CN115794700A - 一种聚合管理访盘方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种聚合管理访盘方法和装置，该方法包括：由应用逻辑层将包含DMA描述符的访盘命令发送给DMA，所述DMA描述符中包括目标数据块的地址及其相应的标志位；将SAS协议栈与SAS设备建链，并在建链成功之后，接收SAS设备中与所述地址对应的数据块，并存储在SAS协议栈的帧缓冲区中；将SAS协议栈与SAS设备断链，根据每个数据块的标志位来确定是否将相应的数据块从SAS协议栈搬运到应用逻辑层。本发明的方法通过在应用逻辑层和DMA之间添加聚合访盘机制，避免了不连续数据块访问时的多次I/O拆分和频繁建链，有效减少时间开销。

Description

一种聚合管理访盘方法和装置

技术领域

本发明的方案属于磁盘读写领域，特别涉及一种聚合管理访盘方法和装置。

背景技术

SAS(串行连接SCSI)是新一代的SCSI技术，属于点对点的全双工串行协议，内置数据和命令校验单元，纠错能力强，支持热插拔，具有管脚数量少、数据传输速率快、可靠性高、兼容性好等特性，目前被业界广泛用于存储设备和主机之间主要的I/O串行接口。

在SAS磁盘中，访问存储的方式一般按照LBA(逻辑区块地址Logical BlockAddress)的机制进行磁盘存储操作。LBA是描述计算机存储设备上数据所在区块的一种通用机制。LBA可以指某个数据区块的地址或是某个地址所指向的数据区块。在现代计算机中，一个逻辑区块通常是512或1024字节(ISO-9660格式的标准CD则以2048字节为一个逻辑区块大小)。图1描述了采用SAS接口技术进行磁盘访问的典型实现装置，主要组件说明如下：

L1为应用逻辑层，用于按照LBA方式访问磁盘，下发访问操作；

L2为DMA(直接存储器访问)，负责主机存储系统与SAS控制器的帧缓冲区存储之间的数据搬运；

L3为SAS协议栈，将需要发送的数据或命令按照SAS协议封装成对应的格式发送出去，或者将接收的SAS数据包进行解析放入帧缓冲区；

L4为SAS接口的存储设备，用于存储数据信息。

对于连续的LBA访问过程，如图2所示，应用逻辑层向DMA下发访盘命令，协议栈与SAS设备完成建链，将访盘操作下发给SAS设备，SAS设备返回数据到协议栈帧缓冲区，再由DMA将数据从SAS协议栈帧缓冲区搬运到应用逻辑层的存储中，这种方法可以高效地完成磁盘访问。

如图3所示，当应用逻辑层需要访问磁盘中连续的LBA 1～10时，只需要下发起始地址LBA 1的相关参数，以及LBA的数量，DMA接收到访盘命令后，应用逻辑层下发访盘命令，磁盘返回数据给SAS协议栈，SAS协议栈将数据解析放入帧缓冲区，DMA将数据搬运至主机系统存储中，完成访盘操作。当需要访问不连续的LBA时，则需要对访盘操作进行拆分，如图4所示，例如要访问LBA 1～3和LBA 6～10，此时需要拆分成两次I/O操作。相应地，LBA访问流程如图5所示，第一次I/O对LBA 1～3进行访问。第二次I/O对LBA6～10进行访问，需要对I/O进行拆分，每次独立的I/O操作都需要完整的建链、传输和断链过程。可见，现有的访盘方式需要SAS协议栈与SAS设备之间频繁地建链和断链，存在较大的时间开销。

发明内容

本发明的目的在于提供一种聚合管理访盘方法和装置，以解决访问不连续的LBA的情况下频繁建链和断链带来较大的时间开销的问题。

根据本发明的第一方面，提供了一种聚合管理访盘方法包括：

步骤101：由应用逻辑层将包含DMA描述符的访盘命令发送给DMA，所述DMA描述符中包括目标数据块的地址及其相应的标志位；

步骤102：将SAS协议栈与SAS设备建链，并在建链成功之后，接收所述SAS设备中与所述地址对应的数据块，并存储在所述SAS协议栈的帧缓冲区中；

步骤103：将所述SAS协议栈与所述SAS设备断链，根据每个数据块的标志位来确定是否将相应的数据块从所述SAS协议栈搬运到所述应用逻辑层。

优选地，所述步骤103进一步包括：

如果所述DMA描述符中当前数据块的标志位为0，则将当前数据块从所述SAS协议栈搬运到所述应用逻辑层。

优选地，所述步骤103进一步包括：

如果所述DMA描述符中当前数据块的标志位为1，则直接丢弃当前数据块。

优选地，在所述步骤102之前，还包括：

在所述DMA接收到所述访盘命令后，将访盘请求透传到所述SAS协议栈，并指示所述SAS协议栈与所述SAS设备发起建链。

优选地，在所述步骤102之前，还包括：

根据所述访盘命令中的DMA描述符，判断所述标志位为1的数据块长度是否达到预定义阈值；

仅当所述数据块长度未达到所述预定义阈值时，继续执行所述步骤102的操作。

根据本发明的第二方面，提供了一种聚合管理访盘装置，包括：

下发单元，用于由应用逻辑层将包含DMA描述符的访盘命令发送给DMA，所述DMA描述符中包括目标数据块的地址及其相应的标志位；

访问单元，用于将SAS协议栈与SAS设备建链，并在建链成功之后，接收所述SAS设备中与所述地址对应的数据块，并存储在所述SAS协议栈的帧缓冲区中；

处理单元，用于将所述SAS协议栈与所述SAS设备断链，根据每个数据块的标志位来确定是否将相应的数据块从所述SAS协议栈搬运到所述应用逻辑层。

优选地，所述处理单元进一步配置为：

如果所述DMA描述符中当前数据块的标志位为0，则将当前数据块从所述SAS协议栈搬运到所述应用逻辑层。

优选地，所述处理单元进一步配置为：

如果所述DMA描述符中当前数据块的标志位为1，则直接丢弃当前数据块。

优选地，所述访问单元进一步配置为：

在所述DMA接收到所述访盘命令后，将访盘请求透传到所述SAS协议栈，并指示所述SAS协议栈与所述SAS设备发起建链。

优选地，所述下发单元进一步配置为：

根据所述访盘命令中的DMA描述符，判断所述标志位为1的数据块长度是否达到预定义阈值；

仅当所述数据块长度未达到所述预定义阈值时，继续执行所述访问单元的操作。

相比于现有技术，本发明具有以下优点：

本发明的聚合管理访盘方法和装置在保证整个I/O业务流程不变的情况下，通过在应用逻辑层和DMA之间添加聚合访盘机制，改变当前命令下发的格式，解决不连续数据块访问时存在的拆分多次I/O下发访盘命令和频繁建链的问题，有效减少时间开销。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可以通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获取。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的某些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取其他的附图。

图1示出了根据现有技术的基于SAS接口的典型LBA访问架构示意图。

图2示出了根据现有技术的LBA访问流程示意图。

图3示出了根据现有技术的连续LBA访问的逻辑区块示意图。

图4示出了根据现有技术的不连续LBA访问的逻辑区块示意图。

图5示出了根据现有技术的不连续LBA的访问流程示意图。

图6示出了根据本发明实施例的连续LBA访问的DMA描述符链表结构示意图。

图7示出了根据本发明实施例的不连续LBA访问的逻辑区块示意图。

图8示出了根据本发明实施例的不连续LBA访问的DMA描述符链表结构示意图。

图9示出了根据本发明的不连续LBA访问的逻辑区块与DMA描述符链表的转换关系示意图。

图10示出了根据本发明的聚合管理访盘方法的流程图。

图11示出了基于本发明聚合访盘机制进行不连续LBA的访问的过程示意图。

图12示出了根据本发明的进一步实施例的聚合管理访盘方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获取的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的技术方案在LBA磁盘访问方式的基础上，通过在应用逻辑层添加聚合管理访盘机制，以及利用DMA配合应用逻辑层操作的方式，将不连续的LBA进行聚合，以减少访问不连续的LBA时应用逻辑层需要对I/O操作进行拆分产生的时间开销。

当Host(在本发明中指的是应用逻辑层)需要访问SAS设备上的用户数据时，需要指示SAS设备所需要的目标数据地址及其数据量，以及指示DMA数据最后需要放置到Host内存的位置。这些信息都包含在Host向DMA发送的访盘命令中。在Host与SAS设备的链接建立之后，可以根据LBA查找映射表，找到对应磁盘物理位置，然后读取磁盘以获得数据。在数据从磁盘读出之后，通过SAS协议将数据传输到SAS协议栈的帧缓冲区中，DMA将帧缓冲区的数据搬运到Host指定的内存中。这样就完成了Host对SAS设备的访盘操作。

图6为DMA描述符链表的数据结构。如图6所示，Host访问磁盘的命令会被转换为对应的DMA描述符。在Host需要访问磁盘数据中连续的数据块9KB时，每个LBA是512字节。DMA基于该描述符来搬运数据，磁盘访问需要提供连续数据块中第一个数据所放置的地址base_addr，以及整个数据块的大小length。

如图7所示，当Host需要获取共7KB不连续的数据块时，由于7KB的数据离散地分布在连续的18个LBA中，则需要拆分为两次I/O进行下发，第一次访问LBA 1～8的数据，对应于内存中的映射基地址为A，length长度为4KB，而第二次访问LBA 13～18的数据，对应于内存中的映射基地址为C，length长度为3KB的数据。将两次I/O访问转换为对应的DMA描述符链表，如图8所示。

本发明提出的聚合访盘机制具体原理如图9所示。其中S1表示的是逻辑区块中不需要传输到应用逻辑层的存储的一部分数据，该数据为2KB。S2表示开始访问LBA时，Host下发访盘命令的DMA描述符链表项中带有的，需要读取磁盘逻辑区块数据并存放在内存中的基地址，即addrA。S3表示本次LBA访问时Host下发访盘命令的DMA描述符链表项中带有的本次读取磁盘数据的大小，以字节为单位，即4KB。S4表示本次LBA访问在下发命令中DMA描述符链表项的标志位。图9中S4为0，表示该数据块需要返回Host的内存，DMA将磁盘返回的LBA1～8数据存放在从addrA地址起始的4KB内存中。S5是在下发命令中DMA描述符链表项的标志位，图9中S5为1，表示不读取该数据块，即该数据块不需要返回Host的内存，此时DMA将磁盘返回的LBA 9～12的数据块丢弃，不占用系统总线、内存等资源，继续处理下一个数据块。S6类似于S4，表示在下发命令中DMA描述符链表项的标志位，如果为0，则表示该数据块也需要返回Host的内存，DMA将磁盘返回的LBA13～18数据存放在从addrC地址起始的3KB内存中。所有的命令通过链表的方式链接起来，并且通过一次I/O操作即可完成图7所示的不连续的数据块读取。

图10示出了根据本发明的聚合管理访盘方法的总体流程图。以图1的基于SAS接口的典型LBA访问架构为基础，将本发明采用聚合管理机制的访盘流程描述如下：

步骤101：由应用逻辑层将包含DMA描述符的访盘命令发送给DMA，所述DMA描述符中包括目标数据块的地址及其相应的标志位。

图11是利用基于聚合访盘机制的Host来访问图7所示7KB不连续的数据块的过程示意图。参见图11，首先由应用逻辑层Host将需要访盘的命令发送给DMA，命令格式如图9所示。即DMA描述符链表项的标志位可以是0或1，分别指示了当前数据块需要返回Host的内存和不需要返回Host的内存的情况。

步骤102：将SAS协议栈与SAS设备建链，并在建链成功之后，接收所述SAS设备中与所述地址对应的数据块，并存储在所述SAS协议栈的帧缓冲区中。

当DMA接收到访盘命令后，实时将访盘请求透传到SAS协议栈，SAS协议栈与SAS设备发起建链。接下来，在协议栈与SAS设备建链成功之后，如图11所示，SAS设备按照SAS协议向SAS协议栈返回9KB数据，协议栈将数据放入帧缓冲区中。

步骤103：将所述SAS协议栈与所述SAS设备断链，根据每个数据块的标志位来确定是否将相应的数据块从所述SAS协议栈搬运到所述应用逻辑层。

当完成磁盘到协议栈之间的数据传输后，协议栈可以与SAS设备断链。然后DMA根据Host下发的DMA描述符对数据进行处理。具体地，参见图11，对于标志位为0的数据块，DMA确定需要将其搬运至内存中；而对于标志位为1的数据块，由DMA直接将其丢弃，不再占用系统总线、内存等资源，并继续处理下一数据块。针对图7所示的示例，可以将前4KB和后3KB的数据搬运至内存，并将中间的2KB的数据丢弃。

最终，DMA确定将不连续的7KB数据从SAS协议栈搬运至应用逻辑层的存储中，并且DMA可以向应用逻辑层反馈传输完成，以完成不连续数据块的传输。

本发明的上述实施例通过添加聚合访盘机制，可以直接将若干个不连续的数据块访问聚合为一次I/O操作，即只需要一次建链和断链操作，减少与SAS设备之间的频繁建链，从而缩短时间开销。

根据访盘操作的设备特性，一次I/O操作的总时间T主要由命令下发时间T1、SAS协议栈建链时间T2、SAS设备与协议栈传输数据时间T3、断链时间T4、DMA从协议栈向应用逻辑层搬运的时间T5以及传输完成时间T6组成。即：

T＝T1+T2+T3+T4+T5+T6。

假设所有时间均按照SAS协议3.0，12Gbps的速率，理想情况下，命令下发时间T1为300ns，SAS协议栈建链时间T2为800ns，SAS设备与协议栈传输数据之间访问1KB数据的时间T3p约为850ns，断链时间T4为500ns，DMA从协议栈向应用逻辑层搬运1KB数据的时间T5p约为40ns，传输完成时间T6为300ns。则完成一次nKB的数据访问的时间Tn计算如下：

Tn＝T1+T2+T3+T4+T5+T6，其中T3＝T3p*n，T5＝T5p*n，代入T3和T5得到：

Tn＝T1+T2+T3p*n+T4+T5p*n+T6，代入具体时间值，得到：

Tn＝300+800+850*n+500+40*n+300

＝(300+800+500+300)+(850+40)*n

＝1900+890*n

而对于不连续数据块访问，在拆分为两次I/O的情况下，两次I/O需要访问的数据量分别为mKB和nKB，访问时间分别为：Tm和Tn，需要的总时间为Tsum1：

Tsum1＝Tm+Tn＝(1900+890*m)+(1900+890*n)

＝3800+(m+n)*890

如果采用本发明的聚合访盘机制来访问不连续数据块，假设其中需要访问的数据量为mKB和nKB，并且mKB和nKB之间不需要访问的数据量为pKB，由图11可知SAS设备与协议栈传输数据时间T3sum为需要访问的数据消耗的时间和不需要访问的数据消耗的时间的总和，即(m+n+p)*850，而DMA从协议栈向应用逻辑层搬运的时间T5sum为(m+n)*40，则需要的总访问时间Tsum2为：

Tsum2＝T1+T2+T3sum+T4+T5sum+T6

＝300+800+(m+n+p)*850+500+(m+n)*40+300

＝300+800+500+300+(m+n+p)*850+(m+n)*40

＝1900+(m+n)*850+p*850+(m+n)*40

＝1900+(m+n)*890+p*850

由此可以计算，将传统方式的访问总时间Tsum1与采用本发明的聚合访盘方式的访问时间Tsum2相减，得到的差即为节省的时间Teco：

Teco＝Tsum1-Tsum2

＝3800+(m+n)*890-(1900+(m+n)*890+p*850)

＝3800-1900+(m+n)*890-(m+n)*890-p*850

＝1900-p*850

由于图7示例中不需要访问的数据块S1大小为2KB，采用聚合访盘方式相比于传统方式节省的时间Teco为：

Teco＝1900-2*850＝200ns。

为了确保采用聚合访盘方式能够节省时间，令Teco＝1900-p*850>0，则p*850<1900，得p<1900/850≈2.24。由此可以得出结论，当不连续数据块中，需要访问的相邻数据块之间的不需要访问的数据块S1长度小于2.24KB时，采用本发明可以有效减少时间开销，而S1长度大于2.24KB时本发明节省的时间并不明显。

因此，在本发明优选的实施例中，如图12所示，所述步骤101在Host在下发访盘命令之后，进一步包括：

步骤1011：根据访盘命令中的DMA描述符来判断不需要访问的数据块大小是否达到预定义阈值(2.24KB)。

步骤1012：如果不需要访问的数据块达到所述预定义阈值，则采用传统的方式拆分为多次I/O进行访问，具体包括执行图5的访问过程。

步骤1013：如果不需要访问的数据块小于所述预定义阈值，则采用本发明的聚合访盘方法，即执行步骤102，以将多次I/O进行聚合，有效减少时间开销，具体参见图11的访问过程。

本领域技术人员可以理解，上述实施例中描述的方法步骤和装置的组件以及参数仅为举例。本领域技术人员可以根据需要，对上述聚合管理访盘方法流程的多个步骤进行合并、增删或顺序调整，或者对数据块大小、长度等参数进行容易想到的调整。而不应将本发明的构思限制于上述示例的具体结构、参数和流程。

可以看出，本发明提出的聚合管理访盘方法，结合当前的访盘技术，在保证整个I/O业务流程不变的情况下，通过在应用逻辑层和DMA之间添加聚合访盘机制，改变当前命令下发的格式，解决不连续数据块访问时存在的拆分多次I/O下发访盘命令和频繁建链的问题，有效减少时间开销。

相应地，本发明在第二方面提供了一种聚合管理访盘装置，包括：

下发单元201，用于由应用逻辑层将包含DMA描述符的访盘命令发送给DMA，所述DMA描述符中包括目标数据块的地址及其相应的标志位；

访问单元202，用于在所述SAS协议栈与SAS设备建链之后，接收所述SAS设备中与所述地址对应的数据块，并存储在所述SAS协议栈的帧缓冲区中；

处理单元203，用于将所述SAS协议栈与所述SAS设备断链，根据每个数据块的标志位来确定是否将相应的数据块从所述SAS协议栈搬运到所述应用逻辑层。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种聚合管理访盘方法，其特征在于，包括：

步骤101：由应用逻辑层将包含DMA描述符的访盘命令发送给DMA，所述DMA描述符中包括目标数据块的地址及其相应的标志位；

步骤102：将SAS协议栈与SAS设备建链，并在建链成功之后，接收所述SAS设备中与所述地址对应的数据块，并存储在所述SAS协议栈的帧缓冲区中；

步骤103：将所述SAS协议栈与所述SAS设备断链，根据每个数据块的标志位来确定是否将相应的数据块从所述SAS协议栈搬运到所述应用逻辑层。

2.根据权利要求1所述的聚合管理访盘方法，其特征在于，所述步骤103进一步包括：

如果所述DMA描述符中当前数据块的标志位为0，则将当前数据块从所述SAS协议栈搬运到所述应用逻辑层。

3.根据权利要求1或2所述的聚合管理访盘方法，其特征在于，所述步骤103进一步包括：

如果所述DMA描述符中当前数据块的标志位为1，则直接丢弃当前数据块。

4.根据权利要求1所述的聚合管理访盘方法，其特征在于，在所述步骤102之前，还包括：

在所述DMA接收到所述访盘命令后，将访盘请求透传到所述SAS协议栈，并指示所述SAS协议栈与所述SAS设备发起建链。

5.根据权利要求3所述的聚合管理访盘方法，其特征在于，在所述步骤102之前，还包括：

根据所述访盘命令中的DMA描述符，判断所述标志位为1的数据块长度是否达到预定义阈值；

仅当所述数据块长度未达到所述预定义阈值时，继续执行所述步骤102的操作。

6.一种聚合管理访盘装置，其特征在于，包括：

下发单元，用于由应用逻辑层将包含DMA描述符的访盘命令发送给DMA，所述DMA描述符中包括目标数据块的地址及其相应的标志位；

访问单元，用于将SAS协议栈与SAS设备建链，并在建链成功之后，接收所述SAS设备中与所述地址对应的数据块，并存储在所述SAS协议栈的帧缓冲区中；

处理单元，用于将所述SAS协议栈与所述SAS设备断链，根据每个数据块的标志位来确定是否将相应的数据块从所述SAS协议栈搬运到所述应用逻辑层。

7.根据权利要求6所述的聚合管理访盘装置，其特征在于，所述处理单元进一步配置为：

如果所述DMA描述符中当前数据块的标志位为0，则将当前数据块从所述SAS协议栈搬运到所述应用逻辑层。

8.根据权利要求6和7所述的聚合管理访盘装置，其特征在于，所述处理单元进一步配置为：

如果所述DMA描述符中当前数据块的标志位为1，则直接丢弃当前数据块。

9.根据权利要求6所述的聚合管理访盘装置，其特征在于，所述访问单元进一步配置为：

在所述DMA接收到所述访盘命令后，将访盘请求透传到所述SAS协议栈，并指示所述SAS协议栈与所述SAS设备发起建链。

10.根据权利要求8所述的聚合管理访盘装置，其特征在于，所述下发单元进一步配置为：

根据所述访盘命令中的DMA描述符，判断所述标志位为1的数据块长度是否达到预定义阈值；

仅当所述数据块长度未达到所述预定义阈值时，继续执行所述访问单元的操作。

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