CN110968530A - 一种基于非易失性内存的键值存储系统和内存访问方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于非易失性内存的键值存储系统和内存访问方法，属于信息存储领域。包括：使用日志结构存储数据，数据为固定大小的带有校验码的键值对，日志结构包括头结点数组，其包含头结点编号和链接日志区域指针的对应关系，每个头结点有唯一编号；使用哈希表存储元数据，元数据表示键值对的地址信息；哈希表的表项包含：key、头结点编号和8字节原子写区域。本发明利用8字节原子更新特性来确保元数据一致性，8字节原子写区域包含旧版本数据的地址，发生故障时能正确地恢复到旧版本。客户端将待写数据传输到服务器日志中的目标内存地址，从而不需要冗余副本和消耗服务器的中央处理器；通过验证数据的校验码，检测读取数据的不完整性。

Description

一种基于非易失性内存的键值存储系统和内存访问方法
技术领域
本发明属于信息存储技术领域，更具体地，涉及一种基于非易失性内存的键值存储系统和内存访问方法。
背景技术
为了在云计算中提供高性能，我们通常在网络中使用远程直接内存访问，在终端系统中使用非易失性内存。非易失性内存技术具有非易失性、可字节寻址和低延迟等优点。而由于单边远程直接内存访问操作不需要远端中央处理器的参与，单边远程直接内存访问访问远端内存非常高效，与双边远程直接内存访问操作相比，单边远程直接内存访问操作提供更高的带宽和更低的延迟。
然而，远程直接内存访问网卡无法保证非易失性内存的持久性，因此，由于存在保证远端数据原子性的挑战，使用单边远程直接内存访问读写远程非易失性内存变得低效:失败的不完整的写操作在非易失性内存中是持久的，这将导致数据的不一致性；服务器无法感知非易失性内存中的不完整的数据，这是因为在单边远程直接内存访问中没有服务器中央处理器的参与；客户端也不知道服务器中可能的数据丢失，这是因为从服务器返回的远程直接内存访问写应答仅仅意味着数据已经到达服务器网卡的易失性缓存中，却可能无法刷新到非易失性内存中。
然而，现有的提供远端数据原子性保证的方案，需要消耗额外的网络往返、远端中央处理器消耗或者双倍的非易失性内存写入。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于非易失性内存的键值存储系统和内存访问方法，其目的在于提供远端数据原子性保证的同时，无需消耗额外的网络往返、远端中央处理器参与以及双倍的非易失性内存写入。
为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种基于非易失性内存的键值存储系统，所述系统使用日志结构存储数据，所述数据为固定大小的带有校验码的键值对，所述日志结构包括一个头结点数组，所述头结点数组包含头结点编号和链接日志区域指针的对应关系，每一个头结点都有唯一编号；所述系统使用哈希表存储元数据，所述元数据表示键值对的地址信息；所述哈希表的表项包含：key、头结点编号和8字节原子写区域，所述8字节原子写区域中包含：指示旧版/新版数据的指示位、旧版本数据的地址和新版本数据的地址。
具体地，所述日志区域含有多条日志，每条日志对应一个特定应用，各条日志被分别用指针链接在一个头结点数组的各个结点之后，其后链接的日志区域为固定大小的连续内存区域。
具体地，8字节原子写区域包括：1比特用于指示第2～32比特的区域偏移量为新版本数据的地址还是旧版本数据的地址的指示位、31比特的新/旧版本日志区域偏移量、31比特的旧/新版本日志区域偏移量区域和1比特预留位。
为实现上述目的，按照本发明的第二方面，提供了一种基于第一方面所述的键值存储系统的内存访问方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1.客户端和服务器建立远程直接内存访问连接后，服务器将头结点数组发送给客户端；
S2.客户端使用单边远程直接内存访问写操作，直接将待写数据传输到服务器日志中的目标内存地址；
S3.客户端使用单边远程直接内存访问读操作读取远端数据时，通过验证数据自带的校验码，检测读取数据的不完整性。
具体地，所述写操作包括以下步骤：
S21.客户端使用远程直接内存访问写立即数操作，向服务器发出写请求，请求日志区域的待写偏移量；
S22.服务器收到请求后，翻转8字节原子写区域中的指示位，并按照翻转后的指示位，将待写偏移量写入当前的新日志区域偏移量区域，再将待写偏移量和相应头结点编号用远程直接内存访问写立即数操作返回给请求的客户端，最后更新服务器自身维持的待写偏移量；
S23.客户端收到后，查询缓存在本地的头结点编号和链接日志区域指针的对应关系，利用相应指针和待写偏移量信息，采用单边远程直接内存访问写操作，直接将待写数据写到服务器日志区域的最终存储位置。
具体地，所述读操作包括以下步骤：
S31.客户端对要查询的键进行哈希操作，读取服务器上的存储元数据的哈希表相关表项；
S32.客户端验证读取的相关表项为待查询的键后，根据表项中的头结点编号，查询本地缓存的头结点编号和链接日志区域指针的对应关系；
S33.客户端利用指针与获取的8字节原子写区域中的新日志区域偏移量，直接读取服务器的相关数据；
S34.读取后，验证读取数据的校验码，校验码正确，则读操作结束；否则，说明读取数据并不完整，进入步骤S35；
S35.客户端利用指针与获取的8字节原子写区域中的旧日志区域偏移量，直接读取服务器的相关数据的完整的旧版本，同时通知服务器当前数据新版本的不完整性；
S36.服务器将8字节原子写区域中的新日志区域偏移量区域更新为旧日志区域偏移量的值。
具体地，当需要更多的内存空间时，服务器会再次分配注册固定大小的连续内存区域，并用指针链接到初始区域之后。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明中存储元数据的哈希表利用8字节原子更新特性来确保元数据一致性，在哈希表的8字节原子写区域中还包含旧版本数据的地址，从而当发生故障时，服务器能正确地恢复到旧的一致的版本。
(2)本发明中，客户端使用单边远程直接内存访问写操作，直接将待写数据传输到服务器日志中的目标内存地址，从而不需要冗余的副本和消耗服务器的中央处理器；客户端使用单边远程直接内存访问读操作读取远端数据时，在不需要与服务器协调的情况下，通过验证数据自带的校验码，检测读取数据的不完整性；使用本发明实现的远端非易失性数据读写，可以在无需消耗额外的网络往返、远端中央处理器参与以及双倍的非易失性内存写入的情况下，简单而有效地提供远端数据原子性保证，从而具有很少的非易失性内存写入，低的CPU消耗，高的吞吐量与低的延迟。在保证远端数据原子性的同时，不会造成额外的写，并且具有高的吞吐量和低的请求延迟。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于非易失性内存的键值存储系统结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种基于上述的键值存储系统的内存访问方法流程图。
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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明提供了一种基于非易失性内存的键值存储系统，所述系统使用日志结构存储数据，所述数据为固定大小的带有校验码的键值对，所述日志结构包括一个头结点数组，所述头结点数组包含头结点编号和链接日志区域指针的对应关系，每一个头结点都有唯一编号；所述系统使用哈希表存储元数据，所述元数据表示键值对的地址信息；所述哈希表的表项包含：key、头结点编号和8字节原子写区域，所述8字节原子写区域中包含：指示旧版/新版数据的指示位、旧版本数据的地址和新版本数据的地址。
所述日志区域含有多条日志，每条日志对应一个特定应用，各条日志被分别用指针链接在一个头结点数组的各个结点之后，其后链接的日志区域为固定大小的连续内存区域。固定大小初始默认值为1GB。所述校验码为循环冗余校验码。
存储元数据的“跳房子”哈希表利用8字节原子更新特性来确保元数据一致性，其中在哈希表的8字节原子写区域中还包含旧版本数据的地址，从而当发生故障时，服务器能正确地恢复到旧的一致的版本。8字节原子写区域包括：1比特用于指示第2～32比特的区域偏移量为新版本数据的地址还是旧版本数据的地址的指示位、31比特的新/旧版本日志区域偏移量、31比特的旧/新版本日志区域偏移量区域和1比特预留位。
“1”代表紧随其后的31比特的日志区域偏移量代表新版本数据的地址，“0”代表紧随其后的31比特的日志区域偏移量代表旧版本数据的地址。
如图2所示，本发明公开了一种基于上述的键值存储系统的内存访问方法，该方法包括以下步骤：
步骤S1.客户端和服务器建立远程直接内存访问连接后，服务器将头结点数组发送给客户端。
步骤S2.客户端使用单边远程直接内存访问写操作，直接将待写数据传输到服务器日志中的目标内存地址。
客户端使用单边远程直接内存访问写操作，直接将待写数据传输到服务器日志中的目标内存地址，从而不需要冗余的副本和消耗服务器的中央处理器。所述写操作包括以下步骤：
S21.客户端使用远程直接内存访问写立即数操作，向服务器发出写请求，请求日志区域的待写偏移量；
S22.服务器收到请求后，翻转8字节原子写区域中的指示位，并按照翻转后的指示位，将待写偏移量写入当前的新日志区域偏移量区域，再将待写偏移量和相应头结点编号用远程直接内存访问写立即数操作返回给请求的客户端，最后更新服务器自身维持的待写偏移量；
S23.客户端收到后，查询缓存在本地的头结点编号和链接日志区域指针的对应关系，利用相应指针和待写偏移量信息，采用单边远程直接内存访问写操作，直接将待写数据写到服务器日志区域的最终存储位置。
步骤S3.客户端使用单边远程直接内存访问读操作读取远端数据时，通过验证数据自带的校验码，检测读取数据的不完整性。
客户端使用单边远程直接内存访问读操作读取远端数据时，在不需要与服务器协调的情况下，通过验证数据自带的校验码，检测读取数据的不完整性。所述读操作包括以下步骤：
S31.客户端对要查询的键进行哈希操作，读取服务器上的存储元数据的哈希表相关表项；
S32.客户端验证读取的相关表项为待查询的键后，根据表项中的头结点编号，查询本地缓存的头结点编号和链接日志区域指针的对应关系；
S33.客户端利用指针与获取的8字节原子写区域中的新日志区域偏移量，直接读取服务器的相关数据；
S34.读取后，验证读取数据的校验码，校验码正确，则读操作结束；否则，说明读取数据并不完整，进入步骤S35；
S35.客户端利用指针与获取的8字节原子写区域中的旧日志区域偏移量，直接读取服务器的相关数据的完整的旧版本，同时通知服务器当前数据新版本的不完整性；
S36.服务器将8字节原子写区域中的新日志区域偏移量区域更新为旧日志区域偏移量的值。
服务器将8字节原子写区域中的新日志区域偏移量区域更新为旧日志区域偏移量的值，从而后续客户端对该数据的读取会重新恢复正确。当需要更多的内存空间时，服务器会再次分配注册固定大小的连续内存区域，并用指针链接到初始区域之后。
总体而言，本发明是一个在远程直接内存访问和非易失内存场景下，提供远端数据原子性的同时无需额外的网络往返、远程中央处理器消耗和冗余数据拷贝的非易失性内存设计。该方法直接将数据传输到目标内存地址，而不需要缓冲区和副本，并通过使用异地更新、循环冗余校验码和8字节原子更新特性来保证远端数据原子性。使用本发明实现的远端非易失性数据读写，可以在无需消耗额外的网络往返、远端中央处理器参与以及双倍的非易失性内存写入的情况下，简单而有效地提供远端数据原子性保证，从而具有很少的非易失性内存写入，低的CPU消耗，高的吞吐量与低的延迟。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于非易失性内存的键值存储系统，其特征在于，
所述系统使用日志结构存储数据，所述数据为固定大小的带有校验码的键值对，所述日志结构包括一个头结点数组，所述头结点数组包含头结点编号和链接日志区域指针的对应关系，每一个头结点都有唯一编号；
所述系统使用哈希表存储元数据，所述元数据表示键值对的地址信息；所述哈希表的表项包含：key、头结点编号和8字节原子写区域，所述8字节原子写区域中包含：指示旧版/新版数据的指示位、旧版本数据的地址和新版本数据的地址。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述日志区域含有多条日志，每条日志对应一个特定应用，各条日志被分别用指针链接在一个头结点数组的各个结点之后，其后链接的日志区域为固定大小的连续内存区域。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，8字节原子写区域包括：1比特用于指示第2～32比特的区域偏移量为新版本数据的地址还是旧版本数据的地址的指示位、31比特的新/旧版本日志区域偏移量、31比特的旧/新版本日志区域偏移量区域和1比特预留位。
4.一种基于权利要求1至3任一项所述的键值存储系统的内存访问方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1.客户端和服务器建立远程直接内存访问连接后，服务器将头结点数组发送给客户端；
S2.客户端使用单边远程直接内存访问写操作，直接将待写数据传输到服务器日志中的目标内存地址；
S3.客户端使用单边远程直接内存访问读操作读取远端数据时，通过验证数据自带的校验码，检测读取数据的不完整性。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述写操作包括以下步骤：
S21.客户端使用远程直接内存访问写立即数操作，向服务器发出写请求，请求日志区域的待写偏移量；
S22.服务器收到请求后，翻转8字节原子写区域中的指示位，并按照翻转后的指示位，将待写偏移量写入当前的新日志区域偏移量区域，再将待写偏移量和相应头结点编号用远程直接内存访问写立即数操作返回给请求的客户端，最后更新服务器自身维持的待写偏移量；
S23.客户端收到后，查询缓存在本地的头结点编号和链接日志区域指针的对应关系，利用相应指针和待写偏移量信息，采用单边远程直接内存访问写操作，直接将待写数据写到服务器日志区域的最终存储位置。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述读操作包括以下步骤：
S31.客户端对要查询的键进行哈希操作，读取服务器上的存储元数据的哈希表相关表项；
S32.客户端验证读取的相关表项为待查询的键后，根据表项中的头结点编号，查询本地缓存的头结点编号和链接日志区域指针的对应关系；
S33.客户端利用指针与获取的8字节原子写区域中的新日志区域偏移量，直接读取服务器的相关数据；
S34.读取后，验证读取数据的校验码，校验码正确，则读操作结束；否则，说明读取数据并不完整，进入步骤S35；
S35.客户端利用指针与获取的8字节原子写区域中的旧日志区域偏移量，直接读取服务器的相关数据的完整的旧版本，同时通知服务器当前数据新版本的不完整性；
S36.服务器将8字节原子写区域中的新日志区域偏移量区域更新为旧日志区域偏移量的值。
7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，当需要更多的内存空间时，服务器会再次分配注册固定大小的连续内存区域，并用指针链接到初始区域之后。
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