CN112328512B - 一种应用于多控存储系统的缓存同步系统及方法 - Google Patents

一种应用于多控存储系统的缓存同步系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种应用于多控存储系统的缓存同步系统及方法，属于计算机信息存储技术领域。本发明设计的多控存储系统中的控制器间采用分层同步的方式进行缓存同步，先执行控制器组间主控制器缓存同步，再执行控制器组内的主从控制器缓存同步。控制器组间采用强一致性同步，保证各控制器组保存有最新的缓存数据；控制器组内采用类最终一致性同步，避免采用强一致性同步带来的高延迟。采用控制器组间和控制器组内缓存分层同步，各个控制器组内可并行进行缓存同步降低了多控存储系统内部共享总线的负载，并且降低了所有控制器都执行强一致性同步导致的高延迟，提升存储系统整体性能。

Description

一种应用于多控存储系统的缓存同步系统及方法
技术领域
本发明属于计算机信息存储技术领域，具体涉及一种应用于多控存储系统的缓存同步系统及方法。
背景技术
随着信息技术和网络技术的迅猛发展，互联网上的信息总量以爆炸式的增长。面对大规模数据增长，企业需要采用支持虚拟化、扩展性和共享能力的存储模式，横向扩展存储有助于构建这一全新模式。多控存储系统中，多个控制器可通过多个数据通道并行提供存储服务。借助固态存储技术作用于高速缓存，可以充分提升控制器IO能力。为保证存储系统的可靠性，需进行控制器的缓存同步，保证整个存储系统中缓存数据在多个控制器中都有副本，发生故障切换时，存储系统能够正常提供存储服务。
多控存储系统中，现有缓存同步采用强一致性，虽然可以保证多个控制器中缓存的数据一致性，但会造成大量延迟。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何针对多控存储系统中缓存同步延迟高的问题，本发明提供一种应用于多控存储系统的缓存同步方法及系统。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种应用于多控存储系统的缓存同步系统，包括多控存储系统1，整个多控存储系统将控制器划分为两个层级，控制器组间和控制器组内，控制器组间的控制器是各个控制器组的主控制器，而控制器组内的控制器是控制器组内部的控制器；控制器组间的控制器采用同步写的方式进行数据强一致同步，控制器组内的控制器进行数据类最终一致同步。
优选地，其中，所述多控存储系统包括多个控制器组，每个控制器组包括多个控制器；
所述多控存储系统中的控制器并行工作且互为备份冗余，当一个控制器3出现故障，其他控制器3进行故障切换；
所述多控存储系统1中还包含一个元数据终端4，用于存储多控存储系统1中控制器3的层次关系，元数据终端4中保存一棵控制器层级关系的树形结构，各个控制器根据该树形结构中的层级关系进行数据同步；多控存储系统在初始状态设置各个控制器组的主控制器，控制器组中其余控制器自动成为从控制器；每个控制器采用控制器系统盘的序列号以及管理网口MAC地址生成的哈希值作为指纹信息，采用各个控制器的指纹信息生成一棵n叉树的数据结构，作为分层信息表保存在元数据终端中，用于主控制器遍历控制器组间的其他主控制器。
优选地，所述多控存储系统内所有控制器之间通过以太网交换机互连。
优选地，每个控制器组包含四个控制器，其中有一个主控制器和三个从控制器。
本发明还提供了一种利用所述的多控存储系统缓存同步系统实现的缓存同步方法，外部主机发送的数据写请求发送到一主控制器A1，主控制器A1将数据写请求保存到写队列中，写队列中队首写请求被提取出来，执行写入缓存操作，完成写入后，主控制器A1查询元数据终端4中的分层信息表，获取多控存储系统1中的所有主控制器的信息，此时主控制器A1发起控制器组间缓存同步，将数据写请求同步至控制器组间的其他主控制器B1、C1，控制器组间主控制器B1、C1完成数据写缓存后，将确认信号发送至主控制器A1；控制器组间所有控制器都存有当前写缓存请求的所有数据，完成了强一致数据写缓存。
优选地，在所述主控制器A1接收所述确认信号后，完成如下步骤：
写缓存操作为已完成，主控制器A1将写队列中的写请求删除，并在缓存数据与物理存储介质的地址映射表更新该请求相关的标记位，将操作的地址空间标记为1，表示为新数据，并将该地址空间标记同步至其他主控制器B1、C1。
优选地，在所述其他主控制器B1、C1接收到标记同步消息，完成如下步骤：各个控制器组的主控制器完成控制器组间缓存同步后，将继续同步控制器组内的缓存同步，主控制器A1查询元数据终端4中的分层信息表，获取当前所在控制器组内的所有从控制器A2、A3、A4，主控制器A1在控制器组内采用最终一致性缓存同步将缓存数据写入从控制器A2、A3、A4，即当控制器组内有一半以上的控制器完成缓存同步即认定完成控制器组内的缓存同步，未完成同步的缓存数据，由主控制器后续继续同步至完成；
从控制器完成缓存数据同步后，将确认信号发送至主控制器A1。其他主控制器以同样方式对所在控制器组内的从控制器进行缓存同步。
优选地，该方法中，当多控存储系统中出现控制器故障时，分为主控制器故障和从控制器故障两种；
当主控制器出现故障时，控制器组重新选举出主控制器，选举可通过自动和手动两种方式，选举成功后，整个控制器组的控制器信息会发送至元数据终端进行更新；
当从控制器出现故障时，控制器组并不立即更新控制器的控制器信息到元数据终端，当下一次缓存数据同步请求发送时，控制器组的主控制器在与从控制器进行缓存同步时，发现已故障的从控制器无法进行通信，多次通信连接失败后，终止与该故障从控制器的缓存同步，并与元数据终端进行通信，更新故障从控制器的信息。
本发明还提供一种所述的系统在计算机信息存储技术领域中的应用。
本发明还提供一种所述的方法在计算机信息存储技术领域中的应用。
(三)有益效果
本发明设计的多控存储系统中的控制器间采用分层同步的方式进行缓存同步，先执行控制器组间主控制器缓存同步，再执行控制器组内的主从控制器缓存同步。控制器组间采用强一致性同步，保证各控制器组保存有最新的缓存数据；控制器组内采用类最终一致性同步，避免采用强一致性同步带来的高延迟。采用控制器组间和控制器组内缓存分层同步，各个控制器组内可并行进行缓存同步降低了多控存储系统内部共享总线的负载，并且降低了所有控制器都执行强一致性同步导致的高延迟，提升存储系统整体性能。
附图说明
图1为本发明多控存储系统缓存同步系统硬件架构图；
图2为本发明多控存储系统缓存同步系统控制器组间缓存同步图；
图3是本发明多控存储系统缓存同步系统控制器组内缓存同步图；
图4是本发明多控存储系统缓存同步系统控制器层次结构图；
图5是本发明多控存储系统缓存同步系统控制器层次关系哈希表。
其中，1、多控存储系统；2、控制器组；3、控制器；4、元数据终端；5、以太网交换机；6、以太网链路；31、主控制器；32、从控制器。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本发明公开了一种多控存储系统缓存同步系统包括多控存储系统1，整个多控存储系统将控制器划分为两个层级，控制器组间和控制器组内，控制器组间的控制器是各个控制器组的主控制器，而控制器组内的控制器是控制器组内部的控制器；控制器组间的控制器采用同步写的方式进行数据强一致同步，控制器组内的控制器进行数据类最终一致同步；其中，多控存储系统包括3个控制器组2，每个控制器组2包括四个控制器3，多控存储系统1内所有控制器之间通过以太网交换机5互连。
其中，多控存储系统1中控制器3并行工作且互为备份冗余，当一个控制器3出现故障，其他控制器3进行故障切换；
多控存储系统1中包含一个元数据终端4，用于存储多控存储系统1中控制器3的层次关系；元数据终端4中保存一棵控制器层级关系的树形结构，各个控制器根据该树形结构中的层级关系进行数据同步。
如图2所示，控制器组2中的四个控制器3中，有一个主控制器31和三个从控制器32；
多控存储系统1在初始状态设置各个控制器组2的主控制器31，控制器组2中其余控制器3自动成为从控制器32；每个控制器3采用控制器系统盘的序列号以及管理网口MAC地址生成的哈希值作为指纹信息，采用各个控制器3的指纹信息生成一棵n叉树的数据结构，作为分层信息表保存在元数据终端4中，用于主控制器31遍历控制器组2间的其他主控制器31，如图5所示。
一种利用上述多控存储系统缓存同步系统实现的缓存同步方法，如图2所示，外部主机发送的数据写请求发送到某一主控制器A1，主控制器A1将数据写请求保存到写队列中，写队列中队首写请求被提取出来，执行写入缓存操作，完成写入后，主控制器A1查询元数据终端4中的分层信息表，获取多控存储系统1中的所有主控制器的信息。此时主控制器A1发起控制器组间缓存同步，将数据写请求同步至控制器组间其他主控制器B1、C1。控制器组间主控制器B1、C1完成数据写缓存后，将确认信号发送至主控制器A1；控制器组间所有控制器都存有当前写缓存请求的所有数据，完成了强一致数据写缓存。
在所述主控制器A1接收所述确认信号后，完成如下步骤：
写缓存操作为已完成，主控制器A1将写队列中的写请求删除，并在缓存数据与物理存储介质的地址映射表更新该请求相关的标记位，将操作的地址空间标记为1，表示为新数据，并将该地址空间标记同步至其他主控制器B1、C1；
在所述其他主控制器B1、C1接收到标记同步消息，完成如下步骤：如图3所示，各个控制器组的主控制器完成控制器组间缓存同步后，将继续同步控制器组内的缓存同步，主控制器A1查询元数据终端4中的分层信息表，获取当前所在控制器组内的所有从控制器A2、A3、A4，主控制器A1在控制器组内采用最终一致性缓存同步将缓存数据写入从控制器A2、A3、A4，即当控制器组内有一半以上的控制器完成缓存同步即认定完成控制器组内的缓存同步，未完成同步的缓存数据，由主控制器后续继续同步至完成。
从控制器完成缓存数据同步后，将确认信号发送至主控制器A1。其他主控制器以同样方式对所在控制器组内的从控制器进行缓存同步。
当多控存储系统中出现控制器故障时，分为主控制器故障和从控制器故障两种；
当主控制器出现故障时，控制器组需要重新选举出主控制器，选举可通过自动和手动两种方式，选举成功后，整个控制器组的控制器信息会发送至元数据终端进行更新。
当从控制器出现故障时，控制器组并不立即更新控制器的控制器信息到元数据终端，当下一次缓存数据同步请求发送时，控制器组的主控制器在与从控制器进行缓存同步时，发现已故障的从控制器无法进行通信，多次通信连接失败后，终止与该故障从控制器的缓存同步，并与元数据终端进行通信，更新故障从控制器的信息。
可以看出，所述多控存储系统缓存同步方法，多控存储系统中划分若干个控制器组，每个控制器组由四个控制器组成；控制器组中一个控制器为主控制器，其他控制器为从控制器；客户端发送的数据写请求发送到某一主控制器，主控制器将数据写入缓存，并将写入的数据采用同步写的方式同步至控制器组间的其他主控制器；控制器组间所有主控制器将数据写入缓存成功后，各个主控制器将数据采用最终一致性的方式同步到所在的控制器组内。
该多控存储系统中的控制器间采用分层同步的方式进行缓存同步，先执行控制器组间主控制器缓存同步，再执行控制器组内的主从控制器缓存同步。控制器组间采用强一致性同步，保证各控制器组保存有最新的缓存数据；控制器组内采用类最终一致性同步，避免采用强一致性同步带来的高延迟。采用控制器组间和控制器组内缓存分层同步，各个控制器组内可并行进行缓存同步降低了多控存储系统内部共享总线的负载，并且降低了所有控制器都执行强一致性同步导致的高延迟，提升存储系统整体性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种应用于多控存储系统的缓存同步系统，其特征在于，包括多控存储系统，整个多控存储系统将控制器划分为两个层级，控制器组间和控制器组内，控制器组间的控制器是各个控制器组的主控制器，而控制器组内的控制器是控制器组内部的控制器；控制器组间的控制器采用同步写的方式进行数据强一致同步，控制器组内的控制器进行数据类最终一致同步；
其中，所述多控存储系统包括多个控制器组，每个控制器组包括多个控制器；
所述多控存储系统中的控制器并行工作且互为备份冗余，当一个控制器出现故障，其他控制器进行故障切换；
所述多控存储系统中还包含一个元数据终端，用于存储多控存储系统中控制器的层次关系，元数据终端中保存一棵控制器层级关系的树形结构，各个控制器根据该树形结构中的层级关系进行数据同步；多控存储系统在初始状态设置各个控制器组的主控制器，控制器组中其余控制器自动成为从控制器；每个控制器采用控制器系统盘的序列号以及管理网口MAC地址生成的哈希值作为指纹信息，采用各个控制器的指纹信息生成一棵n叉树的数据结构，作为分层信息表保存在元数据终端中，用于主控制器遍历控制器组间的其他主控制器。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多控存储系统内所有控制器之间通过以太网交换机互连。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，每个控制器组包含四个控制器，其中有一个主控制器和三个从控制器。
4.一种利用如权利要求1至3中任一项所述的多控存储系统缓存同步系统实现的缓存同步方法，其特征在于，外部主机发送的数据写请求发送到一主控制器A1，主控制器A1将数据写请求保存到写队列中，写队列中队首写请求被提取出来，执行写入缓存操作，完成写入后，主控制器A1查询元数据终端中的分层信息表，获取多控存储系统中的所有主控制器的信息，此时主控制器A1发起控制器组间缓存同步，将数据写请求同步至控制器组间的其他主控制器B1、C1，控制器组间主控制器B1、C1完成数据写缓存后，将确认信号发送至主控制器A1；控制器组间所有控制器都存有当前写缓存请求的所有数据，完成了强一致数据写缓存。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述主控制器A1接收所述确认信号后，完成如下步骤：
写缓存操作为已完成，主控制器A1将写队列中的写请求删除，并在缓存数据与物理存储介质的地址映射表更新该请求相关的标记位，将操作的地址空间标记为1，表示为新数据，并将该地址空间标记同步至其他主控制器B1、C1。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述其他主控制器B1、C1接收到标记同步消息，完成如下步骤：各个控制器组的主控制器完成控制器组间缓存同步后，将继续同步控制器组内的缓存同步，主控制器A1查询元数据终端中的分层信息表，获取当前所在控制器组内的所有从控制器A2、A3、A4，主控制器A1在控制器组内采用最终一致性缓存同步将缓存数据写入从控制器A2、A3、A4，即当控制器组内有一半以上的控制器完成缓存同步即认定完成控制器组内的缓存同步，未完成同步的缓存数据，由主控制器后续继续同步至完成；
从控制器完成缓存数据同步后，将确认信号发送至主控制器A1，其他主控制器以同样方式对所在控制器组内的从控制器进行缓存同步。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，该方法中，当多控存储系统中出现控制器故障时，分为主控制器故障和从控制器故障两种；
当主控制器出现故障时，控制器组重新选举出主控制器，选举可通过自动和手动两种方式，选举成功后，整个控制器组的控制器信息会发送至元数据终端进行更新；
当从控制器出现故障时，控制器组并不立即更新控制器的控制器信息到元数据终端，当下一次缓存数据同步请求发送时，控制器组的主控制器在与从控制器进行缓存同步时，发现已故障的从控制器无法进行通信，多次通信连接失败后，终止与该故障从控制器的缓存同步，并与元数据终端进行通信，更新故障从控制器的信息。
8.一种如权利要求1至3中任一项所述的系统在计算机信息存储技术领域中的应用。
9.一种如权利要求4至7中任一项所述的方法在计算机信息存储技术领域中的应用。
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