录大小、时间戳、读指针、写指针、同步区域控制结构和无法使用的数据空间;所述数据区用于保存用户数据,该数据区被划分为多个固定大小的记录区,每个记录区对应一次读写的空间。
与现有技术相比,本发明使用纯软件的方式实现用户数据的可靠存取,在用户写数据的时候可以在多个可用硬盘上保存数据,在用户读数据的时候可以在多个可用硬盘中选择读取一块有效数据返回给用户,在硬盘故障恢复后能够重新同步多个硬盘的系统区,不需要用户干预。
本发明提供的基于RawFs的文件级镜像方法,适用于话单等特殊数据,这类数据不需要复杂的文件系统来维护,对于上层用户来说只要把写入的数据都能可靠的取出;并且这类数据每次读写的大小固定,不需要文件系统使用文件分配表(FAT)之类的控制信息来维护硬盘空间,可以在系统初始化的时候为每个数据单元划分好存储区由于假定每次读写的单元大小是固定的,因此实现简单,并且管理有效,比较适合在嵌入式系统中对数据可靠性要求高的某类数据的存取。
附图说明
图1是本发明实施例双硬盘下基于裸文件系统实现文件级镜像的方法流程图;
图2是硬盘上划分的所有区域分布的实例图;
图3是硬盘上系统区结构的示意图;
图4是文件级镜像初始化流程图;
图5是两个硬盘系统区同步前的状态示意图;
图6是两个硬盘系统区同步后的状态示意图;
图7是本发明多硬盘下基于裸文件系统实现文件级镜像的装置示意框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述,以更进一步了解本发明之目的、方案及功效,但并非作为本发明所附权利要求保护范围的限制。
图1为本发明实施例双硬盘下基于裸文件系统实现文件级镜像的方法流程图;如图1所示,包括以下步骤:
步骤S10:对两个硬盘进行格式化,同步两个硬盘的系统区信息并设置主盘;
步骤S20:在执行写操作的时,同时将用户数据在两个硬盘上发起写操作,在写操作完成后更新系统区中的写指针;
步骤S30:在执行读操作的时,根据系统区中记录的信息确定数据有效的硬盘,并返回数据有效的硬盘上的数据;如果两个硬盘上的数据都有效则返回主盘上的数据,在读操作完成后更新系统区中的读指针。
参考图2~图6,以双硬盘环境为例进一步说明本发明的具体实施方式:
本发明多硬盘环境下基于裸文件系统实现文件级镜像的方法,包括以下基本处理流程:格式化硬盘流程,文件级镜像的初始化流程,读写用户数据流程。
其中,格式化硬盘流程,用于格式化硬盘以满足文件级镜像方法所需的硬盘布局要求。硬盘格式化之后布局如图2所示,分为系统区和数据区两部分。其中系统区在硬盘首部和尾部各有一个,可以互为备份,在更新的时候要同时更新。数据区用于保存用户数据,由于格式化时就可以确定每次读写的用户数据大小,因此可以在格式化的时把用户数据区划分成一个一个记录区,每个记录就对应一次读写的空间。系统区保存了读写操作使用的控制结构,其布局如图3所示。其中,Magic Number(幻数)保存了固定的数值,表示该硬盘已经格式化过,可以被文件级镜像方法使用。标志符用来表示当前使用的两个硬盘是否互为备份的,每次格式化硬盘的时候该值就被固定,只有标志符相等的两个硬盘才能作为镜像硬盘使用,如果不一致则要用户选择其中的一块作为从盘使用,并重新格式化该从盘。记录大小表示每次用户读写数据的基本单位。时间戳表示最后一次读写硬盘的时间,可以通过时间戳在两个硬盘中选择一个作为主盘。读指针指向一个写入时间最早的但还没有被用户读取的记录,每次读完之后就向后移动一个记录大小的距离。写指针指向最后一次写的记录的后面一个位置。当读指针追上写指针时表示硬盘上没有用户数据了,当写指针追上读指针时表示硬盘上没有剩余空间来保存用户数据了。同步区域控制结构是用来表示本硬盘上一段数据无效的用户区域,由多个(SynBgn,SynEnd)结构组成,(SynBgn,SynEnd)结构表示记录号SynBgn到记录号SynEnd这段空间中是无效的用户数据。当用户读取数据时,如果读指针指向的位置在同步区域内,则会从另一块硬盘上获取有效数据,如果读指针在另一块硬盘上也处于同步区域的话,则读指针会后移直到找到一个有效的数据区。无法使用的数据空间是用来表示硬盘上由于存在坏扇区而导致无法读写的用户区域,其结构与同步区域控制结构类似,也是由多个(InvBgn,InvEnd)结构组成,(InvBgn,InvEnd)结构表示记录号InvBgn到记录号SynEnd这段空间的扇区不可使用,当读写到这段区域时读写指针会自动跳过该区域。
经过硬盘格式化之后,文件级镜像方法就可以在格式化的硬盘上使用。
在嵌入式系统初始化时,需要执行文件级镜像初始化流程。如图4所示,包括以下步骤:
步骤S401:检查两个硬盘上的Magic Number和标志符,确认这两个硬盘已经格式化过,并且这两个硬盘是互为镜像使用的。
步骤S402:需要选定一个硬盘作为主盘,以便在读取数据的时候决定优先从哪个硬盘中读取。时间戳中记录了硬盘最后一次访问的时间,时间戳大的硬盘表示其数据是最新读写过的,可以选择该硬盘作为主盘。
步骤S403:同步两个硬盘中系统区内容。由于系统在前一次运行过程中,硬盘可能发生故障导致两个硬盘上系统区的状态不一致,当系统重新初始化时,硬盘有可能恢复正常运行,为了重新把两个硬盘作为镜像使用,需要自动同步两块硬盘上系统区的信息。
图5和图6分别表示同步前和同步后两个硬盘数据区的示意图,其中硬盘2在初始化时被选择作为主盘。如图5所示,由于硬盘1在上次运行过程中发生故障,导致其读写指针和硬盘2的不一致。图5中R1和R2之间范围内的数据用户已经读取过,简单情况下只要把硬盘1中的R1指针移动到硬盘2中的R2位置。但由于硬盘2中有一个同步区域,表示其中的数据是无效的,在上次用户发起读取操作的时候由于硬盘1已损坏,其中的数据无法读出,所以直接跳过这段区域把记录b中的数据返回给用户。现在硬盘1已经恢复正常,其中的重要数据应该尽量返回给用户,因此把硬盘1中的R1和硬盘2中的R2指针都移动到硬盘2的同步区域前,这样下次用户发起读取操作的时候就可以把硬盘1中的有效数据返回。图5中记录b是已经读取过的数据,如果仅仅把读指针放在硬盘2的同步区域前,则会把记录b中的数据重新返回给上层用户,这对于话单数据来说就等于计算了两次费用,应该杜绝这种情况,因此需要把硬盘1和硬盘2中记录b设为同步区域,表示这两个硬盘中这段区域都是无效的,在读取数据的时候就会直接越过这段区域。读指针修改后的位置如图6所示,保证没有读取过的数据不丢弃,已经读取过的数据不会多次读取。写指针同步相对简单,只要把硬盘1中的W1指针移动到硬盘2中的W2位置,并且把硬盘1上W1和W2之间的区域设为同步区域,因为硬盘1中这段区域没有写上层用户数据,写指针同步后如图6所示。这个同步过程只需要修改系统区中的几个数据,比起软RAID方式中同步所有硬盘上的数据来同步量少,适合于嵌入式系统中使用。
文件级镜像初始化流程之后就进入读写用户数据流程。
写数据流程相对简单,在用户发起写操作时同时在两块硬盘上写入用户数据,写完之后在系统区中更新写指针。如果由于扇区损坏导致写盘失败,则把这段区域标志为无法使用的数据空间,在系统区记录下来,把写指针跳过这段区域后继续写用户数据。以后发起读写操作的时候就会自动跳过这段区域,避免由于存在一两个坏扇区影响整块硬盘使用的情况。每次写操作结束之后需要更新时间戳。
读数据时不会同时从多个硬盘中读取,而是优先读取主盘上的有效数据。如果主盘上读指针指向的是一个同步区域,则从从盘中读取数据。如果主盘和从盘上都是同步区域,则把读指针向后移动,只到找到最近一个有效区域位置。读取成功之后更新主盘和从盘的读指针,使其指向下一个记录。读操作之后也需要更新时间戳,表示该硬盘最后一次被操作的时间。
参考图7,本发明还提供了一种采用上述方法的装置70,包括初始化模块701,用于格式化多个硬盘,使所述多个硬盘满足文件级镜像所需的硬盘布局要求,并同步所述多个硬盘系统区的信息;写操作执行模块702,用于在执行写操作时,同时在所述多个硬盘上发起写操作,并在写操作完成后更新所述系统区中的写指针;读操作执行模块703,用于在执行读操作时,根据所述系统区中记录的信息确定数据有效的硬盘并返回有效硬盘上的数据,并在读操作完成后更行所述系统区中的读指针。
综上看出,只要不是所有的镜像盘都发生故障,用户发起的读写操作都能够成功执行。并且在硬盘故障恢复后,能够自动同步系统区,恢复系统的文件级镜像功能。本发明使用了基于裸文件系统实现文件级镜像的方法,不需要增加硬件成本,实现简单,并且当硬盘故障恢复后能够在没有人为干预的情况下自动恢复硬盘镜像功能,适合于在嵌入式系统中对某类数据存储可靠性要求高的场合使用。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上,然其并非用以限定本发明, 在不背离本发明精神及其实质的情况下,熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形,但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种多硬盘环境下基于裸文件系统实现文件级镜像的方法,其特征在于,包括:
初始化步骤,用于格式化多个硬盘,使所述多个硬盘满足文件级镜像所需的硬盘布局要求,并同步所述多个硬盘的系统区信息;
写操作步骤,用于在执行写操作时,同时将用户数据在所述多个硬盘上发起写操作,并在写操作完成后更新所述系统区中的写指针;
读操作步骤,用于在执行读操作时,根据所述系统区中记录的信息确定数据有效的硬盘并返回该数据有效的硬盘上的数据,并在读操作完成后更新所述系统区中的读指针。
2.根据权利要求1所述的实现文件级镜像的方法,其特征在于,所述初始化步骤进一步包括:选定主盘的步骤,用于在所述多个硬盘中选定一个硬盘作为主盘,其他硬盘作为从盘;在所述读操作步骤中,如果确定多个硬盘中的数据都有效,优先返回所述主盘上的数据。
3.根据权利要求1所述的实现文件级镜像的方法,其特征在于,所述初始化步骤中格式化后的硬盘布局包括系统区和数据区;所述系统区在所述硬盘首部和尾部各一个,所述首尾两个系统区互为备份,且在更新时要同时更新;所述数据区用于保存用户数据,该数据区被划分为多个固定大小的记录区,每个记录区对应一次读写的空间。
4.根据权利要求3所述的实现文件级镜像的方法,其特征在于,所述系统区保存读写操作使用的控制结构,所述控制结构的布局包括:幻数、标志符、记录大小、时间戳、读指针、写指针、同步区域控制结构和无法使用的数据空间;所述幻数保存固定的数值,用于表示该硬盘已经格式化;所述标志符用于表示当前使用的多个硬盘是否互为备份;所述记录大小表示每次用户读写数据的基本单位;所述时间戳表示最后一次读写硬盘的时间;同步区域控制结构表示本硬盘上一段数据无效的用户区域;所述无法使用的数据空间表示硬盘上由于存在坏扇区而导致无法读写的用户区域。
5.根据权利要求4所述的实现文件级镜像的方法,其特征在于,所述标志符相等的硬盘作为镜像硬盘互为备份,该标志符的值在硬盘格式化时固定;当互为镜像的硬盘中的一个硬盘发生故障重新初始化该故障硬盘时,需要自动同步该故障硬盘与互为镜像的硬盘上系统区的信息。
6.根据权利要求4所述的实现文件级镜像的方法,其特征在于,所述读指针指向一个写入时间最早但还没有被用户读取的记录,每次读完之后向后移动一个记录,所述写指针指向最后一次写的记录;当所述读指针追上所述写指针时表示硬盘上没有用户数据,当所述写指针追上所述读指针时表示硬盘上没有剩余空间保存用户数据。
7.根据权利要求4所述的实现文件级镜像的方法,其特征在于,所述同步区域控制结构由多个(SynBgn,SynEnd)结构组成,所述(SynBgn,SynEnd)结构表示记录号SynBgn到记录号SynEnd这段空间中是无效的用户数据,当用户读取数据时,如果所述读指针指向的位置在所述同步区域内,则会从另一块硬盘上获取有效数据,如果所述读指针在另一块硬盘上也处于同步区域,则读指针会后移直至找到一个有效的数据区。
8.根据权利要求4所述的实现文件级镜像的方法,其特征在于,所述无法使用的数据空间由多个(InvBgn,InvEnd)结构组成,所述(InvBgn,InvEnd)结构表示记录号InvBgn到记录号SynEnd这段空间的扇区不可使用,当读写到这段区域时读写指针会自动跳过该区域。
9.一种采用上述权利要求1~8中任一项所述的多硬盘环境下基于裸文件系统实现文件级镜像方法的装置,其特征在于,包括:
初始化模块,用于格式化多个硬盘,使所述多个硬盘满足文件级镜像所需的硬盘布局要求,并同步所述多个硬盘系统区的信息;
写操作执行模块,用于在执行写操作时,同时将用户数据在所述多个硬盘上发起写操作,并在写操作完成后更新所述系统区中的写指针;
读操作执行模块,用于在执行读操作时,根据所述系统区中记录的信息确定数据有效的硬盘并返回有效硬盘上的数据,并在读操作完成后更行所述系统区中的读指针。
10.根据权利要求9所述的文件级镜像管理装置,其特征在于,所述格式化后的硬盘布局包括系统区和数据区;所述系统区在所述硬盘首部和尾部各一个,该两个系统区互为备份使用,所述系统区保存读写操作使用的控制结构,该控制结构的布局包括:幻数、标志符、记录大小、时间戳、读指针、写指针、同步区域控制结构和无法使用的数据空间;所述数据区用于保存用户数据,该数据区被划分为多个固定大小的记录区,每个记录区对应一次读写的空间。
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