CN107291386B - 一种用于蓝光vtl网关的缓存管理系统及方法 - Google Patents

一种用于蓝光vtl网关的缓存管理系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于蓝光VTL网关的缓存管理系统及方法，系统包括虚拟磁带访问请求服务模块、光盘库访问认证模块、虚拟磁带到光盘匣映射分配模块、缓存盘配置模块、缓存盘数据处理模块、对象存储API模块；本发明不仅能够按照VTL的访问请求从蓝光光盘库下载和上传数据，而且能够结合VTL磁带的加载/卸载状态动态清理或预读数据，从而提高缓存磁盘的利用率和VTL的客户端的并发访问的带宽，并且动态智能地将缓存磁盘的数据完整上传到光盘库，从而提高蓝光VTL网关的可靠性和可用性。

Description

一种用于蓝光VTL网关的缓存管理系统及方法
技术领域
本发明涉及数据存储、容灾以及备份技术领域，特别涉及一种用于虚拟磁带库(Virtual Tape Library，VTL)服务器在蓝光光盘存储/备份系统中的缓存盘数据管理系统及方法。
背景技术
近年来，计算机技术尤其是互联网和大数据有关应用迅猛发展，计算机数据信息量不断增长。由此而来的数据备份与恢复的需求也越来越大，数据备份与恢复的技术也在不断发展。随着磁盘容量的不断提升、成本不断下降，由原来的磁带备份，衍生出基于磁盘的虚拟磁带库技术。而随着蓝光光盘技术的不断提升，在现有的虚拟磁带库(Virtual TapeLibrary)备份的基础上，湖北第二师范学院和赛凡公司联合研制出基于蓝光光盘库的虚拟磁带库备份产品(Blue ray VTL)。
在BlueVTL系统中，数据要从磁存储介质备份上传到光存储介质，或从光存储介质恢复到磁存储介质。在这个过程中，BlueVTL系统需要对磁盘上的缓存数据进行高效的组织和处理，同时要保证数据的可靠性和一致性。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于虚拟磁带库(Virtual TapeLibrary，VTL)服务器在蓝光光盘存储/备份系统中的缓存盘数据管理系统及方法。
本发明的系统所采用的技术方案是：一种用于蓝光VTL网关的缓存管理系统，其特征在于：包括虚拟磁带访问请求服务模块、光盘库访问认证模块、虚拟磁带到光盘匣映射分配模块、缓存盘配置模块、缓存盘数据处理模块、对象存储API模块；
所述虚拟磁带访问请求服务模块用于接收来自虚拟磁带库服务器的所有请求，然后根据不同的请求调用光盘库访问认证模块、虚拟磁带到光盘匣映射分配模块、缓存盘配置模块或缓存盘数据处理模块，并将执行结果和数据返给虚拟磁带库服务器；
所述光盘库访问认证模块用于获取蓝光光盘库的认证信息以及对象存储的服务访问URL地址，并定期更新认证信息；
所述虚拟磁带到光盘匣映射分配模块用于将虚拟磁带库服务器请求的虚拟磁带映射到蓝光光盘库中的光盘匣；
所述缓存盘配置模块根据虚拟磁带库服务器配置的磁带库信息和磁带信息，划分缓存盘的目录结构；
所述缓存盘数据处理模块，根据虚拟磁带库服务器的加载/卸载磁带的请求，智能识别出缓存盘上的过期的磁带数据，实时动态释放磁盘空间，从而提高缓存盘的利用率；
所述对象存储API模块用于为所述光盘库访问认证模块和缓存盘数据处理模块提供对蓝光光盘库的访问的接口。
本发明的方法所采用的技术方案是：一种用于蓝光VTL网关的缓存管理方法，其特征在于：缓存管理系统用至少三块物理磁盘构成一个zfs文件系统，从而保证缓存盘数据在VTL系统异常宕机的情况下，缓存数据的一致性，并确保任何一块物理盘损坏，不会致使缓存数据丢失。
本发明不仅解决了磁介质与光介质访问的速率匹配、光盘匣切换的时延、数据格式转换、交换数据的可靠性/一致性问题，而且解决了多备份客户端的并发访问冲突，并保证了缓存盘的高吞吐量。另外，缓存盘数据到光盘库的延迟更新，可以提升光盘的利用率，降低废盘率。尤其，从光盘库重构缓存盘基础数据的技术，极大地提高了整个蓝光VTL系统的可靠性。
附图说明
图1是本发明实施例的系统结构框图；
图2是本发明实施例的缓存盘的目录文件组织结构图。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
请见图1，本发明提供的一种用于蓝光VTL网关的缓存管理系统，包括虚拟磁带访问请求服务模块1、光盘库访问认证模块2、虚拟磁带到光盘匣映射分配模块3、缓存盘配置模块4、缓存盘数据处理模块5、对象存储(Swift)API模块6；
本实施例的虚拟磁带访问请求服务模块1用于接收来自虚拟磁带库服务器的所有请求，然后根据不同的请求调用不同的功能模块(光盘库访问认证模块2、虚拟磁带到光盘匣映射分配模块3、缓存盘配置模块4或缓存盘数据处理模块5)，并将执行结果和数据返给虚拟磁带库服务器。
本实施例的光盘库访问认证模块2用于获取蓝光光盘库的认证信息以及对象存储的服务访问(URL)地址，并定期更新认证信息。
本实施例的虚拟磁带到光盘匣映射分配模块3用于将虚拟磁带库服务器请求的虚拟磁带映射到蓝光光盘库中的光盘匣。由于各种类型的虚拟磁带的容量与一个光盘匣的容量并不相等，且一般一个光盘匣的容量相当于多个虚拟磁带的容量。虚拟磁带到光盘匣映射分配模块3的一个专利特征就是，确保一个虚拟磁带只会分配到一个光盘匣中，不会出现一个虚拟磁带的数据分布到多个光盘匣的情况。
本实施例的缓存盘配置模块4根据虚拟磁带库服务器配置的磁带库信息和磁带信息，划分缓存盘的目录结构。目录结构如图2所示，这是本专利的特征之一；目录由一个或多个目录组构成。每个目录组有三个目录：元数据光盘匣ID<Meta-MagazineID>,VTL状态(status)，数据光盘匣<Tag-MagazineID>。其中Meta-Magazine指向元数据光盘匣，status存放虚拟磁带库的操作状态，Tag-Magazine里存放的是一个个准备写入虚拟磁带的数据包。每一个磁带的元数据在Meta-Magazine目录里是一个子目录，每一个磁带准备存放(或已经存放)的数据，在Tag-Magazine里也是在一个子目录下。
本实施例的缓存盘数据处理模块5，根据虚拟磁带库服务器的加载/卸载磁带的请求，智能识别出缓存盘上的过期的磁带数据，实时动态释放磁盘空间，从而提高缓存盘的利用率。同时，正在备份的磁带数据与正在做数据恢复的磁带数据在磁盘上是可以并存、并可以并行访问互补影响，从而提高蓝光VTL网关的前端、后端的访问带宽。这也是本专利的特征之一。此外，所述缓存盘数据处理模块5将缓存磁盘上的数据/元数据完整上传地光盘库，从而提高蓝光VTL网关的可靠性。
本实施例的对象存储(Swift)API模块6，用于为光盘库访问认证模块2和缓存盘数据处理模块5提供对蓝光光盘库的访问的接口。其专利特征是蓝光VTL缓存盘管理系统对光盘库的访问，都是通过对象存储(Swift)API模块6实现的。
以下结合系统的工作流程对本发明做进一步的阐述：
蓝光VTL的网关服务器在初始化安装时，选择至少3块磁盘构成zfs存储池。该存储池的文件系统挂载到蓝光VTL的网关服务器的系统目录/var/cache/brgw，并在此zfs文件系统中创建隐藏目录及文件/var/cache/brgw/.cyphy/.bluevtl/.mounted。缓存盘数据处理模块在每次将缓存盘上的数据上传光盘库之前，都要检查/var/cache/brgw/.cyphy/.bluevtl/.mounted是否存在，如果该目录文件不存在则，缓存盘数据不会上传到光盘库，以免破坏光盘库数据与缓存盘数据的一致性。
在蓝光VTL系统的正常运行时，数据备份客户端将数据通过VTL服务器送到网关服务器，网关服务器按照附图一所示，将VTL/Tape数据写入相应的目录/文件。缓存盘上的目录/文件分为元数据目录/文件和磁带数据目录文件，元数据文件记录光盘匣与磁带的对应关系以及相应的缓存目录。磁带目录至于其所属的光盘对应的容器目录之下。每个磁带数据目录下是磁带数据的切片文件，每个数据切片文件的大小不超过64M。缓存盘的根目录下的文件brgw-status-file记录所有已被卸载但数据还存在于缓存盘上的磁带名。磁带的命名在整个蓝光VTL系统中要具有唯一性，不能重名。
当备份客户端将数据写入缓存盘后，备份客户端即可以认为数据备份成功。之后，由本发明的缓存盘管理系统的后台上传程序写到光盘库的光盘匣中。
当备份客户端完成数据备份并卸载光盘匣后，缓存盘管理系统的后台上传程序会根据brgw-status-file的记录，检查卸载磁带的数据的置脏标志，并将还未上传光盘库的数据切片文件上传到光盘库。最后，该后台服务程序，会释放所有已卸载磁带的缓存盘空间。
在创建一个虚拟磁带时，本发明的虚拟磁带到光盘匣映射分配模块，要选择已分配的且可用空间大于等于一个磁带容量的光盘匣，用于分配虚拟磁带，这样可以避免一个磁带分配到多个光盘匣的情况，从而进一步避免从光盘库恢复数据时，由于切换光盘匣造成的大于60秒的读I/O延迟，这样的读I/O延迟会造成备份软件的数据恢复故障，这也是本发明重点解决的问题。
本发明还提供了一种用于蓝光VTL网关的缓存管理方法，即一种缓存盘目录/元数据文件/数据文件的组织方式；缓存管理系统用至少三块物理磁盘构成一个zfs文件系统，从而保证缓存盘数据在VTL系统异常宕机的情况下，缓存数据的一致性，并确保任何一块物理盘损坏，不会致使缓存数据丢失。并在，构建该zfs文件系统(或其它Journal-based基于日志的文件系统)的配置模块通过对磁盘打标签(Disk Label)的方法，避免磁盘插拔引起的磁盘设备文件路径的变化影响zfs文件系统的正确加载。此外，蓝光VTL网关的缓存管理系统通过缓存盘文件系统中预先创建的含特殊名称的隐含目录和文件，来判别缓存盘文件系统是否已正确加载，从而避免缓存盘数据与光盘库数据不一致的问题。
本发明的缓存盘采用了zfs存储池的raidz-1的配置方式，该方式可以很好的解决缓存盘的吞吐量、可靠性、数据一致性、低成本问题。
本发明采用了结合虚拟磁带的加载/卸载的状态，动态地对缓存盘上地数据换入/换出，从而提升缓存盘地利用率。
本发明针对蓝光光盘库的光盘匣的使用特点，采用了虚拟磁带的数据不跨光盘匣分布的方式，以解决数据恢复时，VTL从光盘库读数据时，由切换光盘匣造成的延时问题。
VTL与光盘库的交换数据在缓存盘上的处理过程如下：
1.VTL加载磁带时，如果是新加入的磁带，按照附录一所示创建相应的目录和文件。如果是加载已有的磁盘，则要将光盘库上的数据同步到缓存盘。
2.VTL新增的备份数据，根据其所属的VTL/Tape，按照附录一所示，写入相应的目录和文件。
3.为提升缓存盘的数据吞吐效率，以及光盘的利用率，缓存盘数据到光盘库是延迟写入。延迟更新控制的门限条件，有三个：(1)每个数据切片已写满；(2)元数据切片十五分钟内没有更新。(3)数据所属的磁带已处于卸载状态。当这三个门限条件之一满足时，被置脏的数据就会被上传到光盘库，并从缓存盘上清除。
4.备份客户端向缓存盘写入备份数据或从缓存盘读取恢复数据，与缓存盘数据上传光盘库可同时进行互不影响。
5.支持多备份客户端对不同的VTL并发访问。
6.如果缓存盘意外损毁，可从光盘库重构出缓存盘的基础数据。
7.在缓存盘上创建特殊命名的隐藏目录和隐藏文件，标识缓存盘是否正确挂载，以保证缓存盘与光盘库数据的一致性。
本实施例的缓存盘上的基础数据可以全部从光盘库中重构出来。这一专利特征可以极大提升蓝光VTL系统的可靠性。
尽管本说明书较多地使用了虚拟磁带访问请求服务模块1、光盘库访问认证模块2、虚拟磁带到光盘匣映射分配模块3、缓存盘配置模块4、缓存盘数据处理模块5、对象存储API模块6等术语，但并不排除使用其他术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便的描述本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种用于蓝光VTL网关的缓存管理系统，其特征在于：包括虚拟磁带访问请求服务模块（1）、光盘库访问认证模块（2）、虚拟磁带到光盘匣映射分配模块（3）、缓存盘配置模块（4）、缓存盘数据处理模块（5）、对象存储API模块（6）；
所述虚拟磁带访问请求服务模块（1）用于接收来自虚拟磁带库服务器的所有请求，然后根据不同的请求调用光盘库访问认证模块（2）、虚拟磁带到光盘匣映射分配模块（3）、缓存盘配置模块（4）或缓存盘数据处理模块（5），并将执行结果和数据返给虚拟磁带库服务器；
所述光盘库访问认证模块（2）用于获取蓝光光盘库的认证信息以及对象存储的服务访问URL地址，并定期更新认证信息；
所述虚拟磁带到光盘匣映射分配模块（3）用于将虚拟磁带库服务器请求的虚拟磁带映射到蓝光光盘库中的光盘匣；
所述缓存盘配置模块（4）根据虚拟磁带库服务器配置的磁带库信息和磁带信息，划分缓存盘的目录结构；
所述缓存盘数据处理模块（5），根据虚拟磁带库服务器的加载/卸载磁带的请求，智能识别出缓存盘上的过期的磁带数据，实时动态释放磁盘空间，从而提高缓存盘的利用率；
所述对象存储API模块（6）用于为所述光盘库访问认证模块（2）和缓存盘数据处理模块（5）提供对蓝光光盘库的访问的接口。
2.根据权利要求1所述的用于蓝光VTL网关的缓存管理系统，其特征在于：所述虚拟磁带到光盘匣映射分配模块（3）确保一个虚拟磁带只分配到一个光盘匣中。
3.根据权利要求1所述的用于蓝光VTL网关的缓存管理系统，其特征在于：所述缓存盘的目录结构为：元数据光盘匣ID，VTL状态，数据光盘匣ID；其中元数据光盘匣ID指向元数据光盘匣，VTL状态存放虚拟磁带库的操作状态， 数据光盘匣里存放的是准备写入虚拟磁带的数据包；每一个磁带的元数据在元数据光盘匣目录里是一个子目录，每一个磁带准备存放或已经存放的数据，在数据光盘匣里也是在一个子目录下。
4.根据权利要求1所述的用于蓝光VTL网关的缓存管理系统，其特征在于：所述缓存盘数据处理模块（5）用于控制正在备份的磁带数据与正在做数据恢复的磁带数据在磁盘上是并存、并能并行访问互补影响，从而提高蓝光VTL网关的前端、后端的访问带宽。
5.根据权利要求1所述的用于蓝光VTL网关的缓存管理系统，其特征在于：所述缓存盘数据处理模块（5）将缓存磁盘上的数据/元数据完整上传收到蓝光光盘库，从而提高蓝光VTL网关的可靠性。
6.一种用于蓝光VTL网关的缓存管理方法，其特征在于：缓存管理系统用至少三块物理磁盘构成一个zfs文件系统，从而保证缓存盘数据在VTL系统异常宕机的情况下，缓存数据的一致性，并确保任何一块物理盘损坏，不会致使缓存数据丢失；
构建所述zfs文件系统的配置模块通过对磁盘打标签的方法，避免磁盘插拔引起的磁盘设备文件路径的变化影响zfs文件系统的正确加载；所述缓存管理系统通过zfs中预先创建的隐含目录和文件，来判别缓存盘文件系统是否已正确加载，从而避免缓存盘数据与蓝光光盘库数据不一致的问题。
7.根据权利要求6所述的用于蓝光VTL网关的缓存管理方法，其特征在于：缓存盘上的基础数据能从蓝光光盘库中重构出来。
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