CN103036914A - 一种避免高并发下数据读写瓶颈的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种避免高并发下数据读写瓶颈的方法；在全iSCSI协议构建的企业级存储系统中，IPSAN控制服务器将虚拟的存储空间划分成多个逻辑卷，并分配给多个应用服务器使用；由于虚拟化管理的存在，IPSAN控制服务器可以使一个逻辑卷地址与多个所述单块iSCSI硬盘的物理地址相映射，使同一个所述硬盘的存储资源会分配给多个应用服务器使用；因此，通过对IPSAN控制服务器制定一种操作方法及流程，使其可以将应用服务器所要操作的数据块所对应的逻辑卷地址与非热点访问的所述硬盘的物理地址相对应，避免由于某块所述硬盘上出现集中访问，而导致所述硬盘达到读写瓶颈时，对整个企业级存储系统的性能造成严重影响。
Description
技术领域
本发明涉及数据传输及存储领域，特别是涉及以iSCSI硬盘为基础构建的全iSCSI协议企业级存储系统在多应用服务器访问模式下避免出现高并发数据读写瓶颈的方法。
背景技术
SAN(storage area network)是计算机信息处理技术中的一种架构，它将应用服务器和远程的计算机存储设备(如硬盘阵列、磁带库)连接起来。通过协议转换程序和网络驱动程序的作用，使应用服务器将这些网络存储设备认同为本地存储设备一样。IPSAN则是应用IP技术的SAN网络，传输介质为IP网(采用IP协议的所有计算机相互连接而成的网络，即使用IP协议的互连网络)，其典型应用就是iSCSI存储访问协议。在由单块iSCSI硬盘(由一块硬盘与一个iSCSI目标端控制芯片组成)节点通过交换机和IPSAN控制服务器构成的企业级存储系统中(如图1所示)，IPSAN控制服务器对硬盘阵列进行虚拟化管理，并在存储的虚拟化的基础上将虚拟的存储空间划分成多个逻辑卷(逻辑卷是由逻辑磁盘形成的虚拟盘，也可称为磁盘分区)，分配给多个应用服务器使用。由于虚拟化管理的存在，同一个物理硬盘的存储资源会分配给多个应用服务器使用。多个应用服务器在对各自分配的逻辑卷进行高并发读写操作时，会造成对某个物理硬盘的集中访问。由于硬盘的内部传输速率只有约100MB/s左右，因此在高并发读写情况下，如果不采取措施加以解决，会因为某个被集中访问物理硬盘的读写瓶颈，而对整个存储系统的性能造成严重影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种企业级存储系统的数据传输方法，解决分布式全iSCSI协议构建的企业级存储系统中，多个应用服务器在对各自分配的逻辑卷进行高并发读写操作时，由于对某个物理硬盘的集中访问，从而导致整个存储系统性能严重下降的问题。
本发明通过以下技术方案实现上述目的：
一种避免高并发下数据写瓶颈的方法，包括以下步骤：
WS1、应用服务器发出写请求，并将所述应用服务器所对应的逻辑卷LBA值传递给IPSAN控制服务器；
WS2、IPSAN控制服务器按照细条带化原则为所述写请求分配系统内硬盘的IP集合；
WS3、IPSAN控制服务器选择未达到满占用带宽的硬盘IP集合；
WS4、IPSAN控制服务器使所述逻辑卷LBA与所述未达到满占用带宽硬盘IP集合内的尚未占用的物理LBA地址相映射；
WS5、应用服务器根据映射后的硬盘IP和物理LBA地址进行写操作；
WS6、应用服务器在完成写过程后，通知IPSAN控制服务器。
所述避免高并发下数据写瓶颈的方法，还可以通过以下技术方案进一步完善：
所述步骤WS3，进一步包括以下步骤：
WS3-a、IPSAN控制服务器分别判断系统内所有硬盘构成的IP集合内的每个硬盘的当前读/写任务带宽占用是否超过硬盘传输极限；
WS3-b、将超过传输极限的硬盘的IP从所述所有硬盘IP集合中删除，使其成为未达到满占用带宽的硬盘IP集合。
在所述步骤WS4之后，进一步包括以下步骤：
WS4-2、IPSAN控制服务器将逻辑卷LBA与物理硬盘LBA之间的映射关系记录在映射表中；
WS4-3、IPSAN控制服务器更新读/写任务负荷表，增大参与所述写操作的每个硬盘的负荷记录。
在所述步骤WS6之后，进一步包括步骤WS6-2：IPSAN控制服务器更新读/写任务负荷表，减小参与所述写操作的每个硬盘的负荷记录。
一种避免高并发下数据读瓶颈的方法，包括如下步骤：
RS1、应用服务器发出读请求，IPSAN控制服务器查找与被读取数据的逻辑LBA相映射的被读取数据的物理LBA集合及其镜像数据的物理LBA集合；
RS2、IPSAN控制服务器选择物理LBA集合，并传递给应用服务器；
RS3、应用服务器根据步骤RS2所选择的物理LBA集合，进行读操作；
RS4、应用服务器在完成读过程后，通知IPSAN控制服务器。
所述避免高并发下数据读瓶颈的方法，还可以通过以下技术方案进一步完善：
在所述步骤RS1中，IPSAN控制服务器根据逻辑卷LBA与硬盘的物理LBA映射关系的映射表，查找与所述逻辑LBA相映射的所述被读取数据的物理LBA集合及其镜像数据的物理LBA集合。
所述步骤RS2进一步包括以下步骤：
RS2-a、IPSAN控制服务器分别判断所述被读取数据的物理LBA集合内每个物理LBA所属的硬盘是否超过传输极限；
RS2-b、IPSAN控制服务器优先选择所属硬盘未超过传输极限的物理LBA和所属硬盘超过传输极限的所述物理LBA所对应的所述镜像数据的物理LBA，传递给应用服务器；
RS2-c、IPSAN控制服务器更新读/写任务负荷表，增大各个参与读操作硬盘的负荷记录。
在所述步骤RS4之后，进一步包括步骤RS4-2：IPSAN控制服务器更新读/写任务负荷表，减小参与所述读操作的每个硬盘的负荷记录。
本发明的有益效果
本发明的避免高并发下数据读写瓶颈的方法为全iSCSI协议构建的企业级存储系统中的IPSAN控制服务器提供了一种操作流程，使得单块iSCSI硬盘节点阵列中的单块硬盘上任何时刻进行的读/写操作所形成的数据流带宽小于硬盘的传输极限；使整个企业级存储系统内的读写操作保持通畅，避免出现阻塞和等待，有效提高了整个系统的存储性能和存储速度。
附图说明
图1为全iSCSI协议构建的企业级存储结构图；
图2为本发明的避免高并发下数据写瓶颈的方法的流程图；
图3为本发明的避免高并发下数据读瓶颈的方法的流程图；
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，对本发明的一种避免高并发下数据读写瓶颈的方法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。
如图1所示的企业级存储系统，采用单块iSCSI硬盘(由一块硬盘与一个iSCSI目标端控制芯片组成)的节点阵列，通过交换机集群与IPSAN控制服务器互联形成；所述存储系统的特点是：可以将每一块iSCSI硬盘的数据吞吐带宽简单加和，形成所述存储系统面向所述iSCSI硬盘阵列的数据交换的总带宽(下行带宽)。(注：这里的带宽是指在固定的时间可传输的资料量，在数字设备中以bps表示，即每秒可传输之数据位数。)而所述存储系统对用户提供的吞吐带宽则取决于各个前端交换机面向应用服务器所提供的交换带宽总和(上行带宽)，并且通过配置，可以使得所述上行带宽略小于所述下行带宽，例如：上行带宽80Gbps，下行带宽120Gbps，使其更有利于避免所述存储系统内出现高并发读写瓶颈，既所述硬盘阵列中的所有硬盘未达到满负荷状态，便可以满足应用服务器对系统数据的读写请求。
本发明的避免高并发下数据读写瓶颈的方法，是在上述企业级存储系统中，针对IPSAN控制服务器采取一种操作流程，使得所述单块iSCSI硬盘节点阵列中的单块硬盘上任何时刻进行的读/写操作所形成的数据流带宽小于其接入所述存储系统时的瓶颈带宽(单块硬盘内部实际传输速度和所述存储系统内千兆以太网速度之中的较小者)，进而避免单块硬盘上出现集中访问的情况。
本发明的避免高并发下数据读写瓶颈方法的原理如下：
如图1所示的企业级存储系统中，在IPSAN控制服务器对应用服务器的存储操作进行虚拟化管理过程中，将虚拟的存储空间划分成多个逻辑卷，并分配给多个应用服务器使用；由于虚拟化管理的存在，IPSAN控制服务器可以使一个逻辑卷地址与多个所述单块iSCSI硬盘的物理地址相映射，使同一个所述硬盘的存储资源会分配给多个应用服务器使用；因此，通过对IPSAN控制服务器制定一种操作方法及流程，使应用服务器所要操作的数据块所对应的逻辑卷地址与非热点访问的所述单块iSCSI硬盘集合的物理地址集合相对应，避免由于某块所述硬盘上出现集中访问而导致达到读写瓶颈时，对整个所述企业级存储系统的性能造成严重影响。
在本发明的避免高并发下数据读写瓶颈方法的具体实施中，我们首先在IPSAN控制服务器上建立一个或多个未被占用的虚拟存储空间列表(依据组成所述企业级存储系统的存储介质的类型进行建表，譬如存储介质分别为：SSD(固态硬盘)、SAS硬盘(串行连接SCSI硬盘)和SATA硬盘(串口硬盘)。)，并为每一个应用服务器划分一个对应所述未被占用虚拟存储空间的逻辑卷地址(逻辑卷地址可以代表单一存储介质或多种存储介质的搭配组合的存储单元)；同时，在IPSAN控制服务器上建立并实时更新关于所述存储系统中所有硬盘(IP地址)的读/写负荷表；同时还为每个应用服务器建立一份用于记录逻辑卷LBA与硬盘的物理LBA映射关系的映射表，并实时更新。
所述读/写负荷表内至少包含有所述企业级存储系统中各个单块iSCSI硬盘的“IP地址”及其当前的读写“带宽占用值”(即IP地址所对应的硬盘的数量化的读/写繁忙度)两个字段；而所述逻辑卷LBA与硬盘物理LBA之间的映射表，则至少包括有：“逻辑卷LBA值”、“逻辑卷LBA块大小(以该LBA地址起始的连续的LBA的数目)”、“物理卷IP地址”、“物理卷LBA值”等几个字段，并以“逻辑卷LBA值”为索引字段，方便应用服务器读取数据时，对映射记录的查找。
所述单块iSCSI硬盘分配给所述应用服务器的写任务的带宽大小，取决于能够访问所述硬盘的应用服务器的读写带宽的总和以及细条带化程度。(细条带化：是把连续的数据分解成大小相同的数据块，把数据块分别写到阵列中不同的磁盘上的方法。)例如，某个应用服务器在数据细条带化时，可以分散写入M1个硬盘，并且所述应用服务器的读写带宽为D1 Gbps，那么应用服务器分配给所述M1个硬盘中每个硬盘的带宽约为：B1＝D1/M1 Gbps。如果，所述企业级存储系统内有N个这样的应用服务器(每个应用服务器的读写带宽值允许不同)，并且所述N个应用服务器可以读写的硬盘一共有M个(M个硬盘中的每个硬盘可以被N个应用服务器中的若干应用服务器同时读或写)，则在各自进行充分细条带化后，由于一个硬盘的写入传输带宽最多只有1.0Gbps(常用机械硬盘的传输带宽为：1.0Gbps)，那么在N个应用服务器读/写的任何瞬间，IPSAN控制服务器都会对所述M个硬盘中的每个硬盘的写任务进行控制，使得所述M个硬盘中的每个硬盘的读写操作带宽不超过1.0Gbps。
所述读/写负荷表的工作原理是指：IPSAN控制服务器为每个单块iSCSI硬盘的带宽占用程度作记录，如果其中某个硬盘的带宽没有达到读写任务满带宽的状态，就可以接受IPSAN控制服务器分配的新的写入任务；否则，IPSAN控制服务器将选择其它硬盘；当所述存储系统内的某个硬盘有来自某个应用服务器的写任务时，IPSAN控制服务器将所述写任务需要占用的带宽与从读/写负荷表中所选择的硬盘的当前已经被占用的带宽相加，并更新读/写负荷表中的记录；当所述写任务完成并确认后，IPSAN控制服务器又将所述硬盘的带宽占用值减除所述写任务所占的带宽，并更新读/写负荷表内所述硬盘的带宽记录。
IPSAN控制服务器通过对所述读/写负荷表以及逻辑卷LBA与物理LBA映射表的适当操作，配合地址分配程序(地址分配程序：即为新写入的数据优先分配不繁忙物理LBA地址空间的程序)的协助，可以避免在所述企业级存储系统内的所述单块硬盘上出现高并发读写的情况，保证所述存储系统的高性能运行。
本发明的避免高并发下数据读写瓶颈的方法地的具体实施例如下：
首先，如图2，示出了本发明的避免高并发下数据写瓶颈的方法的流程；
本发明的避免高并发下数据写瓶颈的方法，包括如下步骤：
WS1、应用服务器发出写请求，并将所述应用服务器所对应的逻辑卷LBA值传递给IPSAN控制服务器；
WS2、IPSAN控制服务器按照细条带化原则为所述写请求分配系统内硬盘的IP集合；
WS3、IPSAN控制服务器选择未达到满占用带宽的硬盘IP集合；
WS4、IPSAN控制服务器使所述逻辑卷LBA与所述未达到满占用带宽硬盘IP集合内的尚未占用的物理LBA地址相映射；
WS5、应用服务器根据映射后的硬盘IP和物理LBA地址进行写操作；
WS6、应用服务器在完成写过程后，通知IPSAN控制服务器。
优选的，所述步骤WS3，进一步包括以下步骤：
WS3-a、IPSAN控制服务器分别判断系统内所有硬盘所构成的IP集合内的每个硬盘的当前读/写任务带宽占用是否超过硬盘传输极限(1.0Gbps)；
WS3-b、将超过传输极限的硬盘的IP从所述所有硬盘的IP集合中删除，使其成为未达到满占用带宽的硬盘IP集合；进而避免应用服务器对超过传输极限的硬盘进行写操作；
优选的，在所述步骤WS4之后，进一步包括以下步骤：
WS4-2、IPSAN控制服务器将逻辑卷LBA与物理硬盘LBA之间的映射关系记录在映射表(所述逻辑卷LBA与实际的所述硬盘的LBA集合之间的映射表)中；
WS4-3、IPSAN控制服务器更新所述读/写负荷表；实时增大参与所述写操作的每个硬盘的带宽占用负荷记录。以便后续读/写操作能够实时获得硬盘的带宽占用情况。
优选的，在所述步骤WS6之后，进一步包括步骤WS6-2：
IPSAN控制服务器更新读/写负荷表；减小参与所述写操作的每个硬盘的带宽占用负荷记录；以便后续读/写操作能够实时获得硬盘的带宽占用情况。
其次，如图3，示出了本发明的避免高并发下数据读瓶颈的方法的流程；
本发明的避免高并发下数据读瓶颈的方法，包括如下步骤：
RS1、应用服务器发出读请求，IPSAN控制服务器查找与被读取数据的逻辑LBA相映射的被读取数据的物理LBA集合以及所述被读取数据的镜像数据的物理LBA集合；
RS2、IPSAN控制服务器选择物理LBA集合，并传递给应用服务器；
RS3、所述应用服务器根据步骤RS2所选择的物理LBA集合，进行读操作；
RS4、应用服务器在完成读过程后，通知IPSAN控制服务器。
优选的，在所述步骤RS1中，IPSAN控制服务器根据所述逻辑卷LBA与硬盘物理LBA之间的映射表，查找与所述逻辑LBA相映射的所述被读取数据的物理LBA集合及其镜像数据的物理LBA集合。
优选的，所述步骤RS2，进一步包括以下步骤：
RS2-a、IPSAN控制服务器分别判断所述被读取数据的物理LBA集合内每个物理LBA所属的硬盘是否超过传输极限(1.0Gbps)；
RS2-b、IPSAN控制服务器优先选择所属硬盘未超过传输极限的物理LBA和所属硬盘超过传输极限的所述物理LBA所对应的所述镜像数据的物理LBA，并传递给应用服务器；即如果被读取数据所述硬盘的读写负荷大时，改从其镜像硬盘读取数据，进而避免应用服务器对超过传输极限的硬盘进行读操作。
RS2-c、IPSAN控制服务器更新所述读/写负荷表，实时增大参与所述读操作的每个硬盘的带宽占用负荷记录，以便后续读/写操作能够实时获得硬盘的带宽占用情况。
优选的，在所述步骤RS4之后，进一步包括步骤RS4-2：IPSAN控制服务器更新所述读/写负荷表，减小参与所述读操作的每个硬盘的带宽占用负荷记录，以便监控硬盘的带宽占用情况。
最后，作为本发明的另一种具体实施方式，当应用服务器需要修改文件时；
优选的，首先应用服务器先按照本发明第一种具体实施中所述读操作的步骤运行，然后当被读取文件经过应用服务器修改后回写硬盘时，再按照本发明第一种具体实施中所述写操作的步骤运行；同时，IPSAN控制服务器对逻辑LBA与物理LBA映射表进行操作：既记录新的映射关系，删除旧的映射记录。
应当说明的是，很显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型。
Claims (8)
1.一种避免高并发下数据写瓶颈的方法，其特征在于，包括以下步骤：
WS1、应用服务器发出写请求，并将所述应用服务器所对应的逻辑卷LBA值传递给IPSAN控制服务器；
WS2、IPSAN控制服务器按照细条带化原则为所述写请求分配系统内硬盘的IP集合；
WS3、IPSAN控制服务器选择未达到满占用带宽的硬盘IP集合；
WS4、IPSAN控制服务器使所述逻辑卷LBA与所述未达到满占用带宽硬盘IP集合内的尚未占用的物理LBA地址相映射；
WS5、应用服务器根据映射后的硬盘IP和物理LBA地址进行写操作；
WS6、应用服务器在完成写过程后，通知IPSAN控制服务器。
2.根据权利要求1所述的避免数据写瓶颈的方法，其特征在于：
所述步骤WS3，进一步包括以下步骤：
WS3-a、IPSAN控制服务器分别判断系统内所有硬盘构成的IP集合内的每个硬盘的当前读/写任务带宽占用是否超过硬盘传输极限；
WS3-b、将超过传输极限的硬盘的IP从所述所有硬盘的IP集合中删除，使其成为未达到满占用带宽的硬盘IP集合。
3.根据权利要求1所述的避免数据写瓶颈的方法，其特征在于：
在所述步骤WS4之后，进一步包括以下步骤：
WS4-2、IPSAN控制服务器将逻辑卷LBA与物理硬盘LBA之间的映射关系记录在映射表中；
WS4-3、IPSAN控制服务器更新读/写任务负荷表，增大参与所述写操作的每个硬盘的负荷记录。
4.根据权利要求1所述的避免数据写瓶颈的方法，其特征在于：
在所述步骤WS6之后，进一步包括步骤WS6-2：IPSAN控制服务器更新读/写任务负荷表，减小参与所述写操作的每个硬盘的负荷记录。
5.一种避免高并发下数据读瓶颈的方法，其特征在于，包括如下步骤：
RS1、应用服务器发出读请求，IPSAN控制服务器查找与被读取数据的逻辑LBA相映射的被读取数据的物理LBA集合及其镜像数据的物理LBA集合；
RS2、IPSAN控制服务器选择物理LBA集合，并传递给应用服务器；
RS3、应用服务器根据步骤RS2所选择的物理LBA集合，进行读操作；
RS4、应用服务器在完成读过程后，通知IPSAN控制服务器。
6.根据权利要求5所述的避免数据读瓶颈的方法，其特征在于：
在所述步骤RS1中，IPSAN控制服务器根据逻辑卷LBA与硬盘物理LBA映射表来查找与所述逻辑LBA相映射的所述被读取数据主体的物理LBA集合及其镜像数据的物理LBA集合。
7.根据权利要求5所述的避免数据读瓶颈的方法，其特征在于：
所述步骤RS2进一步包括以下步骤：
RS2-a、IPSAN控制服务器分别判断所述被读取数据的物理LBA集合内每个物理LBA所属的硬盘是否超过传输极限；
RS2-b、IPSAN控制服务器优先选择所属硬盘未超过传输极限的物理LBA和所属硬盘超过传输极限的所述物理LBA所对应的所述镜像数据的物理LBA，并传递给应用服务器；
RS2-c、IPSAN控制服务器更新读/写任务负荷表，增大各个参与读操作硬盘的负荷记录。
8.根据权利要求5所述的避免数据读瓶颈的方法，其特征在于：
进一步包括步骤RS4-2：IPSAN控制服务器更新读/写任务负荷表，减小参与所述读操作的每个硬盘的负荷记录。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201110293721.2A CN103036914B (zh) | 2011-09-29 | 一种避免高并发下数据读写瓶颈的方法 |
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