CN101840309A - 多路径环境下双控磁盘阵列的访问控制方法及系统 - Google Patents

多路径环境下双控磁盘阵列的访问控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多路径环境下双控磁盘阵列的访问控制方法，控制器的缓存包括本地缓存和镜像缓存，本地缓存用于缓存属主为本地控制器的逻辑卷数据，镜像缓存用于缓存属主为对端控制器的逻辑卷的数据；A、第一控制器收到来自主机的对磁盘阵列的读/写访问命令，判断所述读/写访问命令所对应的逻辑卷的属主是否为第一控制器，若判断结果为否，则将所述读/写访问命令发送至对端的第二控制器；B、第二控制器确定所述读/写访问命令所对应的本地缓存块X，以及与所述本地缓存块对应的第一控制器中的镜像缓存块Y，并将所述本地缓存块X与镜像缓存块Y的相关信息发送至第一控制器，第一控制器将所述相关信息返回给主机。本发明还公开了一种双控磁盘阵列系统。本发明方案可以实现多路径环境下多控制器对同一逻辑卷的并发访问，同时避免逻辑卷属主的频繁切换。

Description

多路径环境下双控磁盘阵列的访问控制方法及系统
技术领域
本发明涉及网络存储技术领域，特别涉及多路径环境下双控磁盘阵列的访问控制方法及系统。
背景技术
独立冗余磁盘阵列(Redundant Arrays of Inexpensive Disks，RAID)系统主要包括前端的阵列控制器和后端的若干磁盘构成的磁盘组。阵列控制器中实现有RAID算法。读写磁盘组时，读写(IO)请求将按照特定的RAID级别并行地分布到各个磁盘，同时完成校验计算，在性能和数据完整性方面较好的满足了用户的需求。
一方面，为了提高性能，阵列控制器的高速缓存单元(Cache)中缓存有大量的用户数据。另一方面，阵列控制器的软硬件复杂度越来越高，出错可能性不断增加。当阵列控制器发生故障时，用户数据面临丢失破坏的危险。为此，人们设计出拥有冗余备份的双控制器磁盘阵列。
图1为双控制器磁盘阵列的基本架构示意图。双控制器磁盘阵列包括一台主机101，两台交换机(分别是交换机102和交换机103)，两台控制器(分别是控制器104和控制器105)，以及后端的物理磁盘组。两个控制器共同管理物理磁盘组。根据应用需求，物理磁盘组将被划分成若干逻辑卷，每一个逻辑卷相当于一个虚拟磁盘，以逻辑单元号(Logical Unit Number，LUN)作为标识。交换机102和交换机103之间，以及控制器104和控制器105之间都是相互备份的关系。主机101可以通过其中任一个交换机以及控制器访问逻辑卷。
双控制器(简称为双控)磁盘阵列在运行过程中，其中一个控制器中的缓存数据以及相关的控制信息被同步备份到另一个控制器；当一个控制器发生故障时，可以从另一个控制器恢复缓存数据和控制信息，因此可以保证不丢失数据。目前，主流的是active-active的双控设计。双控设计解决了存储系统设备端的单点失效问题(Single Point of Failure)。
在存储域网络(Storage Area Network，SAN)中，主机到磁盘阵列一般拥有多条数据路径。多路径IO(Multipath I/O，MPIO)是一项为存储设备使用多个数据路径提供支持的功能。如果将阵列控制器也抽象为路径中的一环，那么MPIO提供的就是从主机端到逻辑卷的多路径访问机制，或因为其中某条链路失效，或因为负载均衡的需要，IO流可实时动态地从其中一条链路切换到另一条链路。如图1所示，主机可以通过链路1-交换机102-链路4-控制器105访问LUN2，也可以通过链路2-交换机103-链路6-控制器104访问LUN2。在多路径环境下，主机通过哪条网络链路以及哪个控制器访问逻辑卷，阵列端是无法预测和限定的。
在实际的操作中有可能出现两个控制器同时读写同一个逻辑卷的情况，而这可能会带来严重的数据错误。例如图2所示为4盘位RAID5中的一个条带。假设控制器104接收到写D1块的指令，控制器104会从条带中读取D2，并与新数据D1、计算新的校验值P1；在控制器104完成操作前，控制器105接收到写D2块的指令，它将会读老数据D1，与新数据D2、计算出另一个新的校验值P1；而正确的校验值应该是用新的D1和D2共同计算出来的；同一个条带在两个控制器上有不同的数值，数据的一致性被破坏。
针对以上问题，现有技术的做法是为每一个逻辑卷设置属主控制器，限定某一时刻只有逻辑卷的属主控制器才能访问此逻辑卷。通过切换逻辑卷的属主控制器实现多个控制器对同一逻辑卷的访问。如图1，假设LUN1的属主是控制器104，那么当主机试图从控制器105访问LUN1时，LUN1的属主控制器被切换成控制器105，切换过程涉及到与LUN1相关的控制信息、用户数据的同步维护等很多工作，在完成属主切换前，通过控制器105对LUN1的访问是被冻结的。
图3为现有技术双控磁盘阵列的控制器内部模块框图。控制器104包括业务通道301、处理器302、磁盘扩展通道303、控制器同步通道304和内存305。控制器105具有与控制器104相同的内部结构。控制器104和控制器105之间通过控制器同步通道同步缓存数据和相关控制信息。
该方法虽然能够维护数据的一致性，但是在某一时刻只有一个控制器能够访问一个逻辑卷，不能充分利用控制器资源；当主机端采用轮询的方式，循环的给两个控制器发送对同一个卷的访问请求时，逻辑卷属主的频繁切换带来系统的不稳定因素和额外的负载。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于，提出一种多路径环境下双控磁盘阵列的访问控制方法及系统，可以实现多路径环境下多控制器对同一逻辑卷的并发访问，同时避免逻辑卷属主的频繁切换。
本发明实施例提出的多路径环境下双控磁盘阵列的访问控制方法，控制器的缓存包括本地缓存和镜像缓存，本地缓存用于缓存属主为本地控制器的逻辑卷数据，镜像缓存用于缓存属主为对端控制器的逻辑卷的数据；该方法包括如下步骤：
A、第一控制器收到来自主机的对磁盘阵列的读/写访问命令，判断所述读/写访问命令所对应的逻辑卷的属主是否为第一控制器，若判断结果为否，则将所述读/写访问命令发送至对端的第二控制器；
B、第二控制器确定所述读/写访问命令所对应的本地缓存块X，以及与所述本地缓存块对应的第一控制器中的镜像缓存块Y，并将所述本地缓存块X与镜像缓存块Y的相关信息发送至第一控制器，第一控制器将所述相关信息返回给主机。
其中，若步骤A中的所述判断结果为是，则执行如下步骤：第一控制器执行所述读/写访问命令的相关操作，并将操作结果返回给主机。
所述读/写访问命令为写命令，则步骤B之后进一步包括：
C1、第一控制器收到来自主机的写数据，将所述写数据存放于所述镜像缓存块Y，并将所述写数据发送至第二控制器；
D1、第二控制器将所述写数据存放于本地缓存块X，然后将本地缓存块X中的数据写入磁盘阵列的逻辑卷中。
所述读/写访问命令为读命令，则步骤B之后进一步包括：
C2、第二控制器判断所述读命令是否在本地缓存中命中，若是则执行步骤E2，否则执行步骤D2；
D2、第二控制器从逻辑卷中读出所需数据，并将所读取的数据存放于第二控制器的本地缓存块X；
E2、第二控制器将本地缓存块X中的数据发送到第一控制器中的镜像缓存块Y；第一控制器将镜像缓存块Y中的数据发送送给主机。
本发明实施例还提出一种双控磁盘阵列系统，包括第一控制器、第二控制器以及划分为多个逻辑卷的物理磁盘组，第一控制器和第二控制器具有完全相同且彼此对应的结构，所述第一控制器包括：
主机数据通道，用于接收来自主机的读/写访问命令，并将读/写访问命令的执行结果返回给主机；
命令代理模块，用于判断主机数据通道接收到的读/写访问命令所对应的逻辑卷的属主是否为第一控制器，若判断结果为否，则将所述读/写访问命令发送至对端的第二控制器；
缓存空间管理模块，用于接收并保存来自第二控制器的本地缓存块X、以及与所述本地缓存块X对应的第一控制器的镜像缓存块Y的相关信息；
本地缓存，用于缓存属主为第一控制器的逻辑卷的数据，并将所缓存的数据镜像到第二控制器的镜像缓存中；
镜像缓存，用于缓存属主为第二控制器的逻辑卷的数据；
第二控制器的命令代理模块用于接收来自第一控制器的所对应的逻辑卷的属主为第二控制器的读/写访问命令；
第二控制器的缓存空间管理模块用于确定第二控制器的命令代理模块接收的所述读/写访问命令所对应的逻辑卷的属主为本地控制器的读/写访问命令所对应的本地缓存块X，以及与所述本地缓存块对应的第二控制器中的镜像缓存块Y，并将所述本地缓存块X与镜像缓存块Y的相关信息通过所述命令代理模块发送至第一控制器的命令代理模块。
所述第一控制器主机数据通道接收到的读/写访问命令所对应的逻辑卷的属主为第二控制器，且所述读/写访问命令为写命令；
则所述第一控制器的缓存空间管理模块进一步用于将来自主机的写数据存放于第一控制器的镜像缓存块Y，并将所述写数据发送至第二控制器；
第二控制器的缓存空间管理模块将所述写数据存放于本地缓存块X。
所述第一控制器主机数据通道接收到的读/写访问命令所对应的逻辑卷的属主为第二控制器，且所述读/写访问命令为读命令；
第二控制器的缓存空间管理模块将本地缓存块X中的数据发送到第一控制器中的镜像缓存块Y；第一控制器缓存空间管理模块将镜像缓存块Y中的数据发送送给主机。
较佳地，所述第二控制器的缓存空间管理模块进一步用于判断所述读命令是否在本地缓存中命中，若否，则从逻辑卷中读出所需数据，并将所读取的数据存放于第二控制器的本地缓存块X。
从以上技术方案可以看出，控制器中的缓存被划分为本地缓存和镜像缓存，本控制器的镜像缓存与对端控制器的本地缓存是一一对应的映射关系，控制器收到主机的读/写访问命令，由属主控制器执行操作，而收到读/写访问命令的控制器负责向主机反馈执行结果。本发明技术方案仍然由逻辑卷的属主控制器统一访问逻辑卷，保证的数据的一致性和正确性，同时充分利用的双控磁盘阵列缓存相互镜像的特点，通过命令转发机制，避免了逻辑卷属主的频繁切换，实现了多路径环境下多控制器对同一逻辑卷的并发访问，整个过程对主机端透明，无需改变现有的存储架构和主机软件，适应性好，充分高效地利用了所有控制器的通道资源。
附图说明
图1为双控制器磁盘阵列的基本架构示意图；
图2为4盘位RAID5中的一个条带的示意图；
图3为现有技术双控磁盘阵列的控制器内部模块框图；
图4为本发明实施例的双控磁盘阵列的控制器内部逻辑结构图；
图5为本发明实施例的控制器B接收到LUN1写命令后处理流程图；
图6为本发明实施例的控制器B接收到读LUN1的命令J后处理流程图。
具体实施方式
针对现有技术中存在的问题，本发明实施例对双控磁盘阵列作如下改进：
仍然保留逻辑卷拥有属主控制器的特性，同时增加对于非属主命令的转发机制，控制器的缓存包括本地缓存和镜像缓存，本地缓存用于缓存属主为本地控制器的逻辑卷数据，镜像缓存用于缓存属主为对端控制器的逻辑卷的数据；该方法包括如下步骤：
A、第一控制器收到来自主机的对磁盘阵列的读/写访问命令，判断所述读/写访问命令所对应的逻辑卷的属主是否为第一控制器，若判断结果为否，则将所述读/写访问命令发送至对端的第二控制器；
B、第二控制器确定所述读/写访问命令所对应的本地缓存块X，以及与所述本地缓存块对应的第一控制器中的镜像缓存块Y，并将所述本地缓存块X与镜像缓存块Y的相关信息发送至第一控制器，第一控制器将所述相关信息返回给主机。
该技术方案可以达到如下实施效果：如果读/写访问命令是写指令，最后得到的脏数据(dirty data)由卷的属主控制器写盘。所谓脏数据是指在缓存中的，没有与硬盘同步的新数据。读指令请求的数据由卷的属主控制器提供，并镜像到接收到读/写访问命令的控制器。所有的主机请求由收到请求的控制器应答。从主机端看，能够同时并行从两个控制器上访问同一逻辑卷。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细阐述。
图4示出了本发明实施例的双控磁盘阵列的控制器内部逻辑结构。两个控制器分别称为控制器A和控制器B，其中控制器A包括主机数据通道401、命令代理模块402、缓存空间管理模块403、本地缓存404和镜像缓存405。控制器B包括主机数据通道406、命令代理模块407、缓存空间管理模块408、本地缓存409和镜像缓存410。
主机数据通道401用于接收来自主机的读/写访问命令，并将读/写访问命令的执行结果返回给主机。
命令代理模块402，用于判断主机数据通道401接收到的读/写访问命令所对应的逻辑卷的属主是否为控制器A，若判断结果为否，则将所述读/写访问命令发送至对端的控制器B。同时，控制器B的命令代理模块406用于接收来自第一控制器的所对应的逻辑卷的属主为控制器B的读/写访问命令。
例如，当控制器A收到对属主为控制器B的逻辑卷的访问命令时，命令代理模块402将该访问命令通过内部同步通道转发到控制器B的命令代理模块407，由控制器B针对该访问命令执行相应的访问操作。这样保证了对逻辑卷的访问命令都在它的属主控制器上得到处理，维护了数据的一致性，同时控制器A的带宽也被充分利用。控制器B的缓存空间管理模块408收到从控制器A转发过来的读写命令后，根据读写的不同，将操作结果通过内部同步通道返回给控制器A，控制器A再将操作结果返回给主机，向主机保证了请求应答的原路返回。
若命令代理模块402判断结果为是，则由控制器A依照现有技术的方式由本地控制器执行相应的访问操作。
缓存空间管理模块403用于接收并保存来自控制器B的本地缓存块X、以及与所述本地缓存块X对应的第一控制器的镜像缓存块Y的相关信息。控制器B的缓存空间管理模块408用于确定控制器B的命令代理模块407接收的所述读/写访问命令所对应的逻辑卷的属主为本地控制器的读/写访问命令所对应的本地缓存块X，以及与所述本地缓存块对应的控制器B中的镜像缓存块Y，并将所述本地缓存块X与镜像缓存块Y的相关信息通过所述命令代理模块407发送至控制器A的命令代理模块402。
本地缓存404用于缓存属主为第一控制器的逻辑卷的数据，并将所缓存的数据镜像到第二控制器的镜像缓存410中；
镜像缓存405用于缓存属主为第二控制器的逻辑卷的数据。
对端控制器的镜像缓存的地址与本控制器的本地缓存的地址存在一一对应的映射关系，也就是说，本地缓存404与镜像缓存410之间存在映射关系，而本地缓存409与镜像缓存405之间存在映射关系。通过计算，可实现某块数据在本地缓存地址与对端镜像缓存地址间的转换。
控制器B和控制器A具有完全相同且彼此对应的结构，可以参照控制器A的说明得出控制器B各个部分的功能，反之，也可以参照控制器B的说明得出控制器A各个部分的功能。
如图4，假设LUN1属于控制器A，即LUN1的属主控制器是控制器A。主机向控制器B发送了LUN1的写命令K，控制器B接收到LUN1写命令后处理流程如图5所示：
步骤501，控制器B收到写命令K；
步骤502，控制器B的命令代理模块判断写命令K操作的LUN1属主是否为控制器B，若是则执行步骤510，否则执行步骤503。
步骤503，LUN1的属主为控制器A时，将命令K通过内部同步通道转发给控制器A的命令代理模块。
步骤504，控制器A的命令代理模块接收到写命令K，并提交给控制器A的缓存空间管理模块。
步骤505，控制器A的缓存空间管理模块根据命令K的要求，计算出在控制器A中存放用户写数据所需的缓存块M，通过映射关系，计算出M在控制器B中的镜像缓存块N。
步骤506，通过命令代理将所述缓存块M和镜像缓存块N的相关信息作为写命令K的响应信息返回给控制器B。
步骤507，控制器B的命令代理接收到写命令K的响应信息后，将该响应信息返回给主机。
步骤508，控制器B接收到主机发送过来的写数据，存放于缓存块N，同时将数据镜像到控制器A中的缓存块M。
步骤509，控制器A依据策略将缓存块M中的脏数据写入磁盘阵列的相应逻辑卷中。
步骤510至步骤513是当LUN1的属主为控制器B时的正常写处理流程。
在同样的环境下，假设控制器B接收到读LUN1的命令J，处理流程如图6所示：
步骤601，控制器B接收读命令J。
步骤602，控制器B的命令代理模块判断读命令操作的LUN1属主是否为控制器B，若是，执行步骤611，否则执行步骤603。
步骤603，控制器B的命令代理模块发现命令目标LUN1的属主为控制器A，将命令J通过内部同步通道转发给控制器A。
步骤604，控制器A的命令代理模块接收到读命令J，并提交给控制器A的缓存管理模块。
步骤605，控制器A的缓存空间管理模块根据读命令J的要求，计算出在控制器A中存放读数据所需的缓存块P和控制器B镜像缓存中对应的缓存块Q。
步骤606，判断读命令J是否命中，命中时说明控制器A中的缓存块P已经存有所需数据，若是执行步骤608，否则执行步骤607。
步骤607，读命令J没有命中时，控制器A从LUN1中读出所需数据，存放于控制器A中的缓存块P。
步骤608，将控制器A中缓存块P的数据镜像到控制器B中的缓存块Q。
步骤609，控制器A将操作结果通知控制器B。
步骤610，控制器B将缓存块Q中的数据发送给主机。
步骤611至步骤614当LUN1的属主为控制器B时的正常读处理流程。
实际上，本发明技术方案仍然由逻辑卷的属主控制器统一访问逻辑卷，保证的数据的一致性和正确性，同时充分利用的双控磁盘阵列缓存相互镜像的特点，通过命令转发机制，避免了逻辑卷属主的频繁切换，实现了多路径环境下多控制器对同一逻辑卷的并发访问，整个过程对主机端透明，无需改变现有的存储架构和主机软件，适应性好，充分高效地利用了所有控制器的通道资源。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多路径环境下双控磁盘阵列的访问控制方法，其特征在于，控制器的缓存包括本地缓存和镜像缓存，本地缓存用于缓存属主为本地控制器的逻辑卷数据，镜像缓存用于缓存属主为对端控制器的逻辑卷的数据；该方法包括如下步骤：
A、第一控制器收到来自主机的对磁盘阵列的读/写访问命令，判断所述读/写访问命令所对应的逻辑卷的属主是否为第一控制器，若判断结果为否，则将所述读/写访问命令发送至对端的第二控制器；
B、第二控制器确定所述读/写访问命令所对应的本地缓存块X，以及与所述本地缓存块对应的第一控制器中的镜像缓存块Y，并将所述本地缓存块X与镜像缓存块Y的相关信息发送至第一控制器，第一控制器将所述相关信息返回给主机。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤A中的所述判断结果为是，则执行如下步骤：第一控制器执行所述读/写访问命令的相关操作，并将操作结果返回给主机。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述读/写访问命令为写命令，则步骤B之后进一步包括：
C1、第一控制器收到来自主机的写数据，将所述写数据存放于所述镜像缓存块Y，并将所述写数据发送至第二控制器；
D1、第二控制器将所述写数据存放于本地缓存块X，然后将本地缓存块X中的数据写入磁盘阵列的逻辑卷中。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述读/写访问命令为读命令，则步骤B之后进一步包括：
C2、第二控制器判断所述读命令是否在本地缓存中命中，若是则执行步骤E2，否则执行步骤D2；
D2、第二控制器从逻辑卷中读出所需数据，并将所读取的数据存放于第二控制器的本地缓存块X；
E2、第二控制器将本地缓存块X中的数据发送到第一控制器中的镜像缓存块Y；第一控制器将镜像缓存块Y中的数据发送送给主机。
5.一种双控磁盘阵列系统，包括第一控制器、第二控制器以及划分为多个逻辑卷的物理磁盘组，第一控制器和第二控制器具有完全相同且彼此对应的结构，其特征在于，所述第一控制器包括：
主机数据通道，用于接收来自主机的读/写访问命令，并将读/写访问命令的执行结果返回给主机；
命令代理模块，用于判断主机数据通道接收到的读/写访问命令所对应的逻辑卷的属主是否为第一控制器，若判断结果为否，则将所述读/写访问命令发送至对端的第二控制器；
缓存空间管理模块，用于接收并保存来自第二控制器的本地缓存块X、以及与所述本地缓存块X对应的第一控制器的镜像缓存块Y的相关信息；
本地缓存，用于缓存属主为第一控制器的逻辑卷的数据，并将所缓存的数据镜像到第二控制器的镜像缓存中；
镜像缓存，用于缓存属主为第二控制器的逻辑卷的数据；
第二控制器的命令代理模块用于接收来自第一控制器的所对应的逻辑卷的属主为第二控制器的读/写访问命令；
第二控制器的缓存空间管理模块用于确定第二控制器的命令代理模块接收的所述读/写访问命令所对应的逻辑卷的属主为本地控制器的读/写访问命令所对应的本地缓存块X，以及与所述本地缓存块对应的第二控制器中的镜像缓存块Y，并将所述本地缓存块X与镜像缓存块Y的相关信息通过所述命令代理模块发送至第一控制器的命令代理模块。
6.根据权利要求5所述的双控磁盘阵列系统，其特征在于，所述第一控制器主机数据通道接收到的读/写访问命令所对应的逻辑卷的属主为第二控制器，且所述读/写访问命令为写命令；
则所述第一控制器的缓存空间管理模块进一步用于将来自主机的写数据存放于第一控制器的镜像缓存块Y，并将所述写数据发送至第二控制器；
第二控制器的缓存空间管理模块将所述写数据存放于本地缓存块X。
7.根据权利要求5所述的双控磁盘阵列系统，其特征在于，所述第一控制器主机数据通道接收到的读/写访问命令所对应的逻辑卷的属主为第二控制器，且所述读/写访问命令为读命令；
第二控制器的缓存空间管理模块将本地缓存块X中的数据发送到第一控制器中的镜像缓存块Y；第一控制器缓存空间管理模块将镜像缓存块Y中的数据发送送给主机。
8.根据权利要求7所述的双控磁盘阵列系统，其特征在于，所述第二控制器的缓存空间管理模块进一步用于判断所述读命令是否在本地缓存中命中，若否，则从逻辑卷中读出所需数据，并将所读取的数据存放于第二控制器的本地缓存块X。
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