CN102945207A - 一种块级数据的缓存管理方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明披露了一种块级数据的缓存管理方法及系统，其中方法包括：在存储服务器的第一级缓存和磁盘阵列之间添加SSD作为第二级缓存；当客户端发出写请求时，若判断客户端缓存、本端第一级、第二级缓存中不存在请求写入的数据块，则将该数据块写入有空闲空间的第二级缓存中；当客户端发出读请求时，若判断客户端缓存、本端第一级、第二级缓存中不存在请求读取的数据块，则从磁盘阵列中读取该数据块到第二级缓存，或若判断第二级缓存中存在请求读取的数据块，则将第二级缓存中的该数据块上浮到客户端缓存。本发明降低了客户端数据块在系统中的冗余度。

Description

一种块级数据的缓存管理方法及系统
技术领域
本发明涉及计算机应用技术领域，尤其涉及基于块级数据的缓存管理方法及系统。
背景技术
针对目前基于solaris操作系统的存储服务器把内存当作缓存的现状来说，缓存的容量受到一定的限制。在现阶段，存储服务器上的缓存机制以及各级缓存上数据块的排它机制策略主要存在如下缺点：
(1)在基于solaris系统的存储服务器中，大部分都是把内存当作缓存用，这也是为什么存储服务器系统内存占用率比较高的原因。但这样一来，也接踵带来了其它问题：第一，内存的价格比较高，会增加客户的成本投入；第二，会降低存储服务器系统对用户处理事件的响应速度。
(2)在系统多级缓存共存的情况下，当前的缓存策略无法高效地提高存储服务器读取数据的能力，多级缓存机制会导致一个数据块被存储于多个缓存层次中，即该数据块在整个缓存结构中存在多个副本。传统的排它缓存策略，在不修改客户机软件和I/O接口情况下，因无法很好地实现排它缓存机制而需要牺牲服务器本地缓存的性能；或者为了保证存储服务器本地缓存的高性能，就必须修改客户机软件和I/O接口；二者无法兼顾，导致数据替换策略的效率不高。
因此，如何提高缓存的容量和高效地利用现有的缓存空间，如何在存储服务器上增加一个缓存介质层，以及如何降低各级缓存中的数据块冗余度，已成为研究解决存储服务器上的缓存机制存在问题的重点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种块级数据的缓存管理方法及系统，能够有效地降低系统各级缓存中的数据块冗余度。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种块级数据的缓存管理方法，包括：
在存储服务器的第一级缓存和磁盘阵列之间添加固态硬盘作为第二级缓存；
存储服务器在客户端发出写请求时，若判断客户端缓存、本端第一级缓存以及第二级缓存中均不存在请求写入的数据块，则将该数据块写入有空闲空间的第二级缓存中；在客户端发出读请求时，若判断客户端缓存、本端第一级缓存以及第二级缓存中均不存在请求读取的数据块，则从磁盘阵列中读取该数据块到第二级缓存，或者，若判断第二级缓存中存在请求读取的数据块，则将第二级缓存中的该数据块上浮到客户端缓存。
进一步地，存储服务器收到客户端的所述读写请求时，通过请求读写的数据块的标识查找客户端或者本端保存的数据块信息记录，判断客户端缓存或本端第一级缓存或第二级缓存中是否存在相应的数据块。
进一步地，该方法还包括：
存储服务器若判断本端第一级缓存存在请求读取的数据块，将第一级缓存中的该数据块上浮到客户端缓存。
进一步地，该方法还包括：
存储服务器若判断客户端缓存存在请求读取的数据块，或者该数据块已从本端第一级缓存或第二级缓存上浮到客户端缓存，则在请求回复中指示客户端从客户端缓存中读取数据块；
客户端根据存储服务器的回复从本端缓存读取相应的数据块。
进一步地，存储服务器若判断本端第一级缓存或第二级缓存没有空闲空间供数据块写入，还包括：
将数据块在第一级缓存中的驻存时间作为第一级缓存淘汰数据的依据，或者将数据块在第二级缓存中的驻存时间作为第二级缓存淘汰数据的依据，将在第一级缓存或第二级缓存中驻存时间最长的数据块优先淘汰，来获取所述空闲空间。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种块级数据的缓存管理系统，包括存储服务器端和向存储服务器端发出数据块读写请求的客户端，其中，
存储服务器端，用于在第一级缓存和磁盘阵列之间添加固态硬盘作为第二级缓存；在客户端发出写请求时，若判断客户端缓存、本端第一级缓存以及第二级缓存中均不存在请求写入的数据块，则将该数据块写入有空闲空间的第二级缓存中；在客户端发出读请求时，若判断客户端缓存、本端第一级缓存以及第二级缓存中均不存在请求读取的数据块，则从磁盘阵列中读取该数据块到第二级缓存，或者，若判断第二级缓存中存在请求读取的数据块，则将第二级缓存中的该数据块上浮到客户端缓存。
进一步地，存储服务器端收到客户端的所述读写请求时，通过请求读写的数据块的标识查找客户端或者本端保存的数据块信息记录，判断客户端缓存或本端第一级缓存或第二级缓存中是否存在相应的数据块。
进一步地，存储服务器若判断本端第一级缓存存在请求读取的数据块，将第一级缓存中的该数据块上浮到客户端缓存。
进一步地，
存储服务器若判断客户端缓存存在请求读取的数据块，或者该数据块已从本端第一级缓存或第二级缓存上浮到客户端缓存，则在请求回复中指示客户端从客户端缓存中读取数据块；
客户端根据存储服务器的回复从本端缓存读取相应的数据块。
进一步地，存储服务器若判断本端第一级缓存或第二级缓存没有空闲空间供数据块写入，将数据块在第一级缓存中的驻存时间作为第一级缓存淘汰数据的依据，或者将数据块在第二级缓存中的驻存时间作为第二级缓存淘汰数据的依据，将在第一级缓存或第二级缓存中驻存时间最长的数据块优先淘汰，来获取空闲空间。
本发明通过在存储服务器上增加固态硬盘(SSD，Solid State Disk)用作缓存的机制来提高客户端机器的读写能力；同时，利用本发明系统中各级缓存的数据块替换策略来降低缓存空间中数据块的冗余性，既保证了缓存空间的高效利用，又保证了用户读取数据时数据块的命中率，可以为用户提供更高效的服务。
附图说明
图1是本发明的块级数据的缓存管理方法针对客户端写请求实施例的流程图；
图2是本发明的块级数据的缓存管理方法针对客户端读请求实施例的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和优选实施例对本发明的技术方案进行详细地描述。应该理解，以下列举的实施例仅用于说明和解释本发明，而不构成对本发明技术方案的限制。
本发明的块级数据的缓存管理方法实施例，包括：
在存储服务器端的第一级缓存和磁盘阵列之间添加SSD作为第二级缓存；
存储服务器在客户端发出写请求时，若判断客户端缓存、本端的第一级缓存以及第二级缓存中均不存在请求写入的数据块，则将该数据块写入有空闲空间的第二级缓存中；
存储服务器在客户端发出读请求时，若判断客户端缓存、本端的第一级缓存以及第二级缓存中均不存在请求读取的数据块，则从磁盘中读取该数据块到第二级缓存，或者，若判断第二级缓存中存在请求读取的数据块，则将第二级缓存中的该数据块上浮到客户端缓存。
上述方法实施例中，还包括：
存储服务器若判断本端第一级缓存存在请求读取的数据块，将第一级缓存中的该数据块上浮到客户端缓存。
上述方法实施例中，还包括：
存储服务器若判断客户端缓存存在请求读取的数据块，或者该数据块已从本端第一级缓存或第二级缓存上浮到客户端缓存，则在请求回复中指示客户端从客户端缓存中读取该数据块；
客户端根据存储服务器的回复从本端读取相应的数据块。
图1表示了上述方法中处理客户端写请求实施例的流程，包括如下步骤：
100：判断客户端缓存或存储服务器第一级缓存是否存在请求写入的数据块，是则回复客户端的写请求，否则执行下一步骤；
存储服务器接收到客户端机器的I/O请求时，首先通过请求数据块的标识查找客户端机器或者存储服务器中保存的数据块信息记录(譬如一数据块对应表)，判断客户端缓存或存储服务器第一级缓存中是否具有该数据块。如果不存在说明该数据块已被客户端机器的缓存淘汰或者最近没有写入过此数据块，需要重新载入该数据块到系统并更新客户端的数据块信息记录。
110：判断SSD缓存中是否存在请求的数据块，是则回复客户端的写请求，否则执行下一步骤；
类似地，通过数据块的标识查找存储服务器中保存的数据块信息记录，判断SSD缓存中是否具有该数据块。
120：判断SSD缓存是否有空闲空间，是则执行步骤140，否则执行下一步骤；
130：从SSD缓存中淘汰数据块获得空闲空间；
当存储服务器的第一、二级缓存没有空闲时，将数据块在各自缓存中的驻存时间作为淘汰数据的依据，即将驻存时间最长的数据块优先淘汰，来获取空闲空间，以进一步提高存储服务器缓存的性能。若一个数据块在客户端机器的缓存中驻留时间比较长，说明此数据块比较活跃，当此数据块被客户端机器缓存淘汰并且重新载入存储服务器的缓存以后，也会获得较长时间的驻留机会。这种缓存排它机制可实现存储服务器各级缓存中的高效性。
140：将请求写入的数据块写入SSD缓存，然后回复客户端的写请求。
图2表示了上述方法中处理客户端读请求的实施例流程，包括如下步骤：
210：判断客户端缓存中是否存在请求中的数据块，是则执行步骤220，否则执行步骤230；
220：指示用户从客户端缓存中读取该数据块，然后回复客户端的读请求；
230：判断存储服务器第一级缓存中是否存在请求的数据块，是则执行步骤240，否则执行步骤250；
240：将该数据块从第一级缓存上浮到客户端缓存，并更新数据块信息记录，然后执行步骤220；
250：判断SSD缓存中是否存在请求的数据块，是则执行步骤260，否则执行步骤270；
260：将该数据块从SSD缓存上浮到客户端缓存，并更新数据块信息记录，然后执行步骤220；
270：从磁盘中读取该数据块到SSD缓存，然后执行步骤280；
280：将该数据块从SSD缓存上浮到客户端缓存，并更新数据块信息记录，然后执行步骤220。
本发明在基于solaris系统的存储服务器上对缓存机制进行创新，在存储服务器的第一级缓存(内存)和磁盘阵列之间增加一层具有永久存储能力以及高速读写能力的SSD缓存，由此释放了大量内存的占用量，缩短了用户写操作的时间，提高了用户的写性能；同时，本发明在增加了SSD缓存机制的存储服务器系统上进行排它性算法的改进和创新，降低了存储服务器和客户端机器的缓存空间的数据块的冗余程度，提高了用户读取数据操作时的数据块命中率，缩短了数据的读取时间。
本发明利用SSD固态硬盘降低了第一级缓存(内存)和磁盘阵列之间的巨大速差，保证缓存数据块的可靠性，提高存储服务器系统性能和安全性。
本发明针对上述方法实施例，相应地还提供了块级数据的缓存管理系统实施例，包括客户端和存储服务器端，其中：
客户端，用于通过客户端缓存向存储服务器端发出数据块读写请求；
存储服务器端，用于在第一级缓存和磁盘阵列之间添加SSD作为第二级缓存；根据客户端发出的写请求以及客户端缓存、本端第一级缓存以及SSD缓存中均不存在请求写入的数据块，则将该数据块写入有空闲空间的SSD缓存中；根据客户端发出的读请求以及客户端缓存、本端第一级缓存以及SSD缓存中均不存在请求读取的数据块，则从磁盘阵列中读取该数据块到SSD缓存，或者，若判断SSD缓存中存在请求的数据块，则将SSD缓存中的该数据块上浮到客户端缓存。
在上述系统实施例中，
存储服务器端根据第一级缓存存在请求读取的数据块，将第一级缓存中的该数据块上浮到客户端缓存。
在上述系统实施例中，
存储服务器端根据客户端缓存存在请求读取的数据块，或者该数据块已从第一级缓存或SSD缓存上浮到客户端缓存，则在请求回复中指示客户端从客户端缓存中读取该数据块；
客户端根据存储服务器端的回复从本端缓存读取相应的数据块。
在上述系统实施例中，
存储服务器的第一、二级缓存没有空闲时，将数据块在各自缓存中的驻存时间作为淘汰数据的依据，亦即将驻存时间最长的数据块优先淘汰，来获取空闲空间。

Claims (10)

1.一种块级数据的缓存管理方法，其特征在于，包括：
在存储服务器的第一级缓存和磁盘阵列之间添加固态硬盘作为第二级缓存；
存储服务器在客户端发出写请求时，若判断客户端缓存、本端第一级缓存以及第二级缓存中均不存在请求写入的数据块，则将该数据块写入有空闲空间的第二级缓存中；在客户端发出读请求时，若判断客户端缓存、本端第一级缓存以及第二级缓存中均不存在请求读取的数据块，则从磁盘阵列中读取该数据块到第二级缓存，或者，若判断第二级缓存中存在请求读取的数据块，则将第二级缓存中的该数据块上浮到客户端缓存。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述存储服务器收到所述客户端的所述读写请求时，通过请求读写的数据块的标识查找所述客户端或者本端保存的数据块信息记录，判断客户端缓存或本端第一级缓存或第二级缓存中是否存在相应的数据块。
3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括：
所述存储服务器若判断本端第一级缓存存在请求读取的数据块，将第一级缓存中的该数据块上浮到所述客户端缓存。
4.按照权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括：
所述存储服务器若判断所述客户端缓存存在请求读取的数据块，或者该数据块已从本端第一级缓存或第二级缓存上浮到所述客户端缓存，则在请求回复中指示客户端从客户端缓存中读取所述数据块；
所述客户端根据所述存储服务器的所述回复从本端缓存读取相应的数据块。
5.按照权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，所述存储服务器若判断本端第一级缓存或第二级缓存没有空闲空间供数据块写入，还包括：
将数据块在第一级缓存中的驻存时间作为第一级缓存淘汰数据的依据，或者将数据块在第二级缓存中的驻存时间作为第二级缓存淘汰数据的依据，将在第一级缓存或第二级缓存中驻存时间最长的数据块优先淘汰，来获取所述空闲空间。
6.一种块级数据的缓存管理系统，包括存储服务器端和向存储服务器端发出数据块读写请求的客户端，其特征在于，
存储服务器端，用于在第一级缓存和磁盘阵列之间添加固态硬盘作为第二级缓存；在客户端发出写请求时，若判断客户端缓存、本端第一级缓存以及第二级缓存中均不存在请求写入的数据块，则将该数据块写入有空闲空间的第二级缓存中；在客户端发出读请求时，若判断客户端缓存、本端第一级缓存以及第二级缓存中均不存在请求读取的数据块，则从磁盘阵列中读取该数据块到第二级缓存，或者，若判断第二级缓存中存在请求读取的数据块，则将第二级缓存中的该数据块上浮到客户端缓存。
7.按照权利要求6所述的系统，其特征在于，
所述存储服务器端收到所述客户端的所述读写请求时，通过请求读写的数据块的标识查找所述客户端或者本端保存的数据块信息记录，判断所述客户端缓存或本端第一级缓存或第二级缓存中是否存在相应的数据块。
8.按照权利要求7所述的系统，其特征在于，
所述存储服务器若判断本端第一级缓存存在请求读取的数据块，将第一级缓存中的该数据块上浮到所述客户端缓存。
9.按照权利要求8所述的系统，其特征在于，
所述存储服务器若判断所述客户端缓存存在请求读取的数据块，或者该数据块已从本端第一级缓存或第二级缓存上浮到所述客户端缓存，则在请求回复中指示客户端从客户端缓存中读取所述数据块；
所述客户端根据所述存储服务器的所述回复从本端缓存读取相应的数据块。
10.按照权利要求9所述的系统，其特征在于，
所述存储服务器若判断本端第一级缓存或第二级缓存没有空闲空间供数据块写入，将数据块在第一级缓存中的驻存时间作为第一级缓存淘汰数据的依据，或者将数据块在第二级缓存中的驻存时间作为第二级缓存淘汰数据的依据，将在第一级缓存或第二级缓存中驻存时间最长的数据块优先淘汰，来获取所述空闲空间。
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