CN102591790B - 基于固态硬盘的数据存储快照实现方法及固态硬盘 - Google Patents

Abstract

本发明适用于计算机技术领域，提供了一种基于固态硬盘的数据存储快照实现方法，所述方法包括如下步骤：创建至少一快照空间；接收创建快照的指令，将所述固态硬盘正在使用的逻辑磁盘地址空间到物理磁盘地址空间的映射表保存至所述快照空间；将所述映射表中所有对应的物理页地址标记为数据有效。本发明还相应的提供一种固态硬盘。借此，本发明操作快照时，只需对快照空间中逻辑磁盘物地址到物理磁盘地址的映射表进行相应的操作，而不需要操作元数据，加快了快照操作速度，极大的降低了快照操作对固态硬盘使用寿命和读写性能的影响。

Description

基于固态硬盘的数据存储快照实现方法及固态硬盘

技术领域

本发明涉及计算机技术领域，尤其涉及一种基于固态硬盘的数据存储快照实现方法及固态硬盘。

背景技术

固态硬盘(SolidStateDrive简称SSD)是由控制单元和存储单元(FLASH芯片)组成，简单的说就是用固态电子存储芯片阵列而制成的硬盘，固态硬盘的接口规范和定义、功能及使用方法上与普通硬盘的相同，在产品外形和尺寸上也与普通硬盘一致。其芯片的工作温度范围很宽(-40～85℃)，目前广泛应用于军事、车载、工控、视频监控、网络监控、网络终端、电力、医疗、航空、导航设备等领域。固态硬盘特有的读写特性，导致主机系统在对其进行读写时，固态硬盘控制器的软件需要对这些读写操作做特殊处理，从而引入了垃圾回收(GarbageCollection：GC)、磨损平衡(WearLeveling：WL)、写放大系数(WriteAmplifier：WA)概念。GC是指SSD中对Page中的数据已经失效的这些Page的处理方法。WL是指SSD中为了延长其使用寿命，将SSD中各个Page、Block的擦写次数都维持在同一个基准点方法。固态硬盘的控制器中运行的软件有一个重要的功能模块：将主机系统读写硬盘时的逻辑地址转换成固态硬盘上NANDFlash的物理地址。这个模块一般称之为Flash转换层(FlashTranslationLayer：FTL)。这个模块主要维护着一个从逻辑磁盘地址到物理磁盘地址的转换映射关系数据，称之为L2P表。在SSD的某一个运行时刻，会有且只有一份L2P表是有效的。这个映射关系表之间决定了主机系统能够访问固态硬盘的数据空间，不在这个映射关系表中的固态硬盘物理磁盘空间对主机是透明的。

SNIA(StorageNetworkingIndustryAssociation)对快照(Snapshot)的定义是：关于指定数据集合的在某个时间点的一个完全可用拷贝，该拷贝包括相应数据在某个时间点(拷贝开始的时间点)的映像。快照可以是其所表示的数据的一个副本，也可以是数据的一个复制。快照的作用主要是能够进行在线数据备份与恢复。但目前的存储快照技术主要应用于网络存储系统，鲜有在SSD中使用快照技术的，在少有的SSD上使用快照技术的应用中，参见图1所示的实施例，将固态硬盘上的磁盘空间区分为数据区域101和快照区域102，在创建快照时，需要把区域101的快照元数据搬移到区域102；在删除快照时需要把区域102的元数据删除；在恢复快照时，需要把区域102的元数据搬移到区域中101。在这种处理过程中，会涉及到快照元数据的大量读写操作，一方面会对固态硬盘的读写性能造成负面影响，另一方面受限于固态硬盘的读写特性，这种快照数据的处理方式会导致固态硬盘的写放大系数扩大，减少固态硬盘的使用寿命。因此机械硬盘上传统的快照处理方式，直接应用到固态硬盘上的缺点非常大。也没有考虑到SSD固有的一些特性，导致传统的快照实现技术在SSD上存在很大的局限，比如创建快照时会造成SSD大量额外的读写开销、会扩大写放大系数、减少SSD的使用寿命等。

综上可知，现有的固态硬盘的快照处理方法，在实际使用上显然存在不便与缺陷，所以有必要加以改进。

发明内容

针对上述的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于固态硬盘的数据存储快照实现方法及固态硬盘，其可以提高快照的操作速度，优化固态硬盘快照数据的读写性能。

为了实现上述目的，本发明提供一种基于固态硬盘的数据存储快照实现方法，所述方法包括如下步骤：

创建至少一快照空间；

接收创建快照的指令，将所述固态硬盘正在使用的逻辑磁盘地址空间到物理磁盘地址空间的映射表保存至所述快照空间；

将所述映射表中所有对应的物理页地址标记为数据有效。

根据本发明的基于固态硬盘的数据存储快照实现方法，所述将所述映射表中所有对应的物理页地址标记为数据有效步骤之后进一步包括：

将所述映射表中所有对应的物理页地址与所述固态硬盘上已经存在的所有快照数据中的有效物理页地址合并后，更新所述固态硬盘上的有效物理页地址信息。

根据本发明的基于固态硬盘的数据存储快照实现方法，所述创建至少一快照空间步骤包括：

生成与所述快照空间对应的操作密码。

根据本发明的基于固态硬盘的数据存储快照实现方法，所述方法还包括：

根据当前所述物理磁盘有效页信息进行垃圾回收和磨损平衡处理。

根据本发明的基于固态硬盘的数据存储快照实现方法，所述方法还包括：

接收删除所述快照指令，删除所述快照对应的逻辑磁盘地址到物理磁盘地址的映射表，并将该映射表中特有的有效页数据标记为无效页，同时更新所述固态硬盘上的有效物理页地址信息；和/或

接收恢复所述快照指令，根据所述恢复快照指令的参数中选择是否需要保存当前处于运行态的逻辑磁盘地址到物理磁盘地址的信息，并将所述固态硬盘上指定的逻辑磁盘地址到物理磁盘地址映射表加载到运行态。

本发明相应的提供一种固态硬盘，包括：

空间创建模块，用于创建至少一快照空间；

快照生成模块，用于接收创建快照的指令，将所述固态硬盘正在使用的逻辑磁盘地址空间到物理磁盘地址空间的映射表保存至所述快照空间；

标记模块，用于将所述映射表中所有对应的物理页地址标记为数据有效。

根据本发明的固态硬盘，所述固态硬盘还包括信息更新模块，用于将所述映射表中所有对应的物理页地址与所述固态硬盘上已经存在的所有快照数据中的有效物理页地址合并后，更新所述固态硬盘上的有效物理页地址信息。

根据本发明的固态硬盘，所述空间创建模块包括密码生成子模块，用于生成与所述快照空间对应的操作密码。

根据本发明的固态硬盘，所述固态硬盘还包括垃圾回收模块和磨损平衡处理模块，分别用于根据当前所述物理磁盘有效页信息进行垃圾回收和磨损平衡处理。

根据本发明的固态硬盘，所述固态硬盘还包括：

快照删除模块，用于接收删除所述快照指令，删除所述快照对应的逻辑磁盘地址到物理磁盘地址的映射表，并将该映射表中特有的有效页数据标记为无效页，同时更新所述固态硬盘上的有效物理页地址信息；和/或

快照恢复模块，用于接收恢复所述快照指令，根据所述恢复快照指令的参数中选择是否需要保存当前处于运行态的逻辑磁盘地址到物理磁盘地址的信息，并将所述固态硬盘上指定的逻辑磁盘地址到物理磁盘地址映射表加载到运行态。

本发明通过在固态硬盘的存储区内创建一快照空间用于存储快照数据，当接收到创建快照的指令时，固态硬盘将正在使用的逻辑磁盘地址空间到物理磁盘地址空间的映射表保存至快照空间中，同时将该映射表中所有对应的物理页地址标记为数据有效，借此，本发明可以通过映射表的操作完成对快照的操作，比如对映射表的保存、删除及恢复功能，均可通过对映射表的执行操作完成，加快了快照操作速度，极大的降低快照操作对固态硬盘使用寿命和读写性能的影响。

附图说明

图1是现有技术的固态硬盘快照结构示意图；

图2是本发明一实施例的固态硬盘的结构示意图；

图3是本发明另一实施例的固态硬盘的结构示意图；

图4是本发明一实施例的创建快照的存储结构示意图；

图5是本发明一实施例的快照应用的存储结构示意图；

图6是本发明一实施例的删除快照的存储结构示意图；

图7是本发明一实施例的存储快照实现方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图2，本发明提供了一种应用存储快照技术的固态硬盘，该固态硬盘100包括：

空间创建模块10，用于创建至少一快照空间。本发明的快照空间即可以存储快照数据，也可以储存快照映射表，本实施例中以存储快照映射表为例加以描述。

快照生成模块20，用于接收创建快照的指令，将固态硬盘100正在使用的逻辑磁盘地址空间到物理磁盘地址空间的映射表保存至快照空间。结合图4所示的创建快照的实施例，当固态硬盘100接收到主机创建快照的指令，且当前状态满足创建快照的要求，固态硬盘100就可以开始创建快照数据。本发明的实施例在创建快照时，只需要把固态硬盘100正在使用的逻辑磁盘地址空间到物理磁盘地址空间的映射表41保存起来，无需把传统快照实施方法中需要搬移的元数据区域42保存，同样的，当需要生成元数据区44的快照时，只需可在其映射表43即可。

标记模块30，用于将创建的映射表中所有对应的物理页地址标记为数据有效。当映射表被保存，即生成快照时，映射表中相应的物理页地址被标记为有效才能被进一步访问，以及进行其它操作，比如恢复、增减数据等。

本发明通过主机给固态硬盘100发送操作快照的指令，固态硬盘100接收主机操作快照的指令后，执行相应的操作。本发明实施例在进行快照操作时无需对快照元数据做搬移操作，只需对快照空间中记录的逻辑磁盘物地址到物理磁盘地址的映射关系表进行保存和恢复操作，借此提高快照操作速度，极大的降低了快照操作对固态硬盘使用寿命和读写性能的影响。

更好的是，本发明的空间创建模块10具有一密码生成子模块11，用于生成与所述快照空间对应的操作密码。结合图2所示的本发明的另一实施例，主机对固态硬盘100进行快照操作时，可选择是否启用密码保护，如果启用密码，则对固态硬盘100的快照进行操作时需首先输入密码，借此限制对固态硬盘100上快照信息的读写操作，保证固态硬盘100的数据安全。

该实施例中，固态硬盘100还包括：

信息更新模块40，用于将快照空间映射表中所有对应的物理页地址与固态硬盘100已经存在的所有快照数据中的有效物理页地址合并后，更新固态硬盘100上的有效物理页地址信息。

垃圾回收模块50和磨损平衡处理模块60，分别用于根据当前所述物理磁盘有效页信息进行垃圾回收和磨损平衡处理。需要说明的是，垃圾回收模块50和磨损平衡处理模块60在对固态硬盘100中的数据进行垃圾回收和磨损平衡处理时，不区分固态硬盘100上的快照是否处于运行态，只根据当前系统中的物理磁盘有效页信息进行垃圾回收和磨损平衡处理。

快照删除模块70，用于接收主机的删除快照指令，删除所述快照对应的逻辑磁盘地址到物理磁盘地址的映射表，并将该映射表中特有的有效页数据标记为无效页，同时更新固态硬盘100上的有效物理页地址信息。结合图6所示的删除快照的示意图，固态硬盘100当前在使用元数据区64对应的#2快照的映射表63时，删除了元数据区62对应的#1快照的映射表61，此时映射表61所占据的物理磁盘地址空间就被释放出来，可以被映射表63映射成有效的逻辑磁盘地址，同时元数据区62的元数据可以进行磨损平衡和垃圾回收处理，同样的区域66及对应的映射表65处理时采用相同的处理方式。

快照恢复模块80，用于接收主机发送的恢复快照指令，根据所述恢复快照指令的参数选择是否需要保存当前处于运行态的逻辑磁盘地址到物理磁盘地址的信息，并将固态硬盘100上指定的逻辑磁盘地址到物理磁盘地址映射表加载到运行态。

本发明的快照应用不限于以上操作，还可以对快照进行其它操作，比如查询快照，固态硬盘100可根据主机的指令参数返回当前固态硬盘100中所有的快照信息或某个特定快照的信息。

参见图5所示的本发明的另一实施例，固态硬盘100当前在使用#2快照的映射表53时，其它快照占据的物理磁盘地址空间(如#1快照映射表51占用的物理磁盘地址空间)对于元数据区域54的映射表53是透明的，映射表53无法访问到映射表51所占用的物理磁盘地址空间，即不能通过逻辑地址映射到映射表51所占用的物理磁盘空间，从而也不能通过映射表53来访问区域52的元数据，但固态硬盘100的垃圾回收模块50和磨损平衡处理模块60可以对区域52的元数据进行磨损平衡和垃圾回收处理，对于其它区域如，区域56及对应的映射表55具有相同的处理过程。

优选的是，本发明的固态硬盘100上电运行时，可根据主机的指令，决定加载哪个快照的逻辑磁盘地址到物理磁盘地址的映射关系表，从而恢复相应的快照，默认加载最近一次掉电时保存的隐藏快照；固态硬盘100在即将掉电停止运行时，自动把当前处于运行态的逻辑磁盘地址到物理磁盘地址的映射表保存起来，这个映射关系表也是一个隐藏的快照，但这个快照对主机是透明的；当固态硬盘100恢复快照时，只将当前快照的逻辑磁盘地址到物理磁盘地址的映射关系表中的物理磁盘空间呈现给主机系统，其它快照元数据占有的物理磁盘空间对主机是透明，主机无法访问到这些物理磁盘空间。

图7是本发明一实施例的存储快照实现方法流程图，该方法通过如图2或3所示的固态硬盘100实现，所述方法包括：

步骤S701，空间创建模块10创建至少一快照空间。该步骤中，固态硬盘100还可以通过密码生成子模块生成与快照空间对应的操作密码，借此使主机每次访问对快照数据进行操作时需先进行密码验证，借此保证数据的安全性。

步骤S702，快照生成模块20接收创建快照的指令，并将固态硬盘100正在使用的逻辑磁盘地址空间到物理磁盘地址空间的映射表保存至所述快照空间。本发明的快照通过保存映射表实现，当需要对快照进行操作时，比如，删除、恢复、查询等，只需对快照空间中逻辑磁盘物地址到物理磁盘地址的映射关系表进行相应的删除、恢复和查询操作，不必操作元数据，借此提高快照操作速度。

步骤S703，标记模块30将映射表中所有对应的物理页地址标记为数据有效，且标记完后将所述映射表中所有对应的物理页地址与固态硬盘100上已经存在的所有快照数据中的有效物理页地址合并后，更新固态硬盘100上的有效物理页地址信息。

本发明的快照实现方法中，当完成上述生成快照的流程时，固态硬盘100即可接受主机的指令对快照进行其它操作，比如垃圾回收模块50和磨损平衡处理模块60分别根据当前物理磁盘有效页信息进行垃圾回收和磨损平衡处理。

固态硬盘100还可以接收删除所述快照指令，删除所述快照对应的逻辑磁盘地址到物理磁盘地址的映射表，并将该映射表中特有的有效页数据标记为无效页，同时更新所述固态硬盘上的有效物理页地址信息；或者

接收恢复所述快照指令，根据恢复快照指令的参数中选择是否需要保存当前处于运行态的逻辑磁盘地址到物理磁盘地址的信息，并将固态硬盘100上指定的逻辑磁盘地址到物理磁盘地址映射表加载到运行态。

综上所述，本发明通过在固态硬盘的存储区内创建一快照空间用于存储快照数据，当接收到创建快照的指令时，固态硬盘将正在使用的逻辑磁盘地址空间到物理磁盘地址空间的映射表保存至快照空间中，同时将该映射表中所有对应的物理页地址标记为数据有效，借此，本发明可以通过映射表的操作完成对快照的操作，比如对映射表的保存、删除及恢复功能，均可通过对映射表的执行操作完成，加快了快照操作速度，极大的降低快照操作对固态硬盘使用寿命和读写性能的影响。

当然，本发明还可有其它多种实施例，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 (8)

1.一种基于固态硬盘的数据存储快照实现方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤:

创建至少一快照空间；

接收创建快照的指令，将所述固态硬盘正在使用的逻辑磁盘地址空间到物理磁盘地址空间的映射表保存至所述快照空间，且不搬移快照元数据；

将所述映射表中所有对应的物理页地址标记为数据有效；

将所述映射表中所有对应的物理页地址与所述固态硬盘上已经存在的所有快照数据中的有效物理页地址合并后，更新所述固态硬盘上的有效物理页地址信息。

2.根据权利要求1所述的基于固态硬盘的数据存储快照实现方法，其特征在于，所述创建至少一快照空间步骤包括：

生成与所述快照空间对应的操作密码。

3.根据权利要求1所述的基于固态硬盘的数据存储快照实现方法，其特征在于，所述方法还包括：

根据当前所述物理磁盘有效页信息进行垃圾回收和磨损平衡处理。

4.根据权利要求1所述的基于固态硬盘的数据存储快照实现方法，其特征在于，所述方法还包括：

接收删除所述快照指令，删除所述快照对应的逻辑磁盘地址到物理磁盘地址的映射表，并将该映射表中特有的有效页数据标记为无效页，同时更新所述固态硬盘上的有效物理页地址信息；和/或

接收恢复所述快照指令，根据所述恢复快照指令的参数中选择是否需要保存当前处于运行态的逻辑磁盘地址到物理磁盘地址的信息，并将所述固态硬盘上指定的逻辑磁盘地址到物理磁盘地址映射表加载到运行态。

5.一种固态硬盘，其特征在于，包括：

空间创建模块，用于创建至少一快照空间；

快照生成模块，用于接收创建快照的指令，将所述固态硬盘正在使用的逻辑磁盘地址空间到物理磁盘地址空间的映射表保存至所述快照空间，且不搬移快照元数据；

标记模块，用于将所述映射表中所有对应的物理页地址标记为数据有效；

信息更新模块，用于将所述映射表中所有对应的物理页地址与所述固态硬盘上已经存在的所有快照数据中的有效物理页地址合并后，更新所述固态硬盘上的有效物理页地址信息。

6.根据权利要求5所述的固态硬盘，其特征在于，所述空间创建模块包括密码生成子模块，用于生成与所述快照空间对应的操作密码。

7.根据权利要求5所述的固态硬盘，其特征在于，所述固态硬盘还包括垃圾回收模块和磨损平衡处理模块，分别用于根据当前所述物理磁盘有效页信息进行垃圾回收和磨损平衡处理。

8.根据权利要求5所述的固态硬盘，其特征在于，所述固态硬盘还包括：

快照删除模块，用于接收删除所述快照指令，删除所述快照对应的逻辑磁盘地址到物理磁盘地址的映射表，并将该映射表中特有的有效页数据标记为无效页，同时更新所述固态硬盘上的有效物理页地址信息；和/或

快照恢复模块，用于接收恢复所述快照指令，根据所述恢复快照指令的参数中选择是否需要保存当前处于运行态的逻辑磁盘地址到物理磁盘地址的信息，并将所述固态硬盘上指定的逻辑磁盘地址到物理磁盘地址映射表加载到运行态。