CN102511031B - 使用位图的数据存储 - Google Patents

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Abstract

一种数据存储系统，包括控制器、第一低性能存储介质、以及第二高性能存储介质。控制器连接到存储介质，并被配置为控制对存储介质的IO存取。控制器还被配置为：在第一存储介质上存储映像；启动从第一存储介质到第二存储介质的复制功能；将对于所述映像的所有IO存取导向第二存储介质；周期性地从第二存储介质向第一存储介质对数据进行老化；为每个时段创建新的空位图；以及响应于对所述映像中的数据的IO存取，更新最新的位图以指示数据已经被存取，并更新在前的位图以指示数据尚未被存取。

Description

使用位图的数据存储
技术领域
本发明涉及数据存储系统、以及操作数据存储系统的方法。在一个实施例中，FlashCopy过程被用于使用具有多个位图的单个FlashCopy目标，来将频繁存取的数据与较不频繁存取的数据分离，以减少容量使用。
背景技术
在大数据存储系统内，经常有多种不同类型的存储介质被使用。可通过诸如容量、可用性、性能和成本的很多度量标准来对各种类型进行分类。区分不同类型的存储的不同属性的例子可包括附连(attachment)技术(例如，SATA或FC/SCSI)驱动器、冗余方案(例如，RAID-5、RAID-1或RAID-10)、以及空间节省算法(例如，压缩、去重(de-duplication)或非压缩)。正在出现的新型的存储技术是存储型存储器(storage-classmemory)，闪存是其优选的例子。存储介质上的不同应用和服务器将具有关于这些度量标准的变化的需求。每个应用将趋向于具有其自己的需求，给定应用的需求也将趋向于随着时间而变化，这是由于对该应用的要求发生了变化。
因此，在应用之间优化存储的分配以确保可用资源的最佳使用、从而在整体上满足业务需求是非常复杂的任务。执行改变以尝试并优化资源分配所需的工作也可能代价很高。向服务器重新分配存储(storage)可能需要服务器停机时间、以及可观的管理员工作来执行该改变。使用例如SAN卷控制器(SVC)的、实现存储虚拟化的产品可消除服务器停机时间，并显著减少管理员工作。这样的产品提供了数据迁移特征，其允许将数据从一种类型存储分配到另一种类型存储，这对使用中的系统来说是透明的。然而，这些改变的一个限制是：最方便的管理单元处于虚拟盘(vdisk)、卷或逻辑单元(LUN)级别。整个虚拟盘必须被给定为同一类型的存储。然而，存在数据存储系统中的虚拟盘可能不包括具有同类需求的数据的很多例子。事实上，完全同类的虚拟盘是异常而非常规。将存在具有不同需求的不同数据区的一个特定情况是为了性能。
传统的缓存技术在有限程度上可对此问题有帮助。尽管被慢存取存储拖累，但是写入缓存可允许主机察觉到低写入服务时间。写入缓存还可快速地吸收短突发的写入活动，并将其在较长时段上送至较慢的后端存储，从而模拟高性能存储。这些能力均为已知的，并在例如SVC中实现。但是，当前使用的写入缓存在其能力上受限。首先，必须最终将写入IO从写入缓存发送到后备存储。有可能消除小部分流量，但大部分必定仍在该处被处理。如果后备存储不能支撑主机应用写入流量，则写入缓存变满，并失去优势。另外，写入缓存的大小相对于系统存储的总量来说较小，可能小于1％。同时，这些意味着，传统的写入缓存不足以允许低性能类型内的存储被用于盘中具有较高性能需求的那些部分。
诸如采用压缩或数据去重(de-duplication)的某些类型的存储表现为低性能存储的极端例子。尽管这些可能提供与满足给定服务器或应用的存储需求所需的容量有关的显著成本节省，但针对这些存储执行写入IO所带来的性能损失意味着，它们不能被用于通用IO。它们的算法增大了执行IO的成本，并对它们可支撑的峰值吞吐量起到限制作用。
发明内容
因此，本发明的目的在于对现有技术做出改善。
根据本发明的第一方面，提供了一种数据存储系统，包括控制器、第一低性能存储介质、以及第二高性能存储介质，所述控制器连接到所述存储介质，并被配置为控制对所述存储介质的IO存取，其中，所述控制器被配置为：在第一存储介质上存储映像；启动从第一存储介质到第二存储介质的复制功能；将对于所述映像的所有IO存取导向第二存储介质；以及周期性地从第二存储介质向第一存储介质对数据进行老化处理，为每个时段创建新的空位图；以及响应于对于映像中的数据的IO存取，更新最新的位图以指示数据已经被存取，并更新在前的位图以指示数据尚未被存取。
根据本发明的第二方面，提供了一种操作数据存储系统的方法，所述系统包括控制器、第一低性能存储介质、以及第二高性能存储介质，所述控制器连接到所述存储介质，并被配置为控制对所述存储介质的IO存取，其中，所述方法包括以下步骤：在第一存储介质上存储映像；启动从第一存储介质到第二存储介质的复制功能；将对于所述映像的所有IO存取导向第二存储介质；以及周期性地从第二存储介质向第一存储介质对数据进行老化处理，为每个时段创建新的空位图，以及响应于对于映像中的数据的IO存取，更新最新的位图以指示数据已经被存取，并更新在前的位图以指示数据尚未被存取。
根据本发明的第三方面，提供了一种计算机可读介质上的计算机程序产品，用于操作数据存储系统，所述系统包括控制器、第一低性能存储介质、以及第二高性能存储介质，所述控制器连接到所述存储介质，并被配置为控制对所述存储介质的IO存取，其中，所述产品包括指令，用于：在第一存储介质上存储映像；启动从第一存储介质到第二存储介质的复制功能；将对于所述映像的所有IO存取导向第二存储介质；以及周期性地从第二存储介质向第一存储介质对数据进行老化处理。
由于本发明，可以提供这样的数据存储系统：该系统将在低处理开销下自动地识别、并将高性能区域与低性能区域分离。因此，包含对于系统性能来说重要的数据的原始存储介质的部分相对于其余部分接收到更好的服务，因此，该系统作为整体是有优势的。将虚拟盘上的频繁存取的需要高性能的数据与需要低性能的数据分离，并分配给相当最高执行类型(class)的存储，将其余虚拟盘数据留在较低执行类型的存储上。此能力使最低成本下的存储介质上的应用和服务器的性能最大化。
优选地，控制器被配置为：当周期性地从第二存储介质向第一存储介质对数据进行老化时，在预设时间段之后执行老化过程。最佳地，在规则定义的时段之后，执行周期性老化处理，即将由高性能的第二存储介质存储的数据移动至低性能的第一存储介质，该规则定义的时段可由管理员设置、或者从使用统计推出。然后，每次使用此时段以触发老化处理。这样，可以将高性能的第二存储介质上的最近未被使用的数据合并回到慢存储介质中，由此释放快存储介质上的更多空间。
有利地，控制器被配置为：当周期性地从第二存储介质向第一存储介质对数据进行老化时，将在预定时间长度内未被存取的数据从第二存储介质复制到第一存储介质。此时间长度可以表示为设定数量的时段，其中该时段是两个老化过程之间的时间间隙。例如，时间长度可以被设定为五个时段，这意味着快存储介质上的自从在前的五个老化过程起一直未被存取的任何数据将在当前的老化过程中被合并回到慢存储介质。
理想地，控制器被配置为：当周期性地从第二存储介质向第一存储介质对数据进行老化时，根据现有最旧的位图执行老化。可以使用位图进行老化处理，因为这将在现有最旧的位图中证实(document)哪个数据自从该位图被创建起一直未被存取。然后，这可以用于决定应当将哪个数据合并回到慢存储介质。在此情况下，有利的是，控制器还被配置为：在周期性地从第二存储介质向第一存储介质对数据进行老化之后，删除现有最旧的位图。
附图说明
现在将参照附图，仅通过示例来描述本发明的实施例，附图中：
图1是存储系统的示意图；
图2是存储系统的第二实施例的示意图；
图3是示出老化处理的存储系统的又一示意图；
图4是替代的存储系统的示意图；
图5是示出位图的存储系统的又一示意图；以及
图6是操作存储系统的方法的流程图。
具体实施方式
图1示出了数据存储系统1，其包括控制器10、第一低性能存储介质12、以及第二高性能存储介质14。控制器10连接到存储介质12和14，并被布置为控制对存储介质12和14的IO存取。尽管将两个存储介质12和14示出为相同的大小，但它们的物理尺寸和/或数据存储容量可以不同。例如，低性能存储介质12可为硬盘，高性能存储介质14可为固态存储器件。控制器10管理对数据存储的IO存取，无论是读取还是写入存取。
控制器10被配置为在第一存储介质12上存储映像(image)。该映像将是表示多个应用和服务器的数据。控制器10还被配置为启动从第一存储介质12到第二存储介质14的复制功能。复制功能将存在对第一存储介质12存储的映像内的任何数据的读或写的存取时，把数据复制到第二存储介质14。控制器被配置为将用于该映像的所有IO存取导向第二存储介质14，另外，将周期性地从第二存储介质14向第一存储介质12对数据进行老化处理。下面将更详细地描述对数据进行老化处理的此过程。
图1b示出了在已经存在对第一存储介质12的标注为2的扇区的IO存取之后的情形。此IO存取可为在此扇区中覆写某些数据。控制器通过使用传入IO和原始扇区2以在较快的存储介质14上创建新的扇区2a，来对其处理。由于所有的IO存取被导向较快的存储介质14，所以，将直接由较快的存储介质14处理对扇区2中的数据的读或写存取，而不需要对较慢的存储介质12存储的原始映像进行任何存取。
图2中示出了存储系统的优选实施例。此实施例使用IBMSAN卷控制器的FlashCopy(快闪复制)和Space-Efficient(空间高效)(瘦规范(thinprovisioning))特征，其被进一步扩展以实现期望的在最频繁使用的数据与较不频繁使用的数据之间的数据分离。该图中的字母FC是指FlashCopy功能，其中，箭头指示该复制功能的源存储介质12和目标存储介质14。在最基础的级别上，在高性能高成本的存储介质14上保持Space-EfficientFlashCopy映像(vdisk-虚拟盘)，其余存储作为(典型的)全分配的映像(虚拟盘)被保持在低性能低成本的存储介质12上。
在此版本的存储系统中，所有应用IO被导向存储于存储介质14上的最左侧的FlashCopy映像。由于在两个存储卷之间的FlashCopy功能，此映像包含最近被存取的数据。由高性能存储介质存储的映像随着应用的最近的工作集的扩展而增长。第一存储介质12的右侧(right)映像包含应用盘的完整映像，然而，此介质12不包含在最左侧盘14上所保持的最近的更新。在发生将数据合并回到盘12上的任何合并之前，从采取FlashCopy时起，该存储盘12维持即时指示复制(point-in-timecopy)。
使用传统的FlashCopy算法，使用写复制(copy-on-write)技术，来处理对映像的写存取。因此，如果要被覆写的数据已经位于最左侧盘14上，则其在适当的位置中被覆写。如果数据最近未被存取，则其将在最右侧盘12上被发现。只要发现该数据，便从其当前的位置对其进行读取，将其与新的写数据合并，并写入到最左侧盘14。因此，在此操作模式中，最左侧盘14正在累积相当于(amountto)应用的最近工作集的改变。将由最左侧盘14直接服务于很多将来的IO存取。某些IO存取将不会被累积在该处，而是将由最右侧盘12服务。
如果上述配置是静态的，则根据被存储的数据的大小，最左侧盘14将随着时间增长为接近于最右侧盘12的完整大小。这是由于即使不被频繁存取的数据，一旦被存取，也会开始消耗存储介质14上的空间。最终，低性能盘12上的所有数据将被存取，并且，高性能盘14所存储的数据将为存储在慢存储介质12上的带有IO修改的全部原始数据映像。因此，需要老化处理来从最左侧盘16移除不频繁存取的数据。
图3示出了老化处理。可以在经过特定时间之后、或者基于高性能介质14所存储的数据达到特定大小、或者其它度量标准或度量标准的组合，来触发老化处理。不同的触发方法可以在不同的系统配置中以不同次数来使用。图3a示出了在已经存在对扇区2、3和5中存储的数据的IO存取之后的高性能存储介质。这些扇区已经被复制到高性能存储介质14并与IO存取(假设它们是数据写入)中包含的新数据相组合。任何对这些扇区的另外的IO存取，无论是读取还是写入，都将由最左侧介质14来处理。
在周期性老化处理已经发生之后，数据存储系统将如图3b中所示。在高性能存储介质14上由扇区2a存储的数据已经被复制回到低性能存储介质12。此处理更新低性能存储介质12所存储的映像，并且，用于介质14上存储的数据的原始空间可以被解除分配。虽然在此示例中，合并回至慢介质12的数据是要复制到快盘14的数据的第一个比特，但是这不必是合并处理中采取的动作。被合并回的数据是最近未被存取的数据。如果已经存在对第二介质14上的扇区2a的最近的读取访问，则不将此扇区向回合并。
存储系统使用具有多个位图的FlashCopy目标以减少容量使用。参照图1至图3，为了创建不同类型的存储之间的层级、并提供数据在层级之间以及在比单个目标实例更长的时间段上行进(progression)的精细粒度的目的，上述系统可以提供频繁存取的数据与较不频繁存取的数据的分离。然而，如果利用多个目标空间高效盘来扩展这样的系统(例如，使用两个快存储介质14和16，如图4中所示)，则该存储系统随着时间(尤其随着目标数目的增加)而需要更多容量。需要目标的大量层级和/或大量目标来维持在更长的小时和日等的时间段上的存取“频率”的更精细粒度。
在使用多个层级或多个目标的系统中，在小时和日等的时间段期间，新写入的数据量、或频繁地重读取的数据量必须存储在每个目标上，并且，当数据被重新写入、或频繁地重新读取时，某个百分比的所述数据量必须在目标之间移动。这导致必须维持许多目标的架构上的开销，并增加了用于在目标之间复制的额外粒度的必要带宽。根据本发明的存储系统提供了图4的系统的适配(adaptation)，其消除多个目标的复杂性而没有额外的带宽需求，同时仍然提供该系统的优势。
在诸如图4的环境的环境中，系统允许多个目标空间高效盘14和16用作频繁存取的数据的存储“桶”。在这样的方案中，需要在处理的初始化时创建和管理X个目标，或者，随着经过时间段Y，必须创建新目标。因为频繁存取的数据在最新的目标上“重命中(re-hit)”(重命中意味着数据块已经驻留在其它更早的目标之一上)，于是，必须从更早的目标复制该块，将该块与新数据I/O合并，并且写入至最新的目标。这导致系统上的额外的带宽需求。
根据本发明的存储系统提供了这样的方案，通过该方案，单个目标资源可用于实现在不同类型的数据存储介质之间分离数据的益处，然而，其消除了对于要在目标之间重复制(re-copy)任何数据的需要。数据留在一个目标存储介质14上的适当的位置中，因此，显著简化了对系统的管理，并且，I/O重导向(re-direction)不需要不断地调整以指向最新的目标。还可以减少总容量利用，因为系统不以多个目标上的两个(或多个)分配的粒度而结束，其中一些粒度被简单地标注为“陈旧”，但是仍然被分配。
图5示出使用位图18的存储系统。代替使用例如四个存储介质P、Q、R和S的级联(其中，S是低性能存储介质12，而P、Q和R是不同的目标)，仅使用两个盘R+S。可见，虽然存储系统仅具有一个空间高效目标14，但是系统维持与此单个目标14关联的多个位图。每个位图是指在经过的时间段之一的末尾处驻留在空间高效目标14上的数据。例如，位图1覆盖在时段2X至3X期间更新的数据(等效于目标R)，位图2覆盖在时段X至2X期间更新的数据(等效于目标Q)，而位图3覆盖在时段X期间更新的数据(等效于目标P)。
当频繁存取的数据重命中时，按照以上说明，代替现在必须将整个粒度从目标P复制到目标R，控制器可以简单地更新位图3以显示数据已经在最新的时段期间被存取，然后扰乱(unset)位图1中的比特。现在仅仅将此粒度的新I/O写入到单个目标盘14。因此，如果I/O仅4K，并且粒度大小是64K，则已经节省了系统中60K的带宽。因此，系统现在已经(通过改变元数据中的两个比特)“移动了”要在最新的目标上的数据，而无需任何物理数据移动。同样地，系统不以相同粒度的两个复制(在不同的目标上以及对应于不同的时间点)而结束，在盘14上仅存在最新版本的粒度，因此，对于频繁存取的数据，使用的容量(在目标上)已经削减了50％。随着系统继续前进至下个时间段(如4X)，控制器将仅需要将新位图18初始化为全零。系统不需要创建新目标，也不需要移动I/O重导向层以指向新目标。整个系统仅驻留在单个目标14上。
在图6中概述操作存储系统的方法。该方法包括将映像存储在第一存储介质12上的第一个步骤S1，其后是启动从第一存储介质12到第二存储介质14的复制功能的步骤S2、以及将对于所述映像的所有IO存取导向第二存储介质14的步骤S3。下个步骤是周期性地从第二存储介质14向第一存储介质12对数据进行老化的步骤S4、为每个时段创建新的空位图18的步骤S5、以及最终的步骤S6，即：响应于对映像中的数据的IO存取，更新最新的位图18以指示数据已经被存取，并更新在前的位图18以指示数据尚未被存取。

Claims (10)

1.一种数据存储系统，包括控制器、第一低性能存储介质、以及第二高性能存储介质，所述控制器连接到所述存储介质，并被配置为控制对所述存储介质的IO存取，其中，所述控制器被配置为：
在第一存储介质上存储映像；
启动从第一存储介质到第二存储介质的复制功能，其中所述复制功能为当存在对第一存储介质所存储的映像内的任何数据的读存取或写存取时，把数据复制到第二存储介质，并且其中，对于所述写存取，只要在所述第一存储介质上发现该数据，便从其当前的位置对其进行读取，将其与新的写数据合并，并写入到第二存储介质；
将对于所述映像的所有IO存取导向第二存储介质；
周期性地从第二存储介质向第一存储介质对数据进行老化；
为每个时段创建新的空位图；以及
响应于对所述映像中的数据的IO存取，更新最新的位图以指示数据已经被存取，并更新在前的位图以指示数据尚未被存取。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述控制器被配置为：当周期性地从第二存储介质向第一存储介质对数据进行老化时，在预设时间段之后执行老化。
3.如权利要求2所述的系统，其中，所述控制器被配置为：当周期性地从第二存储介质向第一存储介质对数据进行老化时，将在预定时间长度内未被存取的数据从第二存储介质复制到第一存储介质。
4.如权利要求3所述的系统，其中，所述控制器被配置为：当周期性地从第二存储介质向第一存储介质对数据进行老化时，根据现有最旧的位图执行老化。
5.如权利要求4所述的系统，其中，所述控制器还被配置为：在周期性地从第二存储介质向第一存储介质对数据进行老化之后，删除现有最旧的位图。
6.一种操作数据存储系统的方法，所述系统包括控制器、第一低性能存储介质、以及第二高性能存储介质，所述控制器连接到所述存储介质，并被配置为控制对所述存储介质的IO存取，其中，所述方法包括步骤：
在第一存储介质上存储映像；
启动从第一存储介质到第二存储介质的复制功能，其中所述复制功能为当存在对第一存储介质所存储的映像内的任何数据的读存取或写存取时，把数据复制到第二存储介质，并且其中，对于所述写存取，只要在所述第一存储介质上发现该数据，便从其当前的位置对其进行读取，将其与新的写数据合并，并写入到第二存储介质；
将对于所述映像的所有IO存取导向第二存储介质；
周期性地从第二存储介质向第一存储介质对数据进行老化；
为每个时段创建新的空位图；以及
响应于对所述映像中的数据的IO存取，更新最新的位图以指示数据已经被存取，并更新在前的位图以指示数据尚未被存取。
7.如权利要求6所述的方法，其中，周期性地从第二存储介质向第一存储介质对数据进行老化的步骤包括：在预设时间段之后执行老化。
8.如权利要求7所述的方法，其中，周期性地从第二存储介质向第一存储介质对数据进行老化的步骤包括：将在预定时间长度内未被存取的数据从第二存储介质复制到第一存储介质。
9.如权利要求8所述的方法，其中，周期性地从第二存储介质向第一存储介质对数据进行老化的步骤包括：根据现有最旧的位图执行老化。
10.如权利要求9所述的方法，还包括：在周期性地从第二存储介质向第一存储介质对数据进行老化之后，删除现有最旧的位图。
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