CN1991775A - 存储系统的高速缓存数据的保护方法 - Google Patents

Abstract

一种存储系统的高速缓存数据的保护方法，用以保护一个具有电池供电功能的存储系统的高速缓存的数据。本发明在系统随机存取内存中保留一个保留区域，用以记录磁盘高速缓存描述项的信息。当存储系统断电时，通过电池供电功能保护系统随机存取内存存储的数据。当存储系统重新启动时，通过保留区域存储的信息保留系统随机存取内存中磁盘高速缓存存储的数据。并在存储系统重新启动后，将系统随机存取内存中磁盘高速缓存存储的数据写入对应的区块设备，实现了对系统随机存取内存中磁盘高速缓存存储的数据的断电保护功能。

Description

存储系统的高速缓存数据的保护方法

技术领域

本发明涉及一种数据保护方法，特别涉及一种存储系统的高速缓存的数据的保护方法。

背景技术

在计算机系统中，中央处理单元(CPU)的运算速度极快，但其直接读写区块设备(如，硬盘、SCSI硬盘、磁盘阵列等)尤其是对区块设备的寻址时间很长。起初，CPU采用PIO(Programmed I/O)方式读写区块设备，即，CPU必需一直等待对区块设备的读写操作完成后才可以继续执行后续任务，极大地浪费了CPU的时间，降低了CPU的资源。为了解决这个问题，采用了中断的方式，即，CPU在读写区块设备时，可以执行其它任务，当区块设备读写操作结束时，借由外部设备触发中断，让CPU继续执行刚才的任务，这样提高了CPU的使用效率。然而，这种方式没有充分利用读写速度较快的随机存取内存(Random Access Memory，RAM)的特性。因此，采用一种磁盘高速缓存(Disk Cache)的方式以进一步提高系统效能，即，利用一部分系统随机存取内存作为区块设备读写操作的磁盘高速缓存。当对设备进行写操作时，将需要写入的数据、设备名称以及在此设备的位置记录在磁盘高速缓存中，而CPU即认为写操作结束，然后由系统专门的读写设备的任务定期或于系统随机存取内存资源不足时完成存储在磁盘高速缓存中的写操作，但磁盘高速缓存中的数据继续保留；当对设备进行读操作时，先判断磁盘高速缓存中是否存储有需要读取的数据，如果有，则直接读取。否则，CPU发出一个读取设备的任务，当前任务会被保留，CPU可以执行其它任务，当将数据从设备读取后，读取的数据会被添加至磁盘高速缓存中，并发送一个中断信号至CPU，CPU可以继续执行对设备的读操作。为了提高对区块设备的读写效率，区块设备的驱动(Driver)都采用了一些提高读写效率的方法，如电梯算法、预先读算法、延迟写算法等。

操作系统中磁盘高速缓存描述项(Disk Cache Item)的每一个描述项代表一个物理内存页(Page)或区块(Block)。对磁盘高速缓存的管理一般采用下述方法：磁盘高速缓存一般存储在脏(dirty)、干净(clean)和锁(locked)三个最近最少使用(Least Recently Use，LRU)链接串行中。其中，脏链接串行包含所有需要写入区块设备的磁盘高速缓存描述项，锁链结串行包含所有正在写入区块设备的磁盘高速缓存描述项，干净链接串行包含最新的已存储在磁盘高速缓存中的区块设备的数据。因此，磁盘高速缓存描述项可以在这三个链接串行的间迁移。CPU执行对区块设备的写操作时，会先从干净链接串行中查找是否有对应的磁盘高速缓存描述项，如果有，则将对应的磁盘高速缓存描述项从干净链接串行中删除，更改磁盘高速缓存描述项中的数据并将此磁盘高速缓存描述项加入脏链接串行；如果没有，则从系统随机存取内存中分配磁盘高速缓存描述项，修改磁盘高速缓存描述项中数据并将此磁盘高速缓存描述项加入脏链接串行。接着，在一定时间间隔、系统随机存取内存资源不足、磁盘高速缓存所占的随机存取内存达到使用者设定的上限或使用者强制清除磁盘高速缓存时，CPU会调用区块设备写操作的任务，将脏链接串行中的部分磁盘高速缓存描述项加入锁链结串行，以写入区块设备，写入完毕的磁盘高速缓存描述项加入干净链接串行，且删除干净链接串行中最近最少使用的磁盘高速缓存描述项，删除的磁盘高速缓存描述项被回收至系统的自由随机存取内存中供系统使用。在以存储任务为主的系统中，大量的随机存取内存被用作磁盘高速缓存。

然而，将磁盘高速缓存描述项加入脏链接串行和将写入区块设备的磁盘高速缓存描述项加入干净链接串行的过程是异步的，且往往是将磁盘高速缓存描述项加入脏链接串行的过程较快。因此，磁盘高速缓存中存储有数据没有写入真实的区块设备中。如果系统断电时，磁盘高速缓存中的数据会丢失。因而，在一些对数据完整性、安全性要求较高的存储类产品(如，SAN、NAS、磁盘阵列)中，需要保护并处理这部分数据。很多厂商提供了电池供电随机存取内存的解决方案。

常见的电池供电解决方案包含RAID Adapter、Smart Array和电池供电随机存取内存适配器。其均为计算机系统的一个设备，提供自己的设备驱动程序，可以加快写数据的速度和数据吞吐量。其将计算机系统随机存取内存中磁盘高速缓存的数据转移至自己内部的缓冲区，然后通过设备自身处理数据。其中，RAID Adapter、Smart Array将自身缓冲区的数据写入和自己相连的存储设备，电池供电随机存取内存适配器r仅存储数据。其均因为具有电池供电功能，可以保护自己内部缓冲区的数据在系统断电后的一段时间内不丢失，系统恢复正常后即可将自己缓冲区的数据写入存储设备。

然而公知技术的这种做法在系统断电时只能保护从存储系统的随机存取内存中传递到自己内部缓冲区的数据，不能保护计算机系统随机存取内存中磁盘高速缓存存储的数据。

发明内容

为了解决上述公知技术中的问题与缺陷，本发明的目的在于提供一种存储系统的高速缓存的数据的保护方法，用以在计算机系统断电时，保护一个具有电池供电(Battery Backed)功能的存储系统的高速缓存的数据。

本发明所提供的一种存储系统的高速缓存的数据的保护方法，包含以下步骤：当存储系统启动时，在存储系统的随机存取内存的适当开始位置保留适当长度的保留区域；当存储系统启动后，监控对脏链接串行和干净链接串行的操作；当系统增加一个磁盘高速缓存描述项至脏链接串行时，依照磁盘高速缓存描述项在随机存取内存的位置计算出保留区域的一个入口(Entry)的序号；存储此磁盘高速缓存描述项在随机存取内存的位置、磁盘高速缓存描述项的随机存取内存大小、磁盘高速缓存描述项写入的区块设备名称以及磁盘高速缓存描述项在区块设备的位置信息至此入口；当系统增加一个磁盘高速缓存描述项至干净链接串行时，依照磁盘高速缓存描述项在随机存取内存的位置计算出保留区域的一个入口的序号，清除此入口存储的信息；当存储系统断电时，通过电池供电功能为随机存取内存提供电源；当存储系统重新启动时，读取该保留区域的多个入口存储的磁盘高速缓存描述项的位置和大小信息，依照读取的位置和大小信息保留对应位置的随机存取内存存储的数据；当存储系统重新启动后，读取保留区域的多个入口存储的磁盘高速缓存描述项的信息，依照读取的信息将对应位置的随机存取内存存储的数据写入对应的区块设备；以及释放保留的随机存取内存的空间，并设置保留区域的每一个入口的值为零。

其中，保留区域的适当开始位置为存储系统的操作系统初始化所需的随机存取内存位置以及硬件在随机存取内存映射的位置以外的位置，而适当长度通过如下公式计算出来：((随机存取内存大小)/(高速缓存描述项大小)+1)*(保留区域的入口大小)+(UUID大小)，UUID为通用唯一识别码(Universal Unique IDentifier)。保留区域的入口序号通过如下公式计算出来：(高速缓存描述项在随机存取内存的位置)/(高速缓存描述项大小)。

本发明所述的存储系统的高速缓存的数据的保护方法，其中保留该保留区域借由添加该保留区域的开始位置和长度信息至该存储系统的操作系统建立的启动操作系统自身需要的内存访问区域的管理机制中来实现。

本发明所述的存储系统的高速缓存的数据的保护方法，其中该磁盘高速缓存描述项的信息包含：该磁盘高速缓存描述项在随机存取内存的位置以及该磁盘高速缓存描述项的大小信息。

本发明所述的存储系统的高速缓存的数据的保护方法，其中依照监控的操作存储或删除相应的磁盘高速缓存的描述项的信息至该保留区域的步骤还包含以下步骤：

当增加磁盘高速缓存描述项至脏链接串行时，依照该磁盘高速缓存描述项在随机存取内存的位置计算出该保留区域的入口的序号；

存储该磁盘高速缓存描述项在随机存取内存的位置以及该磁盘高速缓存描述项的大小信息至该入口；以及

当增加磁盘高速缓存描述项至干净链接串行时，依照该磁盘高速缓存描述项在随机存取内存的位置计算出该保留区域的入口的序号，清除该入口存储的信息。

本发明所述的存储系统的高速缓存的数据的保护方法，其中该入口序号通过如下公式计算出来：(磁盘高速缓存描述项在随机存取内存的位置)/(磁盘高速缓存描述项大小)。

综上所述，本发明的优点在于利用计算机系统的电池供电功能实现了对计算机系统的随机存取内存中磁盘高速缓存存储的数据的断电保护功能。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

其中，附图标记说明如下：

S100当存储系统启动时，在存储系统的随机存取内存的适当开始位置保留适当长度的一个保留区域

S110当存储系统启动后，监控对脏链接串行和干净链接串行的操作

S120当增加一个磁盘高速缓存描述项至脏链接串行时，依照磁盘高速缓存描述项在随机存取内存的位置计算出保留区域的一个入口的序号

S130存储磁盘高速缓存描述项在随机存取内存的位置以及磁盘高速缓存描述项的大小信息至此入口

S140当增加一个高速缓存描述项至干净链接串行时，依照高速缓存描述项在随机存取内存的位置计算出保留区域的一个入口的序号，清除此入口存储的信息

S150当存储系统断电时，通过电池供电功能为随机存取内存提供电源

S160当存储系统重新启动时，读取保留区域的多个入口存储的高速缓存描述项的位置和大小信息，依照读取的位置和大小信息保留对应位置的随机存取内存存储的数据

S170当存储系统重新启动后，读取保留区域的多个入口存储的高速缓存描述项的信息，依照读取的信息将对应位置的随机存取内存存储的数据写入对应的区块设备

S180释放保留的随机存取内存的空间，并设置保留区域的每一个入口的值为零

具体实施方式

以下，将结合附图部份对本发明的较佳实施方式作详细说明。

请参考图1，此图为本发明一种存储系统的高速缓存的数据的保护方法的方法流程图，如图所示，此方法包含以下步骤：

当存储系统启动时，在存储系统的随机存取内存的适当开始位置保留适当长度的一个保留区域(S100)，其中，保留区域的适当开始位置为存储系统的操作系统初始化所需的随机存取内存位置以及硬件在随机存取内存映射的位置以外的位置，而适当长度通过如下公式计算出来：((随机存取内存大小)/(高速缓存描述项大小)+1)*(保留区域的入口大小)+(UUID大小)，UUID为通用唯一识别码。当存储系统的操作系统建立启动操作系统自身需要的内存访问区域的管理机制时，将保留区域的开始位置和长度数据添加进去，以达到保留此保留区域的目的。

当存储系统启动后，监控系统对脏链接串行和干净链接串行的操作(S110)。当检测到系统增加一个磁盘高速缓存描述项至脏链接串行时，依照公式：(高速缓存描述项在随机存取内存的位置)/(高速缓存描述项大小)利用磁盘高速缓存描述项在随机存取内存的位置计算出保留区域的一个入口的序号(S120)，并依照计算出来的入口序号存储磁盘高速缓存描述项在随机存取内存的位置以及磁盘高速缓存描述项的随机存取内存大小信息至此入口(S130)。当检测到系统增加一个磁盘高速缓存描述项至干净链接串行时，依照公式：(高速缓存描述项在随机存取内存的位置)/(高速缓存描述项大小)利用磁盘高速缓存描述项在随机存取内存的位置计算出保留区域的一个入口的序号，并依照计算出来的入口序号清除此入口存储的信息(S140)。

当存储系统断电时，通过电池供电功能为系统的随机存取内存提供电源，以保护系统随机存取内存存储的数据。且为存储系统的CPU提供较短时间的电源，以让CPU完成将CPU的高速缓存数据同步至系统的随机存取内存的任务(S150)。

当存储系统重新启动时，通过修改存储系统的基本输入/输出系统(BIOS)中关于随机存取内存自检的参数设定来保护系统随机存取内存存储的所有数据。重复S100的保留过程。并读取系统随机存取内存的S100保留区域的多个入口存储的磁盘高速缓存描述项的位置和大小信息，依照读取的位置和大小信息保留对应位置的随机存取内存存储的数据(S160)。

当存储系统重新启动后，读取保留区域的每一个入口存储的磁盘高速缓存描述项的信息，依照读取的信息查找到对应位置的随机存取内存，从对应位置的随机存取内存读取磁盘高速缓存描述项需要写入的数据、磁盘高速缓存描述项需要写入的区块设备名称以及磁盘高速缓存描述项在区块设备的位置。并依照读取的信息将需要写入的数据写入对应的区块设备，以实现对系统的随机存取内存中磁盘高速缓存存储的数据的保护(S170)。

当系统的随机存取内存中所有磁盘高速缓存存储的数据被写入对应的区块设备后，释放存储系统启动时保留的随机存取内存中磁盘高速缓存的空间，并设置随机存取内存的保留区域中每一个入口的值为零(S180)。

虽然本发明以前述的较佳实施方式公开如上，然其并非用以限定本发明。本领域的技术人员应当意识到在不脱离本发明所附的权利要求书所揭示的本发明的范围和精神的情况下，所作的改动与修饰，均属本发明的专利保护范围的内。关于本发明所界定的保护范围请参考所附的权利要求书。

Claims (8)

1、一种存储系统的高速缓存的数据的保护方法，用以保护具有电池供电功能的存储系统的高速缓存的数据，该方法包含以下步骤：

当该存储系统启动时，在该存储系统的随机存取内存的适当开始位置保留适当长度的保留区域；

当该存储系统启动后，监控对脏链接串行和干净链接串行的操作，依照监控的操作在该保留区域中存储或删除相应的磁盘高速缓存描述项的信息；

当该存储系统断电时，通过电池供电功能为随机存取内存提供电源，用以保护随机存取内存存储的数据；

当该存储系统重新启动时，读取该保留区域存储的磁盘高速缓存描述项的信息，依照读取的信息保留对应的随机存取内存存储的数据；以及

当该存储系统重新启动后，读取该保留区域存储的磁盘高速缓存描述项的信息，依照读取的信息将对应的随机存取内存存储的数据写入对应的区块设备。

2、如权利要求1所述的存储系统的高速缓存的数据的保护方法，其还包含以下步骤：释放保留的随机存取内存的空间，并设置该保留区域的多个入口的值为零。

3、如权利要求1所述的存储系统的高速缓存的数据的保护方法，其中该适当开始位置为该存储系统的操作系统初始化所需的随机存取内存位置以及硬件在随机存取内存映射的位置以外的位置。

4、如权利要求1所述的存储系统的高速缓存的数据的保护方法，其中该适当长度系通过如下公式计算出来：((随机存取内存大小)/(磁盘高速缓存描述项大小)+1)*(保留区域的入口大小)+(UUID大小)，其中，UUID为通用唯一识别码。

5、如权利要求1所述的存储系统的高速缓存的数据的保护方法，其中保留该保留区域借由添加该保留区域的开始位置和长度信息至该存储系统的操作系统建立的启动操作系统自身需要的内存访问区域的管理机制中来实现。

6、如权利要求1所述的存储系统的高速缓存的数据的保护方法，其中该磁盘高速缓存描述项的信息包含：该磁盘高速缓存描述项在随机存取内存的位置以及该磁盘高速缓存描述项的大小信息。

7、如权利要求1所述的存储系统的高速缓存的数据的保护方法，其中依照监控的操作存储或删除相应的磁盘高速缓存的描述项的信息至该保留区域的步骤还包含以下步骤：

当增加磁盘高速缓存描述项至脏链接串行时，依照该磁盘高速缓存描述项在随机存取内存的位置计算出该保留区域的入口的序号；

存储该磁盘高速缓存描述项在随机存取内存的位置以及该磁盘高速缓存描述项的大小信息至该入口；以及

当增加磁盘高速缓存描述项至干净链接串行时，依照该磁盘高速缓存描述项在随机存取内存的位置计算出该保留区域的入口的序号，清除该入口存储的信息。

8、如权利要求7所述的存储系统的高速缓存的数据的保护方法，其中该入口序号通过如下公式计算出来：(磁盘高速缓存描述项在随机存取内存的位置)/(磁盘高速缓存描述项大小)。