CN1529426A - 基于fcp协议的san的双节点镜像集群的方法及系统 - Google Patents
基于fcp协议的san的双节点镜像集群的方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
基于FCP协议的SAN的双节点镜像集群的方法及系统属于网络存储技术领域，其特征在于基于自行开发的FC－SAN系统，使用双存储节点集群的二级存储方法，实现了一种完全ServerFree(主机零资源占用)的同步远程镜像；镜像过程完全对主机系统进行屏蔽，不占用主机集群的任何资源，只引入了很小的镜像写延迟。它能够在一个节点失效时继续提供数据服务，并且提供了系统重建后的后台数据重新同步机制。它满足对数据的安全性的保证，而且具有可扩展性，高兼容性。非常适合推广，已在清华大学自行研究开发的海量网络存储系统上通过测试与应用。
Description
技术领域
基于FCP协议的SAN的双节点镜像集群的方法及系统属于网络存储技术领域。
背景技术
随着网络数据量的日益膨胀，海量数据存储已成为了网络发展迫切需要解决的问题。网络存储设备提供信息系统的信息存取和共享服务，是一种利于信息整合与数据共享、且易于管理的安全的新型存储结构和技术。随着网络存储的继续深入，数据的安全存储被提高到了一个前所未有的高度，并且已经成为评价一个系统高可用性的一个主要方面。通常提高数据可用性的方法有备份和镜像，镜像领域内目前比较先进的方法有：基于双节点集群(Cluster)的数据复制方法和基于文件系统的快照的异步镜像方法。基于双节点Cluster的数据复制方法的不足之处在于：针对分布的存储介质进行复制，将造成主机(Host)节点的浪费，采用以太网作为数据复制的传输链路，将为数据存储引入很大的写延迟。基于文件系统的快照的异步镜像方法的不足之处在于：系统将引入数据的不完全一致性，即镜像数据不能保持完全的实时性(up-to-date)。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于FCP协议的存储网络系统的双节点集群的方法及镜像系统来提高数据的安全性。本项发明针对网络存储中海量数据的存储可靠性问题，提出了一个基于统一存储的镜像方法。采用本方法可以节省主机集群的资源，提供灾难恢复功能，提高系统效率，增加了系统的兼容性。
本发明所述的方法的特征在于：
1、它是一种基于统一存储介质进行复制且采用双节点集群的二级结构提供镜像的存储区域网络(Storage Area Network，SAN)双节点镜像集群方法，它借助于光纤通道协议(FCP)由统一的镜像监控程序进行镜像存储、容灾处理和同步操作，它依次分别含有如下步骤：
(1)镜像存储模块提供管理接口，配置镜像过程中的磁盘映射表：
镜像存储模块从主机(Host)获取操作锁，进行实际的数据的读和镜像写操作，读操作只需要在I/O节点计算机上完成，写操作需要在I/O节点计算机和镜像I/O节点计算机上同步完成；
(2)容灾处理模块在镜像存储模块设备即I/O节点或镜像I/O节点计算机读写错误时由监控程序进行调用：容灾处理模块进行镜像集群系统的切换，由正常工作的存储设备继续提供完整的数据服务，同时启用日志记录；
(3)损坏设备更新后重新同步模块获取操作锁，进行数据的后台同步；在同步完成后，容灾处理模块通知镜像监控程序把系统，由容灾模块切换到正常工作时的镜像存储模式。
2、镜像过程中的读操作依次含有以下步骤：
(1)Host节点上的应用服务程序模块向Host节点上基于SAN的块设备发送I/O请求；
(2)I/O请求经由Host节点上的文件系统、SCSI协议栈、光纤通道卡HBA转为FCP包；
(3)FCP包通过光纤链路由I/O节点机的目标模式的光纤通道卡驱动器(HBA Driver)接收，转换成SCSI请求；
(4)SCSI请求经目标模拟模块(Target Simulator Module)作转发；
(5)SCSI命令直接发送给scsi_mod，经廉价的冗余磁盘阵列SCSI Raid子系统实现数据的实际读出；
(6)无论是否成功，I/O请求的结果原路返回。
3、镜像过程中的写操作依次含有如下步骤：
(1)Host节点上的应用服务程序模块向Host节点上基于SAN的块设备发送I/O请求；
(2)I/O请求经由Host节点上的文件系统、SCSI协议栈、光纤通道卡HBA转为FCP包；
(3)FCP包通过光纤链路由I/O节点机的目标模式的HBA Driver接收，转换成SCSI请求；
(4)SCSI请求经Target Simulator Module作转发；
(5)SCSI命令和数据经过命令/数据复制层(Command/Data replicating layer)进行复制；
(6)复制后的SCSI命令和数据一份经过scsi_mod发送到本地的SCSI-RAID(SCSI冗余磁盘阵列)子系统实现写入；
(7)复制后的SCSI命令和数据的另一份用于镜像，经过scsi_mod发送到I/O节点机的工作于启动器模式的光纤通道卡驱动(FC HBA Driver)，转换成FCP包；
该FCP包经光纤链路由镜像(Mirror)I/O节点的工作于目标器模式的FC HBA接收，在镜像I/O节点上依次完成如下步骤：目标器模式的HBA Driver接收、转换成SCSI请求后由Target Simulator Module转发和SCSI_Raid子系统写入，把结果返回I/O节点；
(8)I/O节点在收到本地和镜像I/O节点的I/O操作成功结果的返回后，向Host返回操作结果。
1.容灾处理操作中，当I/O节点机所属的模块物理磁盘设备损坏时，当SCSI_RAID驱动侦测到热插拔事件或根据读写操作的返回值确定非热插拔事件发生失败时，I/O节点机根据本地磁盘筒网络磁盘映射的数据结构，把相应的磁盘的状态置为失效即Defunct，在I/O节点机控制下，把对失效节点的操作请求转到相应的镜像磁盘，同时以日志形式记录此后发生的基于该失效磁盘的请求，供原物理磁盘恢复后进行数据的重新同步使用。
2.容灾处理操作中，当I/O节点损坏时，光纤交换机便发失败警告给管理节点，并由管理节点启动容灾操作：打开镜像节点对主机节点的软件屏蔽，把镜像节点变为主机可见，把发送到I/O节点的请求全部交由镜像节点完成，同时建立日志记录，以便失败的I/O节点重新加入后，加速数据同步。一旦I/O节点重新加入双节点集群存储系统，由管理节点发起数据和服务重新建立的过程。
3.容灾操作中，当镜像I/O节点失败时需要把原有的双节点架构切换到单节点架构，由I/O节点继续提供数据服务，同时由活动I/O节点建立日志记录，以便失败后的镜像I/O节点重新加入后，加速数据同步进程。
4.重新同步完全在后台进行，使系统自动由单节点提供存储方式自动切换为双节点工作模式。
5.本发明所述的系统的特征在于：包括以下设备：
主机节点(Host)：用于构筑集群系统，为网络用户提供高可用的网络服务，或提供高性能计算能力；
互联设备：包括光纤通道卡(FC HBA)，光纤交换机(FC Switch)和光纤链路；
I/O节点(I/O node)：为主机节点集群系统提供统一的网络存储服务；
镜像I/O节点(Mirror I/O node)：为I/O节点提供数据镜像的存储空间并且在I/O节点发生存储灾难时为集群系统提供不间断的存储服务。
测试结果
对原有的基于FCP的存储系统不加入双节点镜像系统和加入后的性能进行了如下对比实验，采用iometer作为测试工具。
从表1中可以看到，对数据块1MB，256KB，镜像的写速度分别为不加入镜像系统的94.8％，91.9％平均相应时间增加了5.4％，8.7％。
从表2中可以看到，对数据块1MB，256KB，镜像的写速度分别为不加镜像系统的99.9％，99.1％，写操作的平均相应时间增加了2.6％，1.7％。
这两组测试表明，镜像系统的对100％的顺序写入的性能影响在5％到8％之间，而对读写均衡的应用，影响非常小，在0.1％到1％之间。而实际应用的读写操作比例一般为4∶1(Web服务等)，即读操作大大多于写操作，即镜像系统完全能够满足实际应用的需要，不会引入大的性能损失。
表1.对磁盘的100％的顺序写操作
| 数据块 | 镜像同步写 | 无镜像模块 | ||
| 写速度(MB) | 平均响应时间(10-6s) | 写速度(MB) | 平均响应时间(10-6s) | |
| 1MB | 34.9 | 28.61 | 36.8 | 27.1 |
| 256KB | 34.72 | 7.19 | 37.78 | 6.61 |
表2.对磁盘的50％的顺序读，50％的顺序写操作
| 数据块 | 镜像同步写 | 无镜像模块 | ||
| 读写总速度(MB) | 写平均响应时间(10-6s) | 读写总速度(MB) | 写平均响应时间(10-6s) | |
| 1MB | 19.4 | 19.753 | 19.42 | 19.3 |
| 256KB | 15.55 | 9.6176 | 15.69 | 9.45 |
结论
测试证明，本发明具有以下特点：
(1)实现了基于统一存储的远程镜像，镜像过程完全对主机系统进行屏蔽，镜像过程不使用主机集群的任何资源。该镜像系统具有远程(＞10km)、高速(镜像网络2Gbps)的特性。
(2)采用双节点集群的二级结构提供镜像，充分利用了I/O节点的软件控制灵活特性，能够在任一节点失败时继续提供数据服务，并且提供了系统重建后的后台数据重新同步机制，即灾难恢复功能；
(3)所有软件均在操作系统的核心态运行，通过内核模块实现，减少了用户态和核心态的内存拷贝，提高了效率；
附图说明
图1：镜像系统的体系结构，其中HBA表示光纤通道卡(FC Host Bus Adapter)；LUN表示SCSI硬盘的逻辑设备号(Logic Unit Number)，即表示存储设备。
图2：镜像系统中的设备映射表，其中那个Mapped Device List表示设备映射链表；Local Dist表示I/O节点上的磁盘，Remote Disk表示镜像I/O节点上的磁盘，可以配置成镜像磁盘对；Active表示该磁盘设备处于正常工作状态，Defunct表示该磁盘失效；NULL表示空。
图3：本发明所述方法的程序流程框图，其中Host节点表示主机节点，HBA表示光纤通道卡，Target Simulator Module表示目标模拟器，scsi_mod表示SCSI中间层。
具体实施方式
系统的体系结构由图1所示，I/O节点机和镜像(Mirror)I/O节点机上的数据保持完整的一致性。数据通过路径(1)(4)(见图1)到I/O节点进行存储，同时I/O节点复制出镜像数据通过路径(3)(5)(见图1)到镜像I/O节点进行镜像数据的存储。
系统包括三个核心模块：镜像存储模块；容灾处理模块；重新同步模块。
1、镜像存储模块
镜像存储模块提供前端的主机节点以镜像存储，即保证主机节点的I/O操作请求正常执行，并产生数据的实时复制，在镜像I/O节点上进行冗余存储。镜像模块工作前，需要由管理接口配置镜像磁盘和被镜像磁盘之间的映射关系，建立镜像磁盘对，配置表保存在I/O节点、镜像I/O节点中。
镜像过程分下面11个步骤，见图3
(1)Host节点上的应用服务向Host节点上基于SAN的块设备发送I/O请求；
(2)I/O请求经由Host节点的文件系统、SCSI协议栈、光纤通道卡HBA，转为FCP包；
(3)FCP包通过光纤链路，由I/O节点的目标器模式的HBA Driver接收。转换成SCSI请求；
(4)SCSI请求经Target Simulator Module作转发，若无镜像模块转5，否则转7；
(5)若无镜像模块，SCSI命令直接发送给scsi_mod，经SCSI-RAID子系统进行实际的实现，即数据的实际写入/读出；
(6)I/O请求的结果(是否成功)原路返回；
(7)若加入镜像模块，则SCSI命令和数据经过Command/Data replicating layer进行复制；
(8)复制后的SCSI命令和数据一份经过scsi_mod发送到本地的SCSI-RAID子系统实现；
(9)复制后的SCSI命令和数据的另一份用于镜像，经过scsi_mod发送到工作于启动器模式的FC HBA Driver，转换成FCP包；
(10)该FCP包经FC链路由Mirror I/O节点的工作于启动器模式的FC HBA接收，在镜像(Mirror)I/O节点上完成接收、转发、写入的工作。发送I/O操作的结果到I/O节点；
(11)I/O节点在接收到本地和Mirror I/O节点的I/O操作的成功返回后，采用步骤6，向Host返回操作结果。
读操作类的请求采用(1)(2)(3)(4)(5)(6)的顺序执行。
写操作类的请求采用(1)(2)(3)(4)(5)(7)(8)(9)(10)(11)的顺序执行。
2.容灾处理
镜像方式下，有三种情况可能发生SAN系统的存储的失败：
(1)I/O节点所属的某块物理磁盘设备损坏
系统运行过程中，由于硬件的原因，有可能发生I/O节点机上本地磁盘的失败。SCSI-RAID驱动能侦测到热插拔事件；对于非热插拔事件，可以根据读写操作的返回值来决定是否失败。在I/O节点机上，建立本地磁盘同网络磁盘映射的数据结构(如图2)，任何一种情况的磁盘失败，将相应的磁盘的状态置为Defunct。这种情况下，由于I/O节点仍可正常工作，且Mirror系统上存在一块与该失败磁盘完全一致的磁盘，则由I/O节点控制，以后发往失败节点的操作请求均可转到对应的镜像磁盘，由该镜像磁盘继续提供数据服务。同时，需要以日志形式记录此后发生的基于该磁盘的请求，以便原物理磁盘恢复后进行数据的重新同步。
(2)I/O节点损坏
这种情况较为复杂，可能发生I/O节点宕机或I/O节点的与交换机之间的光纤链路中断。由于任一光纤设备需要向光纤交换机注册，则I/O节点的失败将最初由光纤交换机发现。交换机发出失败警告给管理节点，并由管理节点来启动容灾操作。由于I/O节点不再可用，此时分布式的二级镜像结构将自动降级为单I/O节点的系统，由Mirror节点完全发挥I/O节点的用途。这种情况下原双节点的镜像集群系统的结构发生改变，节点的功能也发生了切换。具体的方法是打开Mirror节点对Host节点的软件屏蔽，从而将Mirror节点变为Host可见。由于Mirror I/O节点从软件结构上完全类似镜像前的SAN I/O节点机架构，并且数据与I/O节点失败前保持严格的一致。将发送到I/O节点的请求全部交由Mirror节点完成。
I/O节点重新加入双节点集群存储系统后，需要有数据和服务重新建立的过程。该过程有管理节点发起，对前端主机节点透明。这个过程中，将有数据从活动I/O节点到新加入的I/O节点的重新同步。数据同步完成后，由管理节点将单I/O节点的架构升级到双I/O节点的镜像集群。
(3)镜像I/O节点失败
由于存储集群系统采用的模式类似与主/从结构，镜像I/O节点的失败将不影响原存储路径的改变。这种情况下，需要将原有的双节点架构切换到单节点架构，由I/O节点继续提供数据服务。
任何一种情况(I/O节点磁盘，I/O节点，镜像I/O节点磁盘，镜像I/O节点)的失败，都需要在进行服务改变或切换的同时，由活动I/O节点建立日志记录。日志记录所有对磁盘数据进行改动的操作，以便当失败节点重新加入后，加速数据同步进程。
3.重新同步
任一节点，磁盘失败后重新加入镜像系统，都需要进行数据的重新同步，以维持镜像系统的完全一致性。理论上来说，可以由失败后的日志记录在加快数据的恢复进程，但是由于数据的损失程度通常是难以估量的，所以最好的数据一致性的方法是进行一次完全的数据同步。
将一个全新的I/O节点加入双节点系统，也需要进行完全的重新同步。
重新同步过程完全在后台进行，重新同步后，系统自动由单节点提供存储方式自动切换为双节点工作模式。
本发明已经在由清华大学自行研究开发的海量网络存储系统上通过测试与应用，说明本方法切实可行，能够满足对数据的安全性的保证，而且具有可扩展性，高兼容性，非常适于推广。
Claims (8)
1、基于FCP协议的SAN的双节点镜像集群的方法，其特征在于：它是一种基于统一存储介质进行复制且采用双节点集群的二级结构提供镜像的存储区域网络(Storage Area Network，SAN)双节点镜像集群方法，它借助于光纤通道协议(FCP)由统一的镜像监控程序进行镜像存储、容灾处理和同步操作，它依次分别含有如下步骤：
(1)镜像存储模块提供管理接口，配置镜像过程中的磁盘映射表：
镜像存储模块从主机(Host)获取操作锁，进行实际的数据的读和镜像写操作，读操作只需要在I/O节点计算机上完成，写操作需要在I/O节点计算机和镜像I/O节点计算机上同步完成；
(2)容灾处理模块在镜像存储模块设备即I/O节点或镜像I/O节点计算机读写错误时由监控程序进行调用：容灾处理模块进行镜像集群系统的切换，由正常工作的存储设备继续提供完整的数据服务，同时启用日志记录；
(3)损坏设备更新后重新同步模块获取操作锁，进行数据的后台同步；在同步完成后，容灾处理模块通知镜像监控程序把系统由容灾模块切换到正常工作时的镜像存储模式。
2、根据权利要求1所述的基于FCP协议的SAN的双节点镜像集群的方法，其特征在于：所述的镜像过程中的读操作依次含有以下步骤：
(1)Host节点上的应用服务程序模块向Host节点上基于SAN的块设备发送I/O请求；
(2)I/O请求经由Host节点上的文件系统、SCSI协议栈、光纤通道卡HBA转为FCP包；
(3)FCP包通过光纤链路由I/O节点机的目标模式的光纤通道卡驱动器(HBA Driver)接收，转换成SCSI请求；
(4)SCSI请求经目标模拟模块(Target Simulator Module)作转发；
(5)SCSI命令直接发送给scsi_mod，经廉价的冗余磁盘阵列SCSI Raid子系统实现数据的实际读出；
(6)无论是否成功，I/O请求的结果原路返回。
3、根据权利要求1所述的基于FCP协议的SAN的双节点镜像集群的方法，其特征在于：所述的镜像过程中的写操作依次含有如下步骤：
(1)Host节点上的应用服务程序模块向Host节点上基于SAN的块设备发送I/O请求；
(2)I/O请求经由Host节点上的文件系统、SCSI协议栈、光纤通道卡HBA转为FCP包；
(3)FCP包通过光纤链路由I/O节点机的目标模式的HBA Driver接收，转换成SCSI请求；
(4)SCSI请求经Target Simulator Module作转发；
(5)SCSI命令和数据经过命令/数据复制层(Command/Data replicating layer)进行复制；
(6)复制后的SCSI命令和数据一份经过scsi_mod发送到本地的SCSI-RAID(SCSI廉价冗余磁盘)子系统实现写入；
(7)复制后的SCSI命令和数据的另一份用于镜像，经过scsi_mod发送到I/O节点机的工作于启动器模式的光纤通道卡驱动(FC HBA Driver)，转换成FCP包；
该FCP包经光纤链路由镜像(Mirror)I/O节点的工作于目标器模式的FC HBA接收，在镜像I/O节点上依次完成如下步骤：目标器模式的HBA Driver接收、转换成SCSI请求后由TargetSimulator Module转发和SCSI_Raid子系统写入，把结果返回I/O节点；
(8)I/O节点在收到本地和镜像I/O节点的I/O操作成功结果的返回后，向Host返回操作结果。
4、根据权利要求1所述的基于FCP协议的SAN的双节点镜像集群的方法，其特征在于：所述的容灾处理操作中，当I/O节点机所属的模块物理磁盘设备损坏时，当SCSI_RAID驱动侦测到热插拔事件或根据读写操作的返回值确定非热插拔事件发生失败时，I/O节点机根据本地磁盘同网络磁盘映射的数据结构，把相应的磁盘的状态置为失效即Defunct，在I/O节点机控制下，把对失效节点的操作请求转到相应的镜像磁盘，同时以日志形式记录此后发生的基于该失效磁盘的请求，供原物理磁盘恢复后进行数据的重新同步使用。
5、根据权利要求1所述的基于FCP协议的SAN的双节点镜像集群的方法，其特征在于：所述的容灾处理操作中，当I/O节点损坏时，光纤交换机便发失败警告给管理节点，并由管理节点启动容灾操作：打开镜像节点对主机节点的软件屏蔽，把镜像节点变为主机可见，把发送到I/O节点的请求全部交由镜像节点完成，同时建立日志记录，以便失败的I/O节点重新加入后，加速数据同步。一旦I/O节点重新加入双节点集群存储系统，由管理节点发起数据和服务重新建立的过程。
6、根据权利要求1所述的基于FCP协议的SAN的双节点镜像集群的方法，其特征在于：所述的容灾操作中，当镜像I/O节点失败时需要把原有的双节点架构切换到单节点架构，由I/O节点继续提供数据服务，同时由活动I/O节点建立日志记录，以便失败后的镜像I/O节点重新加入后，加速数据同步进程。
7、根据权利要求1所述的基于FCP协议的SAN的双节点镜像集群的方法，其特征在于：所述的重新同步完全在后台进行，使系统自动由单节点提供存储方式自动切换为双节点工作模式。
8、根据权利要求1所述的基于FCP协议的SAN的双节点镜像集群的方法，其特征在于：它包括以下设备：
主机节点(Host)：用于构筑集群系统，为网络用户提供高可用的网络服务，或提供高性能计算能力；
互联设备：包括光纤通道卡(FC HBA)，光纤交换机(FC Switch)和光纤链路；
I/O节点(I/O node)：为主机节点集群系统提供统一的网络存储服务；
镜像I/O节点(Mirror I/O node)：为I/O节点提供数据镜像的存储空间并且在I/O节点发生存储灾难时为集群系统提供不间断的存储服务。
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