CN106775684A - 一种基于新型非易失性存储器的磁盘缓存掉电恢复方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于新型非易失性存储器的磁盘缓存掉电恢复方法，采用Linux Kernel Device Mapper框架，底层缓存设备采用AEP，以开源软件dm‑cache作为蓝本，在实现磁盘缓存基本功能的基础上，增加掉电恢复模块，采用字节写的方式及时回写缓存设备控制结构和缓存块元数据到AEP的缓存控制块和元数据区以实时保留缓存模块的运行现场。当系统意外掉电重启后，可通过重新加载保存在AEP缓存控制块中缓存设备的总控制数据结构和AEP元数据区中的缓存块的元数据信息的方式，恢复缓存模块的运行现场，以掉电前的状态继续运行。这样就达到了恢复磁盘缓存块中数据的目的。

Description

一种基于新型非易失性存储器的磁盘缓存掉电恢复方法
技术领域
本发明属于Linux操作系统下磁盘缓存掉电恢复技术领域，涉及开源的磁盘缓存软件dm-cache的二次开发，具体涉及开发一种在Linux Kernel Device Mapper框架下，以dm-cache为蓝本，基于新型非易失性存储器AEP(Apache Pass,Intel公司开发的非易失性存储器)的磁盘缓存掉电恢复方法。
背景技术
在典型的计算机系统中，从内存顺序读取1MB数据的时间是250,000ns,而从磁盘读取1MB数据的时间则是30,000,000ns,两者的速度相差百倍以上。设想在磁盘I/O负荷较重的应用场景下，数据在CPU和内存之间交换只需要一个单位的时间，而这些数据却需要一百个单位的时间完才能成在内存和磁盘之间的交换。那么，应用软件在大量的时间中就处于等待磁盘I/O完成的阻塞状态，运行速度极为缓慢。因此，磁盘低下的I/O速度严重影响了应用软件的性能。
同样的性能鸿沟也存在于CPU和内存之间。二十世纪八十年代之前，在没有缓存的计算机系统中，CPU高速的处理能力和内存低速的存取速度之间的矛盾，导致CPU经常需要暂停指令的执行来等待内存完成数据的存取，严重浪费了计算机的计算资源，降低了计算机系统的整体性能。因此，Intel公司在80486芯片的设计中首次引入了内部缓存，解决了CPU和内存之间性能不匹配的问题，从而使得CPU的计算能力得到解放，提升了计算机系统的整体性能。因此，面对内存和磁盘之间性能不匹配的问题，可以借鉴CPU—缓存—内存模型，在内存和磁盘之间也增加一个高速缓冲层，使得磁盘的I/O速度达到接近内存的性能，从而提升计算机系统的整体性能。因此，基于Linux Kernel Device Mapper框架的磁盘缓存软件dm-cache便应用而生。但是系统意外掉电后，存在于缓存上的脏数据因为失去与所缓存的磁盘块的对应关系而无法回写到磁盘，造成大量的数据丢失。
发明内容
1、发明目的：本发明的目的是提供一种基于新型非易失性存储器AEP的磁盘缓存掉电恢复方法，在开源的磁盘缓存软件dm-cache的基础上进行二次开发，使得磁盘缓存能在系统掉电重启后，恢复掉电前的运行现场，以掉电前的状态继续运行，达到磁盘缓存数据恢复的目的。
2、技术方案：本发明磁盘缓存掉电恢复方法包括：1.采用Linux Kernel DeviceMapper框架，开发者可以自定义替换算法、映射方式、回写方式等缓存策略，用户可以根据需要通过dmsetup命令配置缓存和被缓存设备、缓存块和缓存组大小、回写方式等等，具有很高的灵活性；2.采用AEP作为缓存设备，在可持久化存储的基础上，相较于dm-cache采用的SSD设备，该设备具有可字节寻址、速度快、容量大等特征，使得缓存模块具有更高的性能；3.采用开源软件dm-cache作为磁盘缓存蓝本，在实现磁盘缓存基本功能的基础上，根据需要进行二次开发，实现磁盘缓存掉电恢复的功能；4.增加掉电恢复模块，采用及时回写缓存设备控制结构和缓存块元数据的方式，在磁盘缓存运行的过程中及时回写缓存设备控制结构和缓存块元数据到AEP相应的位置，保留磁盘缓存的运行现场，达到掉电重启后恢复磁盘缓存中数据的目的。
3、有益的效果：本发明可应用在Linux操作系统的PC或服务器上。可有效提升磁盘I/O性能，同时，当系统意外掉电重启后，可恢复保存在磁盘缓存中大量的数据，能有效提升系统的安全性和可靠性。
附图说明
图1是本发明中Linux I/O框架示意图；
图2是本发明中AEP物理布局示意图；
图3是本发明中dm-cache框架示意图；
图4是本发明中dm-cache查找缓存块流程图；
图5是本发明中dm-cache缓存命中模块流程图；
图6是本发明中dm-cache缓存未命中模块流程图
图7是本发明中dm-cache回写脏块模块流程图；
图8是本发明中增加掉电恢复的dm-cache框架示意图；
图中，1.Device Mapper模块，2.AEP设备，3.dm-cache，4.掉电恢复模块，5.SSD设备，6.磁盘。
其中，1-1.设备创建初始化接口，1-2.设备卸载处理接口，1-3.设备运行状态接口，1-4.bio处理接口，2-1.缓存控制块，2-2.元数据区，2-3.数据区，3-1.缓存命中模块，3-2.缓存未命中模块，3-3.回写脏块模块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明磁盘缓存掉电恢复中Linux I/O框架示意图，如图1所示，包括虚拟文件系统层，块I/O层，物理设备层。块I/O层是基于块的文件系统下的I/O处理层，Device Mapper模块1位于块I/O层中，是和MDRAID、DRBD等模块平行的一个模块。Device Mapper模块1在用户空间提供了dmsetup命令用以管理目标设备，在内核空间提供了设备创建初始化接口.ctr1-1、设备卸载处理接口.dtr 1-2、设备运行状态接口.status 1-3、bio处理接口.map1-4等编程接口，用以开发基于Device Mapper框架的软件模块。dm-cache 3是DeviceMapper框架1下开发的一个和Linear、RAID等模块平行的一个模块，可以缓存目标设备为磁盘的数据。SSD 5是dm-cache 3底层的缓存设备。
dm-cache 3加载到内核后，用户使用dmsetup命令，调用dm-cache 3的.ctr 1-1函数初始化设备参数，然后将SSD 5和磁盘6创建为一个虚拟的混合块设备，作为DeviceMapper模块1的一个目标设备。假设这个虚拟混合块设备的名称为dm-sd1；
当上层应用的读写请求下发到虚拟文件系统层后，虚拟文件系统根据目标设备为dm-sd1将该读写请求下发到块I/O层；
块I/O层根据目标设备为dm-sd1将该读写请求交给Device Mapper模块1，然后Device Mapper模块1将该读写请求分割为一到多个4KB大小的bio进行分发；
Device Mapper模块1根据目标设备为dm-sd1将bio交给dm-cache 3的.map 1-4函数进行处理；
.map 1-4函数经过缓存运算后，将该bio交给SSD 5或者磁盘6，然后返回，继续处理下一个bio；
在系统运行的过程中，用户可使用dmsetup命令调用dm-cache 3的.status 1-3函数，实时获取dm-sd1设备的运行状况，输出命中次数、替换次数、脏块数量等统计信息；
用户使用dmsetup命令卸载dm-sd1时，调用dm-cache 3的.dtr 1-2函数进行资源释放等收尾工作。卸载dm-sd1后，查看磁盘设备，发现数据已经被写入到磁盘设备中。
本发明磁盘缓存掉电恢复中缓存设备AEP 2的物理布局，如图2所示，包括缓存控制块2-1，元数据区2-2和数据区2-3。AEP 2在逻辑上被划分为一个个4KB大小的块，其中缓存控制块2-1占用一个块，存放缓存设备的控制数据结构，包括源设备指针、目标设备指针、缓存块链表、缓存块大小、缓存组大小、时间戳、写策略、读次数、写次数、命中次数、替换次数、回写次数、脏块数目等重要信息。元数据区2-2占用多个块存放每个缓存块的元数据信息，包括缓存块bio链表上的锁、被缓存的磁盘块的起始扇区号、缓存块状态、时间戳和悬挂在该缓存块上的bio链表。其中，缓存块状态包含以下几种状态：
缓存状态 二进制编码(state) 十进制值
INVALID 0000 0
VALID 0001 1
RESERVED 0010 2
DIRTY 0100 4
WRITEBACK 1000 8
缓存块可以同时具备几种状态，如某缓存块既是DIRTY的，同时又是WRITEBACK的，则该缓存块状态的二进制编码为1100。
数据区2-3存放被缓存的数据块，每个数据块占用一个AEP块，数据块的总块数与元数据的条数相等，元数据区的第一条元数据对应数据区的第一个数据块，第二条元数据对应第二个数据块，以此类推。
本发明磁盘缓存掉电恢复中dm-cache 3框架示意图，如图3所示，Device Mapper模块1将bio交给dm-cache 3的.map 1-4函数进行处理。dm-cache 3的.map 1-4函数经过缓存运算后将该bio交给SSD 5或者磁盘6，一次IO完成。在这个过程中，缓存控制结构和缓存块元数据信息均保存在内存中，当系统意外掉电后，这些信息都将消失，当系统重启后，保存在元数据中的缓存块与被缓存的磁盘块的对应关系无法恢复，所以缓存块中的数据也无法回写到正确的磁盘块上，亦即缓存块中的数据无法恢复。
本发明磁盘缓存掉电恢复中dm-cache 3运行流程图，如图4、5、6、7所示，其中，
查找缓存块流程图，如图4所示，Device Mapper模块1将bio交给dm-cache 3的.map 1-4函数后，.map 1-4函数根据bio的目标磁盘块号查找缓存块。查找缓存块时会出现以下四种情况：1.缓存命中，此时命中的缓存块的状态位RESERVED或VALID为1，然后进入缓存命中模块3-1进行处理；2.缓存未命中且有空或干净的块，此时找到的空或干净的块的状态位VALID、RESERVED为0，或VALID为1、WRITEBACK、DIRTY及RESERVED为0，然后进入缓存未命中模块3-2进行处理；3.缓存未命中但找到可回写的脏块，此时找到的待回写脏块的状态位VALID为1、WRITEBACK为0、DIRTY为1、RESERVED为0，然后进入回写脏块模块3-3进行处理；4.缓存未命中且没有找到空或干净的块且没有脏块可以回写，此时所有的缓存块的状态位均为RESERVED为1或WRITEBACK为1，此时将该bio直接交给磁盘的驱动程序，返回“完成”。
缓存命中模块3-1流程图，如图5所示，缓存命中分两种情况：1.读命中；2.写命中。读命中分两种情况：1.缓存块准备就绪，此时缓存块的状态位VALID为1。此时直接读缓存块中的数据到内存，返回“完成”；2.缓存块未准备就绪，此时缓存块的状态位VALID为0。此时将bio悬挂在该缓存块的bio链表上，返回“未完成”。写命中分两种情况：1.直接写，此时缓存的写策略为WRITE_THROUGH；2.延迟写，此时缓存的写策略为WRITE_BACK。当写策略为直接写时，直接将bio交给磁盘6驱动程序，返回“完成”。当写策略为延迟写时，首先置缓存块的状态位DIRTY为1。然后分以下三种情况执行：1.缓存块正在写回过程中，此时缓存块的状态位WRITEBACK为1。此时将bio悬挂在该缓存块的bio链表上，返回“未完成”；2.缓存块处于保留状态，此时缓存块的状态位RESERVED为1。此时将bio悬挂在该缓存块的bio链表上，返回“未完成”；3.缓存块准备就绪，此时直接将内存中的数据写到缓存块上，返回“完成”。
缓存未命中模块3-2流程图，如图6所示，首先更新缓存块元数据，直接置找到的空或干净的缓存块的状态为RESERVED，并将被缓存的磁盘块的起始扇区号填入到相应字段，然后新建一个包含该bio信息和该缓存块信息的job，然后按照读未命中或写未命中分别调用读未命中或写未命中模块分别进行处理，最后置该缓存块的状态位VALID为1,RESERVED为0，并重新发起悬挂在该缓存块bio链表上的bio请求。读未命中模块首先判断该bio是否是4KB对齐的，若是，则从对应磁盘块上读数据到内存，然后将该块数据写到该缓存块上，返回“完成”；若不是，则首先分配内存页，然后从对应磁盘块上读数据到内存，提取该块数据的头部或尾部或头部和尾部数据和原bio重组构成一个4KB对齐的bio，然后将该块数据写到该缓存块上，返回“完成”。写未命中模块首先判断该bio是否是4KB对齐的，若是，则将该块数据写到该缓存块上，返回“完成”；若不是，则首先分配内存页，然后从对应磁盘块上读数据到内存，提取该块数据的头部或尾部或头部和尾部数据和原bio重组构成一个4KB对齐的bio，然后将该块数据写到该缓存块上，返回“完成”。
回写脏块模块3-3流程图，如图7所示，首先置找到的可回写脏块的状态位WRITEBACK为1，写回该缓存块的数据到对应的磁盘块，然后直接置该缓存块状态为VALID，并重新发起悬挂在该缓存块bio链表上的bio请求，然后将该bio交给磁盘驱动程序，返回“完成”。
本发明磁盘缓存掉电恢复中增加掉电恢复模块4的dm-cache 3框架示意图，如图8所示，此时，dm-cache 3的底层缓存设备已经换成了AEP 2。Device Mapper模块1将bio交给dm-cache 3的.map 1-4函数进行处理。dm-cache 3的.map 1-4函数经过缓存运算后通过掉电恢复模块4将状态位、与磁盘块的对应关系有更新的缓存块的元数据以字节写的方式回写到AEP 2元数据区2-1中对应的位置上(如果缓存设备的总控制数据结构有更新，也需要将该数据结构回写到AEP 2的缓存控制块2-1上)以保留缓存模块运行现场，然后将该bio交给AEP 2或磁盘6驱动程序，一次IO完成。在这个过程中，当内存中的缓存控制结构和缓存块元数据信息有更新时，就及时将缓存控制结构和缓存块元数据回写到AEP 2对应的位置上，当系统意外掉电重启后，保存在AEP 2缓存控制块2-1中缓存设备的控制数据结构和AEP 2元数据区2-2中的缓存块的元数据信息可以被重新加载，缓存模块的运行现场得以恢复，即可以以掉电前的状态继续运行，所以缓存块中的数据就得到了恢复。
在回写元数据到AEP 2时，若采用块方式回写，则由于一个块可存储大量元数据，每条元数据的更新都会引起块的写回，则每条元数据更新都要获得该块的锁，然后串行回写，造成系统瓶颈，严重影响系统的性能。因此采用字节写的方式回写，这样，每条元数据更新只需回写该条元数据到AEP 2，不需要获取该块的锁，可并发执行，对系统性能的影响要低很多。
系统上电后无需回写AEP 2数据区2-3中的数据到磁盘，原因有：1.AEP 2大容量的特性使得在系统上电后有大量的数据待回写，若上电后就回写势必造成系统启动过缓；2.系统上电后即可恢复掉电前的运行状态，因此该机制本身就支持上电后不回写数据到磁盘，而是以掉电前的状态继续运行。
本发明磁盘缓存掉电恢复的工作过程：
Device Mapper模块1将bio交给dm-cache 3的.map 1-4函数进行处理。dm-cache3的.map 1-4函数经过缓存运算后通过掉电恢复模块4将状态位、与磁盘块的对应关系有更新的缓存块的元数据以字节写的方式回写到AEP 2元数据区2-2中对应的位置(如果缓存设备的控制数据结构有更新，也需要将该数据结构回写到AEP 2的缓存控制块2-1上)，然后将该bio交给AEP 2或磁盘6驱动程序，一次IO完成。当系统意外掉电重启后，重新加载保存在AEP 2缓存控制块2-1中缓存设备的控制数据结构和AEP 2元数据区2-2中缓存块的元数据信息，缓存模块恢复运行现场，以掉电前的状态继续运行。
本发明磁盘缓存掉电恢复采用Linux Kernel Device Mapper框架1，利用AEP 2可持久化存储、可字节寻址、高速读写及大容量的特征，在dm-cache 3的基础上进行二次开发，通过掉电恢复模块4以字节写的方式及时回写缓存设备控制结构和缓存块元数据信息到AEP 2对应的位置，保留缓存模块的运行现场，当系统意外掉电重启后，重新加载保存在AEP 2缓存控制块2-1中缓存设备的控制数据结构和AEP 2元数据区2-2中的缓存块的元数据信息，恢复缓存模块的运行现场，以掉电前的状态继续运行，恢复了缓存块中的数据。

Claims (5)

1.一种基于新型非易失性存储器的磁盘缓存掉电恢复方法，其特征在于，包括：基于Linux Kernel Device Mapper框架(1)、底层缓存设备采用非易失性存储器AEP(2)、在dm-cache(3)的基础上进行二次开发、增加掉电恢复模块(4)以字节写的方式及时回写缓存设备控制结构和缓存块元数据到AEP，实现磁盘缓存掉电恢复，其中，
Linux Kernel Device Mapper框架(1)用于提供磁盘缓存运行环境；
AEP(2)用于提供底层的缓存设备；
dm-cache(3)用于提供基本的磁盘缓存功能；
掉电恢复模块(4)用于提供掉电恢复的功能。
2.根据权利要求1所述的磁盘缓存掉电恢复方法，其特征在于，所述的Linux KernelDevice Mapper框架(1)在用户空间提供了dmsetup命令用以管理目标设备，在内核空间提供了设备创建初始化接口.ctr(1-1)、设备卸载处理接口.dtr(1-2)、设备运行状态接口.status(1-3)、bio处理接口.map(1-4)的编程接口。
3.根据权利要求1所述的磁盘缓存掉电恢复方法，其特征在于，所述的AEP(2)是Intel公司开发的新型非易失性存储器，具有可字节寻址、可持久化存储、大容量、高速读写的特征；其物理空间被划分为缓存控制块(2-1)、元数据区(2-2)、数据区(2-3)。
4.根据权利要求1所述的磁盘缓存掉电恢复方法，其特征在于，所述的dm-cache(3)作为开源软件，向开发人员提供了磁盘缓存的基本功能，开发人员可以在此基础上根据需要进行二次开发。
5.根据权利要求1所述的磁盘缓存掉电恢复方法，其特征在于，所述的掉电恢复模块采用字节写的方式及时回写缓存设备控制结构和缓存块元数据到AEP以保留缓存模块的运行现场；当系统意外掉电重启后，可通过重新加载保存在AEP缓存控制块中缓存设备的总控制数据结构和AEP元数据区中的缓存块的元数据信息的方式，恢复缓存模块的运行现场，以掉电前的状态继续运行，恢复缓存块中的数据。
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