CN103186489B - 存储系统及多路径管理方法 - Google Patents
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Abstract
公开了一种存储系统及多路径管理方法。该多路径管理方法包括如下步骤：步骤A.通过多路径驱动程序包注册关于第三方驱动程序模块的信息并建立两者之间的通信；步骤B.当用户应用程序执行输入输出操作时，所述多路径驱动程序包根据已注册的第三方驱动程序模块来判断是调用第三方驱动程序模块进行输入输出驱动处理，还是调用操作系统的通用输入输出驱动处理；以及步骤C.执行输入输出驱动处理以进行相应的输入输出处理。
Description
技术领域
本发明涉及存储系统及多路径管理方法，尤其涉及兼容多种由不同厂商制造的存储设备的存储系统及多路径管理方法。
背景技术
随着信息化技术的飞速发展，全球范围内的数据量成几何级的增长，数据及数据存储的重要性不言而喻，对这些数据的管理也日趋复杂化，对数据的存储及保护受到越来越多的重视，对数据存储的应用呈现出如下四个新特点：
第一，一个可用的数据存储系统首先要具有的特点是卓越的可靠性和稳定性。
第二，技术的I/O体系成为新的性能瓶颈。最早发明计算机只是为了进行科学计算和分析，当时的计算机CPU的计算处理能力是制约计算机应用和发展的主要瓶颈；随着后来计算机网络化的不断发展，计算机网络之间的通讯开销(如传输延迟、信号冲突检测等)成为计算机在处理任务时花费时间最长的一个部分，这样网络传输速率成为新的技术瓶颈；随着技术不断的进步和发展，CPU处理能力和网络传输速率都以得到较好的改善，克服了以上两个技术瓶颈。但是目前，计算机主要的应用场景已经转变成对海量数据的存取。由于受到计算机中的机械部件的限制，磁盘数据访问时间平均每年仅仅只能提高6-12％，磁盘数据传输率也只能以每年22％左右的速度增长，而现代微处理器和内存对数据的处理能力正以平均每年增长45％～120％的速度高速增长，处理器、内存和磁盘之间的性能差距已经越来越大。根据Amdahl(阿姆达尔)定律，计算机系统性能的整体提高仅仅受限于计算机系统中最慢的部件，而与其它的部件无关。因此，数据存储系统已经成为影响和决定计算机系统性能高低的新性能瓶颈，即所谓的计算机I/O瓶颈。
第三，全天候数据访问服务成大势所趋。2l世纪是Internet(英特网)的时代，Internet中存着在大量面向终端用户的应用服务，例如电子商务、视频播放和电子邮件等。这些Internet服务要求是24小时×7天，甚至24小时×365天的全天候访问和存储用户数据。如果对这些数据的访问在某一时间点出现故障，这会对用户体验带来非常严重的影响。对服务提供商来说，这意味着损失大量用户，对企业造成非常巨大的经济损失。因此，这就要求现代网络存储系统要具备优异的高可用性和极低的故障率。
第四，存储管理和维护要求自动化、智能化。以前大量地存储管理和存储设备维护工作基本上都是由人工完成，由于人类在信息活动中持续地制造出越来越多数字信息，同时各种新型服务也层出不穷，如流式多媒体、数字电视、IDC(InternetDataCenter，互联网数据中心)、动态服务器页面(ActiveServerPage，ASP)、ERP(EnterpriseResourcePlanning，企业资源计划)、数字影像、数据仓库与挖掘和网页搜索等，造成可用数据总量呈几何级数增长。这些海量数据的产生使得现代存储网络不同于过去存储网络那样易管理和维护，这也对存储网络管理维护人员的技术素质提出了更高的要求和目标，因管理不善而造成数据丢失的可能性大大增加。这就要求现代存储系统具有易管理性和可维护性，最好是具有智能的自动管理和维护功能，减少人工管理的工作量，避免人为因素造成不必要的损失。
可见，无论从事任何行业，不管规模的大小，在任何地域，他们始终面临着同样的数据丢失风险。一旦存储网络在遭受诸如火灾、水灾、地震、战争或人为破坏等灾难时，存储网络当中的存储硬件、关键数据、操作系统和终端服务都会受到不同程度、甚至是毁灭性打击造成存储网络全面瘫痪。企业要想能够及时恢复正常业务，就需要在信息化建设中解决好信息容灾问题。只有企业做好了充足的容灾准备工作，当灾难来临之际，企业才能迅速从困境中走出，将自己的损失降到最低。
近几年来，随着存储技术的成熟和企业业务的不断扩展，越来越多的企业认识到存储网络对自己的重要性，纷纷开始构建自己的存储网络，并购买了大量的存储管理软件，还有不少大型企业准备开始构建更加安全的异地容灾和远程备份存储网络。在存储网络中，存储设备一直是整个系统当中最薄弱的环节。因此，有大量软件纠错技术和控制器硬件来提供各种各样的保护功能，而且这些技术越来越完美。可是，在目前的存储网络中又面临一个新的难题。那就是当存储网络中连接存储介质的控制器，甚至是存储物理路径(physicalpath)发生故障时，对于如何保证存储网络的正常运转，传统的软件纠错和硬件保护已无能为力。而I/O多路径可以选用备选路径使应用程序仍然可以访问网络存储设备中的数据，而且通过一条及以上的物理路径来访问网络存储设备，可以使用容错、流量负载平衡等多种I/O调度策略等方式，为网络存储应用提供更高的可用性和性能优势。
国外已经有相对比较成熟的产品上市，不但价格不菲，而且不一定适合国内企业的存储状况。很多存储设备厂商也会为某个特定的操作系统提供专用的多路径管理方案，管理I/O请求，并相应的优化存储系统，这些复杂的多路径方案只是用于特定的存储设备，而不能适用于其他的存储系统。MPIO(多路径输入输出)在系统层面对存储提供支持，从而解决这一问题。但是国内的存储网络技术相对薄弱，成熟的产品几乎没有，因此自主开发一个I/O多路径系统有很多好处。首先，量体定做，可以根据实际需求优化系统性能。其次，使用自己开发的I/O多路径系统，对故障定位比较容易。最后，自主开发可以降低产品价格，增强产品的市场竞争力。
在企业环境中，实现高可用性常用的几种方法包括：
第一，服务器集群(cluster)
集群是通过多计算机互连和存储设备的协同工作实现的，看似从一个单一的系统为用户提供高可用性的应用程序。如果一个计算机系统停运或暂时不可用，最终用户仍然可以通过将故障转移到一个运行着的系统来访问数据。集群的解决方案要求软件允许系统间进行透明的故障转移。如图1所示，当服务器1的系统因为故障而不能正常运行时，用户可以通过服务器2来完成具体的操作，对用户来说整个系统仍然是正常的，并且可以通过交换机3正常地访问存储设备4。
第二，RAID(独立冗余磁盘阵列)实现存储冗余
独立冗余磁盘阵列技术在1987年由加州大学伯克利分校提出，最初的研制目的是为了组合小的廉价磁盘来代替大的昂贵磁盘，以降低大批量数据存储的费用，同时也希望采用冗余信息的方式，使得磁盘失效时不会使数据受损，从而开发出一定水平的数据保护技术。如图2所示，当RAID组100中的某一磁盘(例如200)损坏时，服务器10可以通过对其它磁盘(例如300)的冗余操作，达到对数据的冗余保护功能。
第三，通过MPIO实现的存储可用性
多路径输入输出使得一种系统具有使用多个I/O通道连接存储设备的能力，是提供对硬件组成的单点错误进行容错一种高可用性的解决方案。多路径也能提供I/O流量的负载均衡，从而提高系统和应用程序的性能。多路径解决方案，是通过使用物理路径组件包括网卡，电缆和交换机等服务器和存储设备之间的设备的冗余来实现故障转移的。在一个或多个这些部件出现问题的时候应用程序能仍然传送数据。容错不是多路径带来的唯一的效果，MPIO软件还能在服务器和存储设备的多路径间重新分配读写的负载，从而帮助去掉瓶颈并平衡负载。
然而，尽管多路径和RAID、群集技术都实现了高可用性和性能的改进，但它们不是等同的概念。RAID可以提供非常完美的容错方案，但此时它仅仅是在保护硬盘，如果服务器和存储设备之间只有一条链路，而此时这其中的一部分发生了故障，磁盘的冗余就不能保证数据的可靠性和完整性了。如果发生图3所示的情况，那么不管采用何种RAID技术都无法保证数据的冗余保护。换句话说，当发生链路故障时，服务器10无法通过如图2所示的对RAID组100中的磁盘(例如200、300)的冗余操作，达到对数据的冗余保护功能。
同样地，群集提供应用程序的高可用性而且可以通过MPIO的方式实现，而MPIO提供存储的高可用性而且不需要群集的方式。MPIO技术只是存储网络组件(例如电缆，适配器和转换器)的冗余，这些组件在服务器和存储设备中间的路径上传输数据。多路径方案控制这些冗余连接，这样即使发生路径故障也可以迅速以新路径传送读/写(I/O)请求。由于固定资源本身的高风险，当存储资源固定在NAS(NetworkAttachedStorage，网络附属存储)和SAN(StorageAreaNetwork，存储区域网络)时，MPIO解决方案的执行对存储管理员来说就尤其重要。传统的MPIO解决方案如图4所示。
因此，苛待提出一种新颖的MPIO高可靠性技术方案，以便在不同存储设备厂商生产的存储设备的兼容性和最优路径选择策略方面得到进一步的完善。
发明内容
本发明的目的在于，提供兼容多种由不同厂商制造的存储设备的存储系统及多路径管理方法。
根据本发明的一个方面，提供了一种多路径管理方法，应用于兼容多种存储设备的存储系统。该方法包括如下步骤：步骤A.通过多路径驱动程序包注册关于第三方驱动程序模块的信息并建立两者之间的通信；步骤B.当用户应用程序执行输入输出操作时，所述多路径驱动程序包根据已注册的第三方驱动程序模块来判断是调用第三方驱动程序模块进行输入输出驱动处理，还是调用操作系统的通用输入输出驱动处理；以及步骤C.执行输入输出驱动处理以进行相应的输入输出处理。
优选的，所述方法还包括如下步骤：当发现新的存储设备加入所述存储系统时，在系统注册表中创建所述新加入的存储设备，并将所述存储设备的名称、型号和制造厂商名称发送给第三方驱动程序模块进行注册。
优选的，在所述步骤B中，根据由所述新加入的存储设备引起的新路径是否为已知的，来进行所述判断。
优选的，当多个第三方驱动程序模块的输入输出路径驱动程序同时安装在所述存储系统中时，操作系统根据第三方驱动程序的上下文环境来判断加载哪个第三方驱动程序。
优选的，根据仅故障转移策略或轮询机制策略为新加入的存储设备选择最优路径。
根据本发明的另一方面，提供了一种存储系统，所述存储系统包括至少一台应用服务器、至少一台控制服务器、以及多台由不同厂商提供的性能不同的物理存储设备，所述应用服务器安装了用于实现上述多路径管理方法的多路径管理软件，而所述控制服务器安装了存储设备管理软件，所述应用服务器和所述控制服务器通过网际协议或者光纤信道进行连接及通信。
相应地，本发明所取得的有益效果包括：
广泛的兼容性
存储相对独立，用户可自由选择主机与数据库类型。支持Windows、Linux、Unix、Solaris、VMware等主流操作系统，支持Oracle、DB2、MSSQL、Sybase等主流数据库。
利用系统注册表，可将不同厂商生产的不同品牌的存储设备的名称和型号进行注册。
简化管理
可快速地完成相关配置，提供易用的中文图形化操作界面和自动化监控系统。
广泛的可扩展性
可平滑扩展持续数据保护与容灾功能。
路径选择策略的多样化
根据需要，提供了多种路径选择策略，从而实现了路径选择方面的最优化实施。
附图说明
本发明的特征、实施例和优点，将参照附图在以下详细描述。
图1是根据现有技术中的服务器集群实现高可用性的示例；
图2是根据现有技术中的RAID实现存储冗余的示例；
图3是示出了当发生链路故障时，现有技术中的RAID存储系统无法对RAID组中的磁盘执行冗余操作的示例；
图4是关于传统的MPIO高可靠性解决方案的示例；
图5是关于根据本发明实施例的采用了兼容多种存储设备的高性能MPIO解决方案的存储系统的硬件配置的示意图；
图6是描绘了根据本发明实施例的多路径选择功能的流程图；以及
图7是描绘了根据本发明实施例的设置新路径及绑定存储设备和路径的方法的流程图。
具体实施方式
接下来，将结合附图进行详细描述本发明的实施例。只要可能，在整个附图中，相同的附图标记将指示相同的部件。
实施例
硬件配置
图5是关于根据本发明实施例的采用了兼容多种存储设备的高性能MPIO解决方案的存储系统的硬件配置的示意图。
如图5所示，存储系统1000包括至少一台客户端或应用服务器(即，Iscsi发起端)2000、两台控制服务器3000、以及多台由不同厂商提供的性能不同的物理存储设备4000。
客户端2000安装根据本发明实施例的MPIO软件，而控制服务器3000安装根据本发明实施例的存储设备管理软件，两者通过网际协议(IP)或者光纤信道(FC)进行连接。
如图5所示，控制服务器3000的数目是两台。然而，本领域技术人员可以理解的是，根据需要，控制服务器3000的数目还可以是多于两台，本发明并不局限于此。
此外，控制服务器3000管理在其后端连接的各个存储设备4000，并为前端的应用服务器2000提供存储空间。在根据本发明的实施例中，两台控制服务器3000同时管理相同的存储设备4000，并同时把存储设备4000的相同存储空间提供给前端应用服务器2000，应用服务器2000通过根据本发明实施例的MPIO软件把这两个虚拟的存储空间看成一个磁盘，这样就保证了出现单点故障时，业务的不间断性。
软件功能配置
目前，视窗操作系统(Windows)包含了对多路径I/O的支持，以便把具有多路径的存储设备(例如，物理磁盘)视为单个存储设备(例如，物理磁盘)来管理，这依赖于被称作DSM(Device-specificmodule，与设备相关模块)的第三方驱动程序对多路径I/O进行管理的细节。
下面，将会参考图6来详细地说明根据本发明实施例的多路径选择功能的流程图。
在根据本发明第一实施例的MPIO体系结构中，MPIO驱动程序包和DSM模块两大部分通过相互通信来共同完成I/O多路径功能。因此，DSM模块可通过向MPIO驱动程序包注册其详细信息来建立它们之间的通信(步骤S601)。这样MPIO驱动程序包就可以掌握DSM模块的详细信息。当用户应用程序请求执行I/O操作时，MPIO驱动程序包根据已注册的DSM模块来决定是应该调用第三方厂商的MPIO驱动进行I/O处理，还是调用操作系统的通用I/O驱动处理(步骤S602)。对于每个Windows内核模式或WDM(WindowsDriverModel，视窗驱动程序模块)驱动程序，不管用途如何，都要对外界显示一个名字为DriverEntry的例程(步骤S603)。当I/O管理器装入驱动程序时，它调用DriverEntry例程(步骤S604)。由此I/O管理器能够定位DriverEntry例程，这是因为连接器用一个命令行开关声明了DriverEntry地址。该例程为各种驱动程序数据结构分配内存空间和初始化，并为所有其它驱动程序组件准备好执行环境。因此，DSM模块的初始化和注册都由DriverEntry例程来完成。例如，根据本发明第一实施例的软件在DSM中注册为EIMOSNSolution。
根据本发明的第一实施例，当多个第三方厂商的I/O多路径驱动同时安装在操作系统中，操作系统的PnP(即插即用)管理器会根据DSM模块上下文环境来决定加载某个DSM模块。
下面，参考图7详细地描述当发现新设备时如何设置新路径及绑定存储设备和路径的方法。具体方法如下所示。
当例如适配器/PCI总线发现有新的存储设备加入时(步骤S701：是)，在系统注册表中创建新加入的存储设备，并把该设备发送给MPIO驱动(步骤S702)。
接下来，判断有无厂商认领该新加入的存储设备(步骤S703)。
当判断结果为肯定时(步骤S703：是)，则轮询现有的DSM列表(步骤S704)。
接下来，判断由新加入的存储设备引起的新路径是否为已知的(步骤S705)。
当判断结果是肯定时(步骤S705：是)，则创建虚拟设备(Pseudodevice)(步骤S707)。
当判断结果是否定时(步骤S705：否)，则将该新路径分组到相同虚拟节点/设备下(进行逻辑分组路径)。
接下来，展示由操作系统发现的真实设备的虚拟设备。
另一方面，当步骤S703中的判断结果是否定时，询问是否由操作系统认领该新加入的存储设备(步骤S708)。
当判断结果是肯定时(步骤S708：是)，则将默认DSM的ID与该存储设备相关联(步骤S709)并进行步骤S705中的判断。否则，将该新加入的存储设备设置成不由MSDSM来管理并不可访问。
另外，根据本发明的第一实施例，多路径选择包括如下两种策略：
策略一，仅故障转移(FailOverOnly)
该策略一的优点在于，可以对设置其中的任意一条路径处于最优路径(PreferredPath)。当最优路径正常时，使用最优路径；当最优路径异常时，切换到其他路径，如果此后最优路径恢复正常，切换回最优路径。
此外，用户还可在用户界面上自己设定最优路径。例如，有关最优路径的切换会在1秒内完成。当然，这样的最优路径的切换时间还可由用户根据需要来相应地设置。
策略二，轮询机制(RoundRobin)
该策略二的优点在于，提供了两种模式：每秒切换模式(EverySecond)会每隔一秒切换一次当前路径，实现轮询；每个I/O切换模式(EveryI/O)会在每个I/O通过时切换当前路径。用户可以在界面根据当前的环境自己选择适合的模式，使轮询机制的效率最大化。
尽管给出一些实施例，但本发明并不限于此。本领域技术人员基于本发明实施例的任何变形、修改，都不会背离本发明所限定的权利要求的范围。
Claims (5)
1.一种多路径管理方法，应用于兼容多种存储设备的存储系统，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤A.通过多路径驱动程序包注册关于第三方驱动程序模块的信息并建立两者之间的通信；
步骤B.当用户应用程序执行输入输出操作时，所述多路径驱动程序包根据已注册的第三方驱动程序模块来判断是调用第三方驱动程序模块进行输入输出驱动处理，还是调用操作系统的通用输入输出驱动处理；以及
步骤C.执行输入输出驱动处理以进行相应的输入输出处理，
当发现有新的存储设备加入时，所述方法还包括：
在系统注册表中创建新加入的存储设备，并把该新加入的存储设备发送给多路径驱动程序包；
判断有无厂商认领该新加入的存储设备；
当判断结果是有厂商认领该新加入的存储设备时，则轮询现有的与设备相关模块列表，并判断由新加入的存储设备引起的新路径是否为已知的；
当判断结果是新路径是已知的时，则创建由操作系统所发现的新的存储设备的虚拟设备；
当判断结果是新路径不是已知的时，则将该新路径分组到相同虚拟节点或设备下；
当判断结果是没有厂商认领该新加入的存储设备时，则询问是否由操作系统认领该新加入的存储设备；
当判断结果是由操作系统认领该新加入的存储设备时，则将默认的设备相关模块DSM的ID与该新加入的存储设备相关联，并判断由新加入的存储设备引起的新路径是否为已知的；
当判断结果是不由操作系统认领该新加入的存储设备时，将该新加入的存储设备设置成不由默认的DSM来管理并不可访问；以及
展示由操作系统发现的真实存储设备的虚拟设备。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括如下步骤：
当发现新的存储设备加入所述存储系统时，在系统注册表中创建所述新加入的存储设备，并将所述存储设备的名称、型号和制造厂商名称发送给第三方驱动程序模块进行注册。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，当多个第三方驱动程序模块的输入输出路径驱动程序同时安装在所述存储系统中时，操作系统根据第三方驱动程序的上下文环境来判断加载哪个第三方驱动程序。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据仅故障转移策略或轮询机制策略为新加入的存储设备选择最优路径。
5.一种存储系统，所述存储系统包括至少一台应用服务器、至少一台控制服务器、以及多台由不同厂商提供的性能不同的物理存储设备，其特征在于，
所述应用服务器安装了用于实现根据权利要求1-4中任一项所述的多路径管理方法的多路径管理软件，而所述控制服务器安装了存储设备管理软件，所述应用服务器和所述控制服务器通过网际协议或者光纤信道进行连接及通信。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 12 building, 1038 International Venture Center, Jincheng Road, Xiaoshan District, Zhejiang, Hangzhou, 311202 Applicant after: Hangzhou Xinhe Data Technology Co.,Ltd. Address before: 12 building, 1038 International Venture Center, Jincheng Road, Xiaoshan District, Zhejiang, Hangzhou, 311202 Applicant before: Hangzhou Xinhe Data Technology Co.,Ltd. |
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| COR | Change of bibliographic data | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Storage system and multi path management method Effective date of registration: 20210425 Granted publication date: 20160302 Pledgee: Hangzhou Xiaoshan Financing Guarantee Co.,Ltd. Pledgor: Hangzhou Xinhe Data Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2021330000333 |
|
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20220704 Granted publication date: 20160302 Pledgee: Hangzhou Xiaoshan Financing Guarantee Co.,Ltd. Pledgor: Hangzhou Xinhe Data Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2021330000333 |
|
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Storage system and multipath management method Effective date of registration: 20220802 Granted publication date: 20160302 Pledgee: Hangzhou Xiaoshan Financing Guarantee Co.,Ltd. Pledgor: Hangzhou Xinhe Data Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2022330001567 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |