CN107422989A - 一种Server SAN系统多副本读取方法及存储架构 - Google Patents

一种Server SAN系统多副本读取方法及存储架构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种Server SAN系统多副本读取方法及存储架构，具体包括：控制主机的初始化构建：预先在控制主机中构建虚拟磁盘，对虚拟磁盘的地址空间进行划分，并建立副本以及构建副本与地址空间的映射关系表；策略主机的动态调整：分别对R个存储介质进行定时采样，收集R个存储介质的IO延迟，并将超出预设延迟阈值的IO进行回收，分配至其它存储介质。本发明针对多读少写的应用场景，采用异构的存储介质，将其中一个数据副本存放在高速存储介质中，其他数据副本存放在低速存储介质中，根据运行过程中的负载情况，动态调整各存储介质的负载权重，以达到在当前环境下的最优性能，由于采用异构存储介质，成本也相应地减少。

Description

一种Server SAN系统多副本读取方法及存储架构
技术领域
本发明涉及信息存储技术领域，尤其涉及的是一种Server SAN系统多副本读取方法及存储架构。
背景技术
Server SAN至今并未有一个公认的定义，它是一个进化中的概念，许多人认为其将可能是未来存储的发展趋势。Server SAN包含几个特点：通用硬件的，纯软件实现，分布式数据存储，提供标准块接口。
在Server SAN系统中，数据的冗余方式多数是使用副本形式。众所周知，存储系统的性能有个非常关键的因素便是存储硬件类型，比如PCI-E SSD性能远比SATA/SAS SSD高，SATA/SAS SSD性能高出机械磁盘HDD不少。
现有的Server SAN主要有两种方式读：读取一个副本和分散到多个副本读取，但基本都是要求存储介质是同构的，若同为机械磁盘则读取性能慢；若同为PCI-E SSD则成本要求高。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种Server SAN系统多副本读取方法及存储架构，旨在提出一种全新的多副本读取方式，针对多读少写的应用场景，采用异构的存储介质，以达到在当前环境下的最优性能，且由于采用异构存储，成本也相应地减少。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种Server SAN系统多副本读取方法，其采用控制主机-策略主机-存储主机的处理架构；其中存储主机由R个异构存储介质组成；
具体步骤包括：
A、控制主机的初始化构建：预先在控制主机中构建虚拟磁盘，对虚拟磁盘的地址空间进行划分，并建立副本以及构建所述副本与地址空间的映射关系表；
B、策略主机的动态调整：分别对R个存储介质进行定时采样，收集R个存储介质的IO延迟，并将超出预设延迟阈值的IO进行回收，分配至其它存储介质。
所述的Server SAN系统多副本读取方法，其中，所述步骤B之后还包括：
C、策略主机的异常调整：在存储介质出现异常时，对IO请求进行Handoff操作，以将IO请求切换到正常运行的存储介质。
所述的Server SAN系统多副本读取方法，其中，所述步骤A具体包括：
A1、将虚拟磁盘的地址空间划分为N个Block id，Block id从0开始顺序编号至N-1；
A2、所述存储主机包括R个异构存储介质，并在虚拟磁盘中建立R个对应的副本，再对所述副本从Replica id 0到Replica id R-1进行顺序递增编号；
A3、将虚拟空间的N个Block id与R个副本建立映射关系表；
A4、根据Block id通过数组下标取值，以O(1)的时间复杂度取到对应的副本Replicaid。
所述的Server SAN系统多副本读取方法，其中，所述映射关系表的数据量为：R*N条记录。
所述的Server SAN系统多副本读取方法，其中，所述步骤B具体包括：
B1、每1秒选择采样对IO进行标记，记录其发起时间与完成时间，时间差为本次IO的延迟;
B2、根据R个副本IO延迟的差距，对副本的权重进行调整；
B3、调整过程如下：先回收IO请求，再分配；即根据收集的IO延迟数据统计出需回收的副本Replica id，再根据预设的延迟阈值与IO延迟数据计算出需要回收的Block id数量，再分配至其它副本Replica id。
所述的Server SAN系统多副本读取方法，其中，所述步骤C具体包括：
C1、当当前存储介质出现异常无法完成IO操作时，则将对应的副本Replica id设置为异常状态，并且将访问权重设置为0;
C2、对IO请求进行HandOff操作，切换至运行正常的副本Replica id；
C3、根据映射关系表对异常状态的副本Replica id对应的Block id全部回收，分配至运行正常的副本Replica id。
一种存储架构，所述存储架构为Server SAN，包括：控制主机、策略主机、存储主机；
所述控制主机中构建有虚拟磁盘，并用于管理虚拟磁盘的生命周期，完成数据的接收、缓存、转发功能；
所述策略主机用于承担Server SAN的元数据管理，资源调度，以及数据信息的监控；
所述存储主机由R个异构存储介质组成，用于冗余数据的存储；
所述存储架构中存储有计算机程序，该计算机程序被控制主机和/或策略主机执行时实现上述任一项所述的Server SAN系统多副本读取方法的步骤。
本发明的有益效果：采用本发明的多副本读取方案，针对多读少写的应用场景，采用异构的存储介质，将其中一个数据副本存放在高速存储介质中，其他数据副本存放在低速存储介质中，根据运行过程中的负载情况，动态调整各存储介质的负载权重，可以近似达到异构设备中最快的存储设备的性能，同时能带来较大的成本效益，让客户花费较少的总拥有成本(TCO)，带来较好的系统性能。图5是本发明的Server SAN异构存储设备多副本读取异常情况切换。
附图说明
图1是本发明一种存储架构较佳实施例的架构模块图。
图2是本发明一种Server SAN系统多副本读取方法较佳实施例的异构存储介质结构图。
图3是本发明一种Server SAN系统多副本读取方法较佳实施例的异构存储介质多副本读取模块图。
图4是本发明一种Server SAN系统多副本读取方法较佳实施例的映射关系表(DHT)示意图。
图5是本发明一种Server SAN系统多副本读取方法较佳实施例的读取异常情况切换示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。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。
本发明实施例提供了一种Server SAN系统多副本读取方法，请参见图2，如图所示，其采用控制主机-策略主机-存储主机的处理架构；其中存储主机由R个异构存储介质组成（本实施例中设置为3个异构存储介质）。
具体包括如下步骤：
A、控制主机的初始化构建：预先在控制主机中构建虚拟磁盘，对虚拟磁盘的地址空间进行划分，并建立副本以及构建所述副本与地址空间的映射关系表。
所述步骤A具体包括：
A1、将虚拟磁盘的地址空间划分为N个Block id，Block id从0开始顺序编号至N-1；
A2、所述存储主机包括R个异构存储介质，并在虚拟磁盘中建立R个对应的副本，再对所述副本从Replica id 0到Replica id R-1进行顺序递增编号；
A3、将虚拟空间的N个Block id与R个副本建立映射关系表；
A4、根据Block id通过数组下标取值，以O(1)的时间复杂度取到对应的副本Replicaid。
请参加图2，在本发明实施例中，图中虚拟磁盘的数据有3个数据副本，数据副本0的存储介质为SSD(固态硬盘)，数据副本1和数据副本2的存储介质为HDD(机械硬盘)。
SSD的性能好，价格相对HDD高；在分布式系统中，通常采用副本的方式进行数据冗余，确保数据的安全性。
以3个数据副本为例，如果每个副本都存放到SSD中，会造成数据存储的成本提升。
本实施例中，采用3个异构存储介质进行构建Server SAN系统多副本，可降低数据存储成本，对于读请求远超过写请求的应用场景能取的非常好的效果。通过对读请求的副本选择，将尽量多的读请求发送到SSD上的数据副本0，使得整体的读性能接近全SSD方案，但成本却比全SSD方案低。
请参加图3，虚拟磁盘有3个副本，对副本从0开始进行编号（Replica id），副本0存储在SSD上，副本1和副本2存储在HDD。
本实施例中，将虚拟磁盘的地址空间划分为Block，每个Block的大小为4M，Block从低地址到高地址顺序递增编号（Block id），如Block id 0代表地址空间0~4M-1的Block，如Block id 0至Block id n-1。
将Block id与Replica id建立映射关系表（DHT），读请求根据其读取的偏移量计算对应的Block id，再根据映射关系表查询到需要读取的Replica id进行读取。
所述虚拟磁盘在创建的时候，需要完全为空的映射关系表(DHT)完成映射。在此阶段根据预设的权重(如图3中的weight)，将Block id进行派发。如使用整型数组实现映射关系表，数组下标表示Block id，数组的值表示Replica id（如图4所示）。根据带权重的随机概率计算，可以快速计算构建映射关系表。
进一步的，所述映射关系表的数据量为：R*N条记录。
以下估算一下映射关系表的时间空间复杂度，假设虚拟磁盘的大小为10TB，每个Block的大小为4M，存储系统的副本数量最多支持255个。
映射关系表(数组)元素个数 = 10TB ÷ 4M = 2621440
副本数最大为255个，映射关系表(数组)元素类型采用uint8表示，映射表占用内存空间为：2621440 * 8 = 20MB
根据读请求的参数：偏移量Offset计算出Replica的时间复杂度：
读请求对应的Block id = Offset >> 22 O(1) （4M的2的幂是22）；以Block id作为数组下标取对应的值，O(1)，获得Replica id。所以时间复杂度为O(1)。
综上，采用本发明实施例所述的映射关系表，在时间和空间的复杂度都是比较小的，不会影响系统性能。
B、策略主机的动态调整：分别对R个存储介质进行定时采样，收集R个存储介质的IO延迟，并将超出预设延迟阈值的IO进行回收，分配至其它存储介质。
所述步骤B具体包括：
B1、每1秒选择采样对IO进行标记，记录其发起时间与完成时间，时间差为本次IO的延迟;
B2、根据R个副本IO延迟的差距，对副本的权重进行调整；
B3、调整过程如下：先回收IO请求，再分配；即根据收集的IO延迟数据统计出需回收的副本Replica id，再根据预设的延迟阈值与IO延迟数据计算出需要回收的Block id数量，再分配至其它副本Replica id。
本发明实施例中，对于Server SAN存储系统影响读IO性能的情况不仅仅是物理存储介质，还包括网络负载，主机负载，存储设备负载。如图3所示，副本0的存储介质为SSD，会比HDD性能高。但是由于副本0的网络负载过高，或者其主机负载高，有可能导致副本0的性能不如副本1和副本2。动态调整阶段是虚拟磁盘所停留的最长时间的调整阶段。在此阶段需完成动态信息收集和动态权重调整。
由于影响IO性能的情况太多，如网络、CPU负载，内存使用率，存储介质等，但都可以根据IO的延迟对所有情况进行综合评估。为了降低动态信息收集对系统产生大量负载，本发明采用定时采样收集IO延迟时间。具体方法如下：
每1秒钟，采样选择IO进行标记，经过标记的IO会记录其发起时间与完成时间，时间差为此次IO的延迟。根据多个副本的IO延迟的差距，对副本权重进行调整。本发明的方案参考预设的延迟阈值，调整方法有两种：快调整和慢调整。
调整过程是先回收，再分配。根据IO延迟统计数据计算出需回收的副本id，根据延迟阈值与其他副本的IO延迟差距，计算出需回收的Block数量。根据副本的IO延迟统计数据，将回收的Block分配给其他副本。
所述步骤B之后还包括：
C、策略主机的异常调整：在存储介质出现异常时，对IO请求进行Handoff操作，以将IO请求切换到正常运行的存储介质。
所述步骤C具体包括：
C1、当当前存储介质出现异常无法完成IO操作时，则将对应的副本Replica id设置为异常状态，并且将访问权重设置为0;
C2、对IO请求进行HandOff操作，切换至运行正常的副本Replica id；
C3、根据映射关系表对异常状态的副本Replica id对应的Block id全部回收，分配至运行正常的副本Replica id。
本发明实施例中，当有副本出现异常，无法完成IO时(如图5)，此时将出现异常的副本的权重置为0。此时读请求经过Offset计算与映射表映射后，如果选中的副本为出现异常的副本，此时执行简单的HandOff操作。因为异常调整阶段需要一定的时间窗口才能完成，在这个时间窗口，对落到异常副本的读请求执行HandOff操作，以便能读到正常的副本。在异常调整阶段采用与动态调整阶段的快调整方式。回收异常副本在映射表所有的Blockid，再进行分配。
基于上述的一种Server SAN系统多副本读取方法，本发明还提供了一种存储架构，所述存储架构为Server SAN，请参加图1，如图所示，包括：控制主机、策略主机、存储主机；
所述控制主机中构建有虚拟磁盘，并用于管理虚拟磁盘的生命周期，完成数据的接收、缓存、转发功能；
所述策略主机用于承担Server SAN的元数据管理，资源调度，以及数据信息的监控；
所述存储主机由R个异构存储介质组成，用于冗余数据的存储；
所述存储架构中存储有计算机程序，该计算机程序被控制主机和/或策略主机执行时实现以上任一项所述的Server SAN系统多副本读取方法的步骤。
综上所述，本发明公开了一种Server SAN系统多副本读取方法及存储架构，具体包括：控制主机的初始化构建：预先在控制主机中构建虚拟磁盘，对虚拟磁盘的地址空间进行划分，并建立副本以及构建副本与地址空间的映射关系表；策略主机的动态调整：分别对R个存储介质进行定时采样，收集R个存储介质的IO延迟，并将超出预设延迟阈值的IO进行回收，分配至其它存储介质。本发明针对多读少写的应用场景，采用异构的存储介质，将其中一个数据副本存放在高速存储介质中，其他数据副本存放在低速存储介质中，根据运行过程中的负载情况，动态调整各存储介质的负载权重，以达到在当前环境下的最优性能，由于采用异构存储介质，成本也相应地减少。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种Server SAN系统多副本读取方法，其特征在于，所述Server SAN系统采用控制主机-策略主机-存储主机的处理架构；所述存储主机由R个异构存储介质组成；
具体步骤包括：
A、控制主机的初始化构建：预先在控制主机中构建虚拟磁盘，对虚拟磁盘的地址空间进行划分，并建立副本以及构建所述副本与地址空间的映射关系表；
B、策略主机的动态调整：分别对R个存储介质进行定时采样，收集R个存储介质的IO延迟，并将超出预设延迟阈值的IO进行回收，分配至其它存储介质。
2.根据权利要求1所述的Server SAN系统多副本读取方法，其特征在于，所述步骤B之后还包括：
C、策略主机的异常调整：在存储介质出现异常时，对IO请求进行Handoff操作，以将IO请求切换到正常运行的存储介质。
3.根据权利要求1所述的Server SAN系统多副本读取方法，其特征在于，所述步骤A具体包括：
A1、将虚拟磁盘的地址空间划分为N个Block id，Block id从0开始顺序编号至N-1；
A2、所述存储主机包括R个异构存储介质，并在虚拟磁盘中建立R个对应的副本，再对所述副本从Replica id 0到Replica id R-1进行顺序递增编号；
A3、将虚拟空间的N个Block id与R个副本建立映射关系表；
A4、根据Block id通过数组下标取值，以O(1)的时间复杂度取到对应的副本Replicaid。
4. 根据权利要求3所述的Server SAN系统多副本读取方法，其特征在于，所述映射关系表的数据量为：R*N条记录。
5.根据权利要求3所述的Server SAN系统多副本读取方法，其特征在于，所述步骤B具体包括：
B1、每1秒选择采样对IO进行标记，记录其发起时间与完成时间，时间差为本次IO的延迟;
B2、根据R个副本IO延迟的差距，对副本的权重进行调整；
B3、调整过程如下：先回收IO请求，再分配；即根据收集的IO延迟数据统计出需回收的副本Replica id，再根据预设的延迟阈值与IO延迟数据计算出需要回收的Block id数量，再分配至其它副本Replica id。
6. 根据权利要求1所述的Server SAN系统多副本读取方法，其特征在于，所述步骤C具体包括：
C1、当当前存储介质出现异常无法完成IO操作时，则将对应的副本Replica id设置为异常状态，并且将访问权重设置为0;
C2、对IO请求进行HandOff操作，切换至运行正常的副本Replica id；
C3、根据映射关系表对异常状态的副本Replica id对应的Block id全部回收，分配至运行正常的副本Replica id。
7. 一种存储架构，其特征在于，所述存储架构为Server SAN，包括：控制主机、策略主机、存储主机；
所述控制主机中构建有虚拟磁盘，并用于管理虚拟磁盘的生命周期，完成数据的接收、缓存、转发功能；
所述策略主机用于承担Server SAN的元数据管理，资源调度，以及数据信息的监控；
所述存储主机由R个异构存储介质组成，用于冗余数据的存储；
所述存储架构中存储有计算机程序，该计算机程序被控制主机和/或策略主机执行时实现权利要求1-6任一项所述的Server SAN系统多副本读取方法的步骤。
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