TW201342052A

TW201342052A - 磁帶機系統伺服器

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Publication number: TW201342052A
Application number: TW101138492A
Authority: TW
Inventors: Ioannis Koltsidas; Slavisa Sarafijanovic; Evangelos Stavros Eleftheriou; Robert Haas; Jens Jelitto; Alexander Saupp; Nils Haustein; Harald Seipp
Original assignee: Ibm
Priority date: 2011-12-16
Filing date: 2012-10-18
Publication date: 2013-10-16

Abstract

本發明提出一種磁帶機系統伺服器，其包含：-一非揮發性記憶體，其用作用於儲存資料檔案之一快取記憶體(106)，該快取記憶體之至少部分包含使用一先進先出原則管理來管理之一第一區域(40)及使用一最近最少使用原則管理來管理之一第二區域(42)；-一檔案系統介面，其用於與儲存於一磁帶機系統(104)上之資料檔案互動；-一介面，其用於允許一或多個遠端系統(110、120)讀取及寫入儲存於儲存構件及/或該快取記憶體上之資料；其中該伺服器經組態以：-自該一或多個遠端系統接收將一或多個資料檔案寫入至該磁帶機系統及該快取記憶體之一或多個寫入請求；-解譯與由該一或多個遠端系統指示以寫入至該磁帶機系統及該快取記憶體之資料檔案相關聯的屬性；且-根據該等經解譯之屬性儲存由該等遠端系統指示以寫入之資料檔案。

Description

磁帶機系統伺服器

本發明係關於磁帶機系統之快取架構的領域，且具體言之係關於磁帶機系統伺服器。

儘管在過去多年中HDD(硬碟機)技術取得了顯著進展，但磁帶系統仍構成當前階層化儲存基礎結構之整體部分。磁帶技術提供若干重要優勢，包括資料之低成本長期儲存以及出於備份及災難恢復之目的之低成本長期儲存、節能、安全性、壽命及可靠性。

一旦資料已記錄於磁帶系統中，則媒體為被動的。此意謂其僅位於機架中且並不需要電力。與類似之基於磁碟之系統相比，基於磁帶之封存消耗約1/290之電力。就安全性而言，一旦已記錄資料且將匣自存取系統移除，則資料為不可存取的，直至匣重新安裝於主動系統中為止。藉由磁帶機裝置層級加密來進一步增強安全性，該磁帶機裝置層級加密被引入於第四代線性開放式磁帶機裝置(LTO-4)中且亦為企業層級磁帶機裝置中之標準。磁帶媒體具有30+年之壽命；然而，由於磁帶硬體之快速進步及與向較高容量之匣移轉相關聯的成本節省，極少利用此磁帶媒體。就可靠性而言，LTO-4磁帶具有比SAS(串列附接SCSI)HDD之位元錯誤率好至少一量級之位元錯誤率。另外，磁帶媒體可移除並可互換之事實意謂，與HDD相反，磁帶機裝置之機械故障不會導致資料損失，原因在於可簡單地將匣安裝於另一磁帶機裝置中。

以上所有優勢促成磁帶系統之主要淨優勢：成本及可靠性。相比磁碟，磁帶之成本節省之估計值範圍為2/3至19/20以上。

硬碟提供對資料之隨機存取且大體上含有由檔案系統管理之檔案索引。可使用各種作業系統及應用程式藉由應用程式設計介面(API)之標準集合來存取此等檔案。相反，通常使用稱作「覆蓋作用」之技術以線性順序之方式對磁帶進行寫入，該技術提供回溯寫入相容性，但亦暗示僅可將新資料附加於結尾且僅可在回收並重新寫入整個匣之後回收先前寫入之區域。在傳統磁帶系統中，通常僅將寫入於給定匣上之檔案之索引保持在由諸如專有備份應用程式之應用程式管理的外部資料庫中。對存取外部資料庫以擷取資料之需要致使磁帶上之資料遠不如使用替代性儲存方法(諸如，HDD或USB(通用串列匯流排)隨身碟裝置)便攜及易存取。

為了解決此等缺陷，近來已將被稱作線性磁帶檔案系統(LTFS)之新檔案系統引入於磁帶機系統中以使得能夠使用標準且熟悉的系統工具及介面有效存取磁帶。藉由利用以最近磁帶機格式支援之雙分割區能力來實施LTFS。所謂之索引分割區用於寫入索引，而大得多之第二分割區用於資料自身。索引分割區用於檔案系統之目錄，而資料分割區用以在檔案系統中儲存實際使用者之檔案。將索引置放於單獨分割區上係有利的，因為可對其重新寫入而不影響實際資料。LTFS向使用者顯露POSIX類檔案系統介面，在索引分割區中管理檔案系統索引且在資料分割區中儲存資料。由LTFS軟體表示之檔案系統在檔案實際位於磁帶上時使檔案及目錄以目錄清單顯示於桌面上。檔案系統使用者可將檔案「拖放」至磁帶及自磁帶「拖放」檔案，且可執行針對磁碟系統開發之應用程式。在媒體櫃模式下，可在未安裝個別匣之情況下列出並搜尋媒體櫃中之所有磁帶卷的內容。所有此等特徵幫助降低磁帶成本、檔案管理成本及封存成本並消除對中間軟體層之依賴。因此減少所儲存之每十億位元組(GB)之成本。另外，磁帶成為跨平台攜帶型的(LTFS在Linux®、Apple Mac OS X®及Microsoft Windows®上可用)，從而實現且促進平台之間的資料的共用。此等特徵實現磁帶的有意義之新使用案例，諸如，視訊封存、醫學影像等。考慮到磁帶相比其他儲存解決方案之成本優勢、對於帶匣容量及每GB之成本之持續按比例調整的經證實的潛力以及由諸如LTFS之進步提供之磁帶的漸增可用性，磁帶顯得在激增之封存資料儲存方案市場中扮演重要角色。

然而，即使採用LTFS，檔案仍以順序之方式儲存於磁帶上，此在諸如讀取與寫入之I/O操作期間引起不可忽視之較長存取時間。

文獻US 2011/0219184 A1、US 2011/0145494 A1、US 7743206 B2、US 7162574 B2、US 7747816 B1、US 5829046、Beth Parizeau於2010年4月22日發表之「IBM Launches long term file system(LTFS)for LTO-5 tape management」及2009年11月12日的「Virtual tape library for HSM」相關於本發明之技術領域。

根據第一態樣，本發明體現為一種磁帶機系統伺服器，其包含：-一非揮發性記憶體，其用作用於儲存資料檔案之一快取記憶體，該快取記憶體之至少部分包含使用一先進先出原則管理來管理之一第一區域及使用一最近最少使用原則管理來管理之一第二區域；-一檔案系統介面，其用於與儲存於一磁帶機系統上之資料檔案互動；-一介面，其用於允許一或多個遠端系統讀取及寫入儲存於儲存構件及/或該快取記憶體上之資料；其中該伺服器經組態以：-自該一或多個遠端系統接收將一或多個資料檔案寫入至該磁帶機系統及該快取記憶體之一或多個寫入請求；-解譯與由該一或多個遠端系統指示以寫入至該磁帶機系統及該快取記憶體之資料檔案相關聯的屬性；且-根據該等經解譯之屬性儲存由該等遠端系統指示以寫入之資料檔案。

在實施例中，該磁帶機系統伺服器可包含以下特徵中之一或多者：-用以解譯與該等資料檔案相關聯之該等屬性的快取管理功能；-該等屬性對應於快取優先權類別；-一第一快取優先權類別使該等快取管理功能：-將經指示以寫入之資料檔案寫入至該快取記憶體之該第一區域；-隨後將儲存於該第一區域上之資料檔案複製至磁帶機系統，該複製作為該伺服器之一背景任務執行；且-一旦複製完成，自該快取記憶體之該第一區域逐出資料檔案；-一第二快取優先權類別使該等快取管理功能：-將經指示以寫入之資料檔案寫入至該快取記憶體之該第一區域；-隨後將儲存於該第一區域上之資料檔案複製至磁帶機系統，該複製作為該伺服器之一背景任務執行；-判定是否在寫入至該第一區域之該等資料檔案之第一次讀取後對該等資料檔案進行一或多次補充讀取；-若判定對該等資料檔案進行一或多次補充讀取，則將該等資料檔案移動至該快取記憶體之該第二區域；-若判定不對該等資料檔案進行一或多次補充讀取，則自該快取記憶體之該第一區域逐出資料檔案；-一第三快取優先權類別使該等快取管理功能：-在該快取記憶體之該第一區域上預先提取先前儲存於該快取記憶體之該第一區域中的資料檔案之一集合；-判定是否在資料檔案的該經預先提取集合之第一次讀取後對該經預先提取集合之一或多個資料檔案進行一或多次補充讀取；且-若判定對經預先提取集合之一或多個資料檔案進行一或多次補充讀取，則將資料檔案之該集合移動至該快取記憶體之該第二區域；-一第四快取優先權類別使該等快取管理功能在該快取記憶體之該第二區域上預先提取先前儲存於該快取記憶體之該第一區域中的資料檔案之一集合；-一第五快取優先權類別使該等快取管理功能：-將已在任何給定時間存取之資料檔案置放至該快取記憶體的該第二區域中直至最大位移；-一第六快取優先權類別使該等快取管理功能：-在設定資料檔案快取類別時，直接將資料檔案置放至該快取記憶體之該第一區域中，而無關於是否存取資料檔案；且-當已歷時一可組態時間間隔時，自該快取記憶體逐出資料檔案。 -由一使用者或一應用程式指定一快取類別，且該等快取管理功能進一步對尚未被該使用者或該應用程式指定一快取類別的資料檔案指派一預設快取類別。 -該等屬性為延伸屬性，該等延伸屬性之格式與該資料檔案之一給定資料格式相容；-與資料檔案相關聯之屬性由該等快取管理功能使用以最佳化由多個使用者並行進行之同作資料寫入及/或讀取；根據另一態樣，本發明體現為一種磁帶設備系統，其包含：-本發明之該磁帶機系統伺服器；及-一磁帶機系統，該伺服器與該磁帶機系統介接。

根據另一態樣，本發明體現為一種系統，其包含本發明之磁帶機系統伺服器或本發明之磁帶設備系統，其中該磁帶機系統為一磁帶媒體櫃。

根據另一態樣，本發明體現為一種電腦程式，其儲存於一電腦可讀媒體上，包含用於使該磁帶機系統伺服器執行快取管理功能之程式碼構件。

現將藉由非限制性實例並參考隨附圖式來描述一種程序及體現本發明之一種程序。

本發明描述一種磁帶機系統伺服器。磁帶機系統伺服器包含用作用於儲存資料檔案之快取記憶體的非揮發性記憶體。快取記憶體之至少部分包含使用先進先出(FIFO)原則管理來管理之第一區域及使用最近最少使用(LRU)原則管理來管理之第二區域(42)。磁帶機系統伺服器進一步包含用於與儲存於磁帶機系統上之資料檔案互動之檔案系統介面。磁帶機系統伺服器進一步包含用於允許一或多個遠端系統讀取及寫入儲存於儲存構件及/或快取記憶體上之資料的介面。此介面可為通信介面，諸如通常根據使一個機器能夠與另一機器電信通信之具體標準設計的通信介面。磁帶機系統伺服器經組態以自一或多個遠端系統接收一或多個寫入請求。寫入請求意欲用於在磁帶機系統及快取記憶體上寫入一或多個資料檔案。此意謂寫入請求可請求僅在磁帶機系統上寫入一或多個資料檔案，或僅在快取記憶體上寫入一或多個資料檔案，或在磁帶機系統及快取記憶體兩者上寫入一或多個資料檔案。磁帶機系統伺服器經進一步組態以解譯與由一或多個遠端系統指示以在磁帶機系統及快取記憶體上寫入之資料檔案相關聯的屬性。解譯屬性意謂磁帶機系統伺服器能夠根據屬性判定執行何具體動作。磁帶機系統伺服器經進一步組態以根據經解譯之屬性儲存由遠端系統指示以寫入之資料檔案。儲存待寫入之資料檔案意謂記錄待寫入之資料檔案。

因此，本發明著重於不僅在存取延時方面而且在應用快取原則之靈活性方面改良磁帶機系統(例如，基於LTFS之磁帶儲存系統)之效能的系統。

為了達到此目的，磁帶機系統伺服器使用與檔案系統介面協同之快取記憶體來與儲存在磁帶機系統上之資料檔案互動。該快取記憶體用作儲存構件上方之快取層。磁帶機系統伺服器以屬性之形式提供快取提示。屬性(亦被稱作延伸屬性)提供關於檔案系統介面且更一般而言關於磁帶機系統伺服器之功能性資訊及附加資訊。基於對屬性之解譯，磁帶機系統伺服器瞭解在何處及如何儲存由一或多個遠端系統指示以寫入之資料檔案。因此，所呈現之系統不僅提供允許對最近及/或最頻繁快取之檔案之較快存取的快取原則，而且經設計以允許應用程式或使用者根據其需要(例如，根據系統之工作負載)修改快取原則。

如熟習此項技術者將瞭解，本發明之態樣可體現為系統或電腦程式產品。因此，本發明之態樣可採用完全硬體實施例、完全軟體實施例(包括韌體、常駐軟體、微碼等)或組合軟體與硬體態樣之實施例的形式，該等實施例在本文中全部可大體上被稱作「電路」、「模組」或「系統」。此外，本發明之態樣可採用體現於一或多個電腦可讀媒體中之電腦程式產品之形式，該一或多個電腦可讀媒體具有體現於其上的電腦可讀程式碼。

可利用一或多個電腦可讀媒體之任何組合。電腦可讀媒體可為電腦可讀信號媒體或電腦可讀儲存媒體。舉例而言，電腦可讀儲存媒體可為(但不限於)電子、磁性、光學、電磁、紅外線或半導體系統、裝置或器件，或前述系統、裝置或器件的任何合適組合。電腦可讀儲存媒體之更具體實例(非詳盡清單)將包括以下各者：具有一或多條導線之電連接件、攜帶型電腦磁片、硬碟、隨機存取記憶體(RAM)、唯讀記憶體(ROM)、可抹除可程式化唯讀記憶體(EPROM或快閃記憶體)、光纖、攜帶型緊密光碟唯讀記憶體(CD-ROM)、光學儲存器件(CD-R/W、DVD、BD)、磁性儲存器件，或前述各者之任何合適組合。在此文件之上下文中，電腦可讀儲存媒體可為可含有或儲存供指令執行系統、裝置或器件使用或結合指令執行系統、裝置或器件使用之程式的任何有形媒體。

電腦可讀信號媒體可包括所傳播之資料信號，該所傳播之資料信號具有體現於其中(例如，在基頻中或作為載波之部分)之電腦可讀程式碼。此所傳播之信號可採用各種形式中之任一者，包括(但不限於)電磁、光學或其任何合適組合。電腦可讀信號媒體可為並非電腦可讀儲存媒體且可傳達、傳播或傳送供指令執行系統、裝置或器件使用或結合指令執行系統、裝置或器件使用之程式的任何電腦可讀媒體。

可使用任何適當媒體來傳輸體現於電腦可讀媒體上之程式碼，適當媒體包括(但不限於)無線、有線、光纖纜線、RF等或前述各者之任何合適組合。

可以一或多種程式設計語言之任何組合來撰寫用於執行本發明之態樣之操作的電腦程式碼，該一或多種程式設計語言包括諸如Java、Smalltalk、C++或其類似者之物件導向式程式設計語言及諸如「C」程式設計語言或類似程式設計語言之習知程序性程式設計語言。程式碼可完全在使用者電腦上執行，部分地在使用者電腦上執行，作為獨立套裝軟體而執行，部分地在使用者電腦上執行且部分地在遠端電腦上執行，或完全在遠端電腦或伺服器上執行。在完全在遠端電腦或伺服器上執行的情形中，遠端電腦可經由任何類型之網路(包括區域網路(LAN)或廣域網路(WAN))連接至使用者電腦，或可連接至外部電腦(例如，使用網際網路服務提供者，經由網際網路)。

下文參考根據本發明之實施例之方法、裝置(系統)及電腦程式產品的流程圖說明及/或方塊圖來描述本發明之態樣。應理解，可藉由電腦程式指令來實施該等流程圖說明及/或方塊圖之每一區塊及該等流程圖說明及/或方塊圖中之區塊的組合。可將此等電腦程式指令提供至通用電腦、專用電腦或其他可程式化資料處理裝置之處理器以產生一機器，以使得經由該電腦或其他可程式化資料處理裝置之該處理器而執行之指令產生用於實施在該或該等流程圖及/或方塊圖區塊中所指定之功能/動作之構件。

亦可將此等電腦程式指令儲存於一電腦可讀媒體中，其可指導電腦、其他可程式化資料處理裝置或其他器件以特定方式發揮作用，以使得儲存於該電腦可讀媒體中之指令產生一製造物件，該製造物件包括實施在該或該等流程圖及/或方塊圖區塊中所指定之功能/動作的指令。

亦可將該等電腦程式指令載入至電腦、其他可程式化資料處理裝置或其他器件上，以使一系列操作步驟在該電腦、其他可程式化裝置或其他器件上執行以產生一電腦實施程序，以使得在該電腦或其他可程式化裝置上執行之指令提供用於實施在該或該等流程圖及/或方塊圖區塊中所指定之功能/動作的程序。

圖式中之方塊圖說明根據本發明之各種實施例之系統、方法及電腦程式產品之可能實施方案的架構、功能性及操作。就此而言，流程圖或方塊圖中之每一區塊可表示程式碼之模組、區段或部分，其包含用於實施指定之邏輯功能的一或多個可執行指令。亦應注意，在一些替代實施方案中，區塊中所提到之功能可不以諸圖中所提到之次序發生。舉例而言，取決於所涉及之功能性，連續展示之兩個區塊實際上可實質上同時執行，或該等區塊有時可以相反次序執行。亦應注意，可藉由執行指定之功能或動作的基於專用硬體之系統或專用硬體及電腦指令之組合來實施方塊圖及/或流程圖說明之每一區塊及方塊圖及/或流程圖說明中之區塊的組合。

圖1為由一或多個遠端系統110、120遠端存取之磁帶設備系統100之實施例的架構圖。根據本發明之實施例的磁帶設備100包含磁帶機系統伺服器102及與該磁帶機系統伺服器介接之磁帶機系統104。

磁帶機系統104可根據預定資料格式儲存資料檔案。磁帶機系統可為諸如獨立磁帶機裝置(或磁帶媒體櫃)之順序存取媒體，其可支援眾多磁帶機裝置或磁頭。獨立磁帶機裝置用以在一或多個帶匣上之線性磁帶上操作。儲存於磁帶機裝置上之資料的預定資料格式可使用保持檔案內容資料及相關聯之檔案後設資料的LTFS格式資料格式。因此，可與能夠理解LTFS格式之其他系統110、112交換儲存於磁帶機裝置上並使用LTFS格式來寫入之資料。

根據圖1之實施例的磁帶機系統伺服器102包含用作用於儲存資料檔案之快取記憶體的非揮發性記憶體106。快取記憶體採用工作負載之時間及空間局部性來最佳化儲存系統之效能。快取記憶體為讀取及寫入快取區。快取記憶體藉由透通地儲存資料以使得可較快地伺服該資料之未來請求來改良效能。若所請求之資料包含在快取區中，亦即，若快取命中發生，可藉由簡單讀取該快取區(此相比而言比自後端儲存器件讀取快)來伺服此請求。否則，快取未命中發生且必須自較慢之後端儲存器件提取資料。

快取記憶體為非揮發性記憶體，其在磁帶機系統關斷時有利地允許保留儲存於其上之檔案。用作快取記憶體之非揮發性記憶體可包含硬碟機及/或固態磁碟之陣列。可以RAID(獨立磁碟冗餘陣列)方案來組態大容量之HDD及/或SSD的陣列。快取記憶體控制器可向伺服器之作業系統顯露單一邏輯磁碟區，因此使得快取記憶體之管理較容易。此外，諸如(但不限於)ext3、ext4或NTFS之習知磁碟檔案系統安裝於此邏輯磁碟區上且用於對磁碟陣列進行的所有I/O操作。快取記憶體，亦即，整個磁碟陣列，專用於快取且不與系統之其他組件共用。

快取記憶體可為檔案層級快取記憶體。或者，快取記憶體可為區塊層級快取記憶體。在此情況下，將陣列之HDD及/或SSD用作不具有檔案系統之原始器件，且隨後產生磁碟區，且作業系統連接至此等磁碟區並將其用作個別硬碟機。區塊層級快取記憶體可用於幾乎任何種類之應用程式，包括檔案儲存、資料庫儲存、虛擬機檔案系統(VMFS)磁碟區等。

現參看圖4，現論述圖1上所描繪之磁帶機系統伺服器102之快取記憶體的實例。快取記憶體為非揮發性儲存器，且因而，快取記憶體可安全地在檔案層級保持經修改資料及未修改資料。

快取記憶體106之至少部分包含第一區域或空間40及第二區域或空間42。第一區域及第二區域經調適以儲存最初儲存於儲存構件中之檔案。根據快取區容量管理之一組規則來執行第一區域及第二區域中之檔案之儲存。

第一區域為FIFO(先進先出)區域40，且第二區域為LRU(最近最少使用)區域42。此意謂將快取記憶體之至少一部分劃分為FIFO快取區及LRU快取區。使用先進先出替換原則來管理FIFO區域，而使用最近最少使用原則來管理LRU區域。FIFO區域通常經指定以保持寫入至快取區後將至多存取僅一次之檔案。舉例而言，備份寫入驗證程序便是如此。LRU區域通常經指定以快取最近具有多次存取之高可能性的檔案。

如圖4中所示，使用者寫入通常將其資料寫入至FIFO快取區，而使用者讀取則通常由LRU快取區伺服。然而，此並非為要求：實際上，若使用者提示最近將多次存取傳入資料，則亦可將該資料寫入至LRU快取區。另一方面，若發現所請求之資料在FIFO快取區，則可自FIFO快取區伺服使用者讀取。

視情況，同時，可取決於快取區之兩個區域之工作負載在快取區之兩個區域之間移動檔案：事實上，快取記憶體具有有限之儲存容量大小且將其分割為FIFO區段及LRU區段需要某一程度之控制。換言之，根據一組規則來管理快取區容量。可使用以下快取區容量管理規則：-若FIFO區域已滿，則逐出最舊之檔案。自快取區逐出檔案可需要首先將其複製至磁帶；-若LRU區域已滿，則逐出具有最少存取次數及最遠期之最後存取時間的檔案。自快取區逐出檔案可能需要首先將其複製至磁帶；-若FIFO區域已滿而LRU區域具有至少50%剩餘容量，則FIFO區域獲得30%之LRU區域容量；-若LRU區域已滿而FIFO區域具有至少50%剩餘容量，則LRU區域獲得30%之FIFO區域容量。

應理解，前述百分比為設計參數且可取決於具體應用及工作負載而改變。

返回參看圖1，磁帶機系統伺服器102可包含至少一個電腦處理單元(CPU)1000或處理器及主記憶體1002，主記憶體1002通常為動態隨機存取記憶體(DRAM)。CPU及DRAM連接至匯流排1004。匯流排可連接至顯示控制器1006，顯示控制器1006連接至諸如LCD監視器1008之顯示器。顯示器可用以顯示關於磁帶設備系統100之資訊。匯流排可經由任何鍵盤/滑鼠控制器1010進一步連接至鍵盤1012及滑鼠1014。匯流排亦可連接至符合(例如)Ethernet(註冊商標)協定之通信控制器1014。通信控制器用以將磁帶機系統伺服器與網路(例如，網路130)實體連接。匯流排亦經由諸如IDE/SATA、SCSI、光纖通道、乙太網路光纖通道(FC0E)或iSCSI控制器之器件控制器1018連接至諸如硬碟106或DVD 1020之儲存器件。

磁帶機系統伺服器進一步包含用於與儲存於磁帶機系統 104上之資料檔案互動之檔案系統介面。檔案系統介面向磁帶機系統伺服器提供用於與磁帶機系統通信及管理儲存於其上之資料檔案(例如，寫入或讀取資料檔案)的能力。因此，磁帶機系統伺服器102可經由檔案系統介面附接至磁帶機系統104，以使得磁帶機系統伺服器可探查因此顯露之基礎磁帶容量。檔案系統介面可為在磁帶機系統伺服器上執行之LTFS軟體。

磁帶機系統伺服器執行諸如(但不限於)Linux(商標)作業系統之作業系統。伺服器連接至網路130且因此遠端網路使用者120及應用程式110可安裝儲存構件(例如，LTFS檔案系統)並直接將資料儲存至儲存構件或自儲存構件擷取資料。

現參看圖3，展示圖1所描繪之磁帶機系統伺服器102之資料路徑圖的實例。磁帶機系統伺服器102包含網路介面，例如，圖1中之通信控制器1016。換言之，磁帶機系統伺服器包含用於允許一或多個遠端系統(110、120)讀取及寫入儲存於儲存構件及/或快取記憶體上之資料的介面。

在圖3中，對磁帶機系統104進行之所有I/O操作實現為LTFS檔案系統操作。舉例而言，用戶端對磁帶機系統之寫入通常將最終成為對起始於具體位移且具有以位元組為單位之具體長度之LTFS檔案的寫入操作，如圖3所說明。在第一種情形中，遠端使用者110使用磁帶機系統伺服器之NFS掛接選項來發佈對檔案「/ltfs/greetings.txt」之寫入。由將請求傳遞至檔案系統介面LTFS 22之磁帶機系統伺服器來管理寫入請求。隨後，LTFS發現已將此檔案快取於HDD快取區106中且寫入吸收於HDD上，其中「/ltfs/greetings.txt」為HDD檔案系統上之ext3檔案。在不同情形中，另一遠端使用者120想要使用FTP協定自磁帶設備系統上之檔案讀取一些位元組。使用者發佈FTP獲得請求，磁帶機系統伺服器經由LTFS檔案系統介面將該FTP獲得請求轉譯為LTFS讀取請求。LTFS檔案系統介面在快取記憶體106中查找所請求之檔案，但並未發現其在此。因而，LTFS檔案系統介面自磁帶機系統104讀取所請求之檔案且將前100個位元組傳回至使用者。此時，LTFS可選擇是否將檔案快取於HDD 106上。

現參看圖2，展示圖1所描繪之諸如應用程式或用戶端的遠端系統與磁帶機系統伺服器之間的資料路徑圖之另一實例。由諸如應用程式110或用戶端120(例如)經由網路遠端存取磁帶機系統伺服器102。其他系統可為諸如GPFS(通用並行檔案系統)叢集或NAS(網路附接儲存)歸檔器(filer)之檔案系統伺服器。

遠端系統可藉由使用網路檔案系統來安裝磁帶機系統伺服器或藉由使用FTP(檔案傳送協定)協定或SSH(安全殼層)協定自磁帶機系統伺服器讀取資料或將資料寫入至磁帶機系統伺服器來存取磁帶機系統伺服器。應理解，可使用任何其他協定來遠端存取磁帶機系統伺服器102。

磁帶機系統伺服器102提供如圖2中所示之適當介面23、 24、25、26、27，以使得可使用磁帶機系統伺服器來適應對眾多應用程式110之儲存需要。在圖2中，磁帶機系統伺服器包含用於與儲存於磁帶機系統(104)(例如，眾多磁帶機裝置)上之資料檔案互動的檔案系統介面。下文為儲存於磁帶機裝置上之用於管理檔案之應用程式的實例，包括(但不限於)：

1)經由網路連接至磁帶機系統伺服器之GPFS(或其他)檔案系統的備份。可將整個GPFS檔案系統或個別目錄或檔案集備份至磁帶設備系統中。可在相同或不同帶匣上採取完全備份或增量備份且可支援多種版本。此外，可在同一設備中支援源自相同或不同檔案系統/叢集之多個備份。有利地，LTFS使備份在帶匣上為自含式及自描述的，從而令使用者免於對部署及維護集中備份伺服器之需要。另外，可將GPFS之檔案屬性保留在LTFS上，且亦可在對LTFS進行一些修改的情況下施行。在以下步驟中概述可藉由GPFS節點或藉由磁帶設備自身來安排之備份程序：a.在叢集中執行之GPFS原則識別自上次備份後已改變之檔案；b.原則調用外部程序來執行備份；c.備份程序將檔案複製至保留GPFS檔案屬性之設備；d.可經由SSH或使用NFS/CIFS掛接選項來完成複製操作；e.當程序完成時，可將帶匣移除並放置至保存庫中或移動至任何其他系統。

可藉由在同一或任何其他磁帶系統中僅讀取磁帶且利用由LTFS提供之檔案系統介面而自備份復原檔案，此允許保持與GPFS中相同的名稱-空間。此意謂已自歸檔器備份之任何檔案可在LTFS中具有名稱(路徑及檔案)，此舉允許容易進行恢復。

2)檔案自GPFS(或其他)檔案系統之移轉，亦即將磁帶機系統用作儲存階層架構中之階層。使用者以使用者指定之GPFS原則的形式對檔案或目錄指定移轉準則，且系統藉由將滿足前述所指定準則之檔案移轉至磁帶機系統來將資料順暢地置放於磁帶上。針對移轉至磁帶機系統之每一檔案，藉由檔案虛設符(file stub)(預留位置(placeholder))來將檔案放回於GPFS中。藉此，檔案保留於GPFS名稱空間中且可由使用者及現有應用程式作為正常檔案來存取。在對經移轉檔案進行存取時，將檔案自磁帶機系統收回。

3)與NAS歸檔器(例如，NetApp歸檔器)整合以將舊快照自歸檔器複製至LTFS且自歸檔器刪除較舊之快照。優勢在於將通常需要較多儲存容量之較舊快照儲存於磁帶機系統上，且可經由可為諸如亦由NAS歸檔器提供之NFS或CIFS之NAS介面的LTFS檔案系統介面來順暢地存取較舊快照。

4)在媒體管理(MAM)中，媒體通常含有相同資料串流之多種版本。一般慣例為具有音訊-視訊串流之高清晰度版本，以及所謂之「代理(proxy)」(其為相同內容之低解析度版本)。快取相關於代理之檔案將極有益，因為此將較頻繁地用以編輯/剪接內容以產生剪接清單，該剪接清單稍後將應用於高清晰度原始串流以產生播放串流或用於直接播放。

5)用於遠端管理磁帶設備系統(包括(但不限於)所儲存檔案之媒體管理、版本設定、保存(vaulting)、格式檢查及恢復)之圖形使用者介面。

因此，磁帶機系統伺服器包含用作快取記憶體並可在邏輯上組態成單一邏輯位址空間之非揮發性記憶體(例如，HDD/SSD陣列)、用於與儲存於磁帶機系統(例如，如圖1中所示之並行操作的一或多個磁帶機裝置)上之資料檔案互動之檔案系統介面及用於允許一或多個遠端系統讀取及寫入儲存於儲存構件及/或快取記憶體上之資料的介面。

磁帶機系統伺服器經進一步組態以自一或多個遠端系統接收用於在磁帶機系統及快取記憶體上寫入一或多個資料檔案之一或多個寫入請求。實際上，由意欲允許一或多個遠端系統讀取及寫入儲存於儲存構件及/或快取記憶體上之資料的介面接收寫入請求。此介面因此可為通信介面，諸如通常根據使一個機器能夠與另一機器電信通信之具體標準設計的通信介面。

另外，磁帶機系統伺服器經組態以解譯與由一或多個遠端系統指示以在磁帶機系統及快取記憶體上寫入之資料檔案相關聯的屬性。以此方式，以屬性之形式提供快取提示。通常，屬性為格式與資料檔案之給定資料格式相容的延伸屬性。屬性由檔案系統介面根據POSIX標準基於檔案及目錄來支援。有利地，此舉允許檔案系統介面(例如，LTFS檔案系統)較容易地解譯屬性。

在實務中，屬性由使用者120或應用程式110選擇：有利地，此等舉動允許使用者或應用程式以延伸屬性之形式提供快取提示。因此屬性對應於快取優先權類別。換言之，使用者或應用程式可對給定資料檔案選擇快取優先權。屬性之名稱可能已含有快取優先權資訊。較佳地，預先定義屬性之名稱。

另外，磁帶機系統伺服器經進一步組態以根據經解譯之屬性儲存由遠端系統指示以寫入之資料檔案。因此，基於屬性之值(例如，屬性之名稱)來執行對經指示以寫入之資料檔案之快取。

應理解，快取優先權選擇可由使用者在任何時間提供且檔案之快取優先權選擇可隨時間改變。舉例而言，同一使用者或應用程式或不同使用者/應用程式可提供新提示或快取優先權。若使用者/應用程式明確請求，則快取管理將僅在下次存取檔案時或在此之前改變其對該檔案之快取決策。此舉有利地改良可由使用者或應用程式取決於諸如磁帶機系統伺服器之工作負載的參數而修改之快取優先權的靈活性。

按最簡單之形式，快取提示為具體檔案之快取優先權。應理解，(例如)若使用者或應用程式並未指定預設快取優先權類別，則可由磁帶機系統伺服器假定預設快取優先權類別(例如，類別3)。

現論述快取優先權類別之實例及其語意。通常可由快取管理功能執行對各別屬性之解譯，且亦可由快取管理功能執行根據經解譯之屬性對經指示以寫入之資料檔案的儲存。

第一快取優先權類別(亦被稱作類別1)可使快取管理功能寫入資料檔案一次：將資料檔案寫入至FIFO快取區且立即在背景將其複製至磁帶。當複製完成時，將檔案自快取區捨棄。換言之，將經指示以寫入之資料檔案寫入於快取記憶體之第一區域中，隨後將其自第一區域複製至磁帶機系統。且一旦複製完成，便將資料檔案自快取記憶體之第一區域逐出，亦即，將資料檔案自快取記憶體之FIFO區域刪除。有利地，將複製作為伺服器之背景任務執行。此舉允許在寫入期間提供快取：可首先將資料檔案寫入至快取記憶體，且在背景將其異步移動至磁帶，尤其是在磁帶媒體櫃忙碌時。因此，在寫入可開始前，寫入無需等待完成磁帶機系統之磁帶上正進行的讀取。

第二快取優先權類別(亦被稱作類別2)可使快取管理功能寫入資料檔案且隨後讀取資料檔案一次。為達到此目的，將資料檔案寫入至FIFO快取區且在背景將其複製至磁帶。將資料檔案保持在FIFO快取區中直至發生對檔案之下次讀取操作為止。若第一次讀取操作後檔案被多次讀取，則將檔案移動至快取記憶體之LRU快取區。若初始讀取操作後在一時間段內或直至需要回收快取空間為止未再讀取檔案，則將檔案自快取區逐出。換言之，類別2使快取管理功能將經指示以寫入之資料檔案寫入於快取記憶體之第一區域中，以隨後將儲存於第一區域上之資料檔案複製至磁帶機系統，該複製作為伺服器之背景任務執行。隨後快取管理功能判定是否在寫入於第一區域中之資料檔案之第一次讀取後對資料檔案進行一或多次補充讀取。若判定對資料檔案進行一或多次補充讀取，則將資料檔案移動至快取記憶體之第二區域中。反之，若判定不對資料檔案進行一或多次補充讀取，則自快取記憶體之第一區域逐出資料檔案。因此，有利地，類別2在寫入期間提供快取且提供用於後續讀取之快取，且支援寫入驗證操作。將已置放於磁帶機系統上但仍由一些使用者定期存取之資料檔案(例如，封存檔之最頻繁使用部分)儲存於快取記憶體上。因而，該等存取並未遭受磁帶之高延時。因此，多個使用者可讀取儲存於FIFO區域中之相同資料檔案，因此減少其對資料檔案之存取時間，而同時資料檔案儲存於磁帶機系統上。

第三快取優先權類別(亦被稱作類別3)可使快取管理功能針對已寫入之現有檔案將整個檔案預先提取至FIFO快取區中。若初始讀取操作後檔案被多次讀取，則將檔案移動至LRU快取區。因此，在快取記憶體之第一區域上預先提取先前儲存於快取記憶體之第一區域中之資料檔案的集合，且判定是否在資料檔案的經預先提取之集合之第一次讀取後對該經預先提取之集合的一或多個資料檔案進行一或多次補充讀取。若判定對經預先提取之集合的一或多個資料檔案進行一或多次補充讀取，則將資料檔案之集合移動至該快取記憶體之該第二區域，亦即，LRU區域。有利地，此類別藉由讀取檔案來提供讀取快取以在發佈來自應用程式或使用者之讀取命令之前進行快取。

第四快取優先權類別(亦被稱作類別4)可使快取管理功能藉由預先提取先前儲存於快取記憶體之第一區域中之資料檔案的集合來對快取記憶體之第二區域執行預先提取。因此，將極快順序地對已寫入之現有檔案讀取一次以上。因此，此類別藉由讀取檔案來提供讀取快取以在發佈來自應用程式或使用者之讀取命令之前進行快取。

第五快取優先權類別(亦被稱作類別5)可使快取管理功能提取已在任何給定時間存取至LRU快取區中的資料檔案直至最大位移。將以隨機方式讀取已寫入之現有檔案。此類別藉由讀取檔案來提供讀取快取以在發佈來自應用程式或使用者之讀取命令之前進行快取。換言之，此類別致使將已在任何給定時間存取之資料檔案置放至快取記憶體的第二區域中直至最大位移。有趣的是，可將對資料檔案之隨機寫入吸收在快取記憶體中。因此，在將相關位元組範圍寫入至磁帶機系統之前，可藉由在資料檔案中之起始位移來對相關位元組範圍排序(sort)。對此資料檔案之連續順序讀取操作將不需要在磁帶上來回搜尋；應理解，若檔案仍在快取區中，則其當然可自快取區伺服而根本無需轉至磁帶機系統。

第六快取優先權類別(亦被稱作類別6)可使快取管理功能在設定資料檔案快取類別時，直接將資料檔案置放至快取記憶體之第一區域中，而無關於是否存取資料檔案，且在已歷時可組態時間間隔時，自快取記憶體逐出資料檔案。此情況允許防止檔案在快取記憶體之第一(FIFO)區域或第二(LRU)區域中無限滯留。可由使用者或應用程式組態最大時間間隔，其為檔案在快取區中之最大滯留時間。應理解，若使用者及應用程式皆未界定此最大時間，則可由快取管理功能選擇檔案在快取區中之預設最大滯留時間。最大滯留時間允許調節儲存於快取記憶體中之資料的量。特定而言，可逐出舊資料。

另外，使用者或應用程式可經由預定義延伸屬性來重設快取優先權類別。在接收到重設之快取優先權類別後，檔案將在保證其在磁帶上之滯留後自快取區移除。再次言之，此舉允許管理儲存於快取記憶體上之資料檔案的量。

為了改良對一般使用案例之支援，可由使用者或應用程式隨時間而改變給定檔案之快取優先權類別。舉例而言，當將檔案寫入至所揭示之新穎磁帶設備系統時，檔案被指派類別1，從而保證檔案將被寫入至FIFO快取區。此舉有利地消除在使用者寫入程序期間對磁帶定位之需要。

根據類別1原則，將直接將資料檔案寫入至磁帶，且一旦完成此操作，則將檔案自FIFO快取區捨棄。現在，若使用者或應用程式想要順序地讀取檔案，則在執行讀取命令之前，使用者或應用程式經由預定義延伸屬性將類別3指派給資料檔案。隨後磁帶設備將辨識新類別指派且藉由檢查檔案是否處於FIFO或LRU快取區中來處理檔案。若檔案處於快取記憶體之FIFO或LRU區域中，則可保證直至檔案已被讀取一次方移除檔案，而若檔案不處於快取記憶體之FIFO或LRU區域中，則將檔案自磁帶讀取至FIFO快取區。因為在讀取命令由應用程式或使用者發送之前檔案已處於FIFO讀取區中，所以此處理有利地保證快速讀取存取。此外，藉由將大檔案自磁帶機系統預先提取至快取記憶體中，即使在使用者請求整個檔案之前，此舉亦允許在每一次使用者讀取時使磁帶機系統儘可能短時間地保持忙碌，藉此使磁帶機系統空閒且允許其他使用者/應用程式使用磁帶機系統。

應理解，在磁帶設備之正常操作期間，例如，取決於磁帶機系統伺服器之工作負載，快取優先權類別之更多組合係有可能的。

藉由將備份資料首先寫入至快取記憶體，寫入程序自身至少由於以下原因而有利地變短。快取記憶體之搜尋時間為大約幾毫秒，而需要達到磁帶機系統之磁帶的結尾且開始寫入之搜尋時間為大約數十秒。此外，快取記憶體通常提供比磁帶優異之頻寬。舉例而言，快取記憶體硬碟具有較大頻寬。另外，具有較短寫入時間(備份窗口)降低備份完成之前遠端系統出現故障之可能性。磁帶機系統伺服器中具有快取記憶體之另一優勢在於可將磁帶機系統之備份後設資料儲存於其上。因此，此舉避免使用者或應用程式在僅想要查詢備份時需要轉至磁帶。

即使在待復原之資料尚未存在於快取區中之情況下，亦可將復原程序加速：實際上，系統可預先提取屬於同一備份且具有同一備份版本或時戳或屬於同一目錄之資料。隨後可自快取記憶體有效地擷取該等檔案。在使用增量區塊層級備份(與檔案層級相反)之情況下，可在磁帶機系統之磁帶上一次在快取區中重新建構多個檔案；在此情況下，區塊通常將交錯於磁帶上。

作為另一優勢，並行寫入許多檔案不會致使檔案交錯於磁帶上：實際上，首先將寫入內容吸收於快取記憶體上，隨後，當其老化移出快取記憶體時將其整體寫入至磁帶。換言之，與資料檔案相關聯之屬性由快取管理功能使用來最佳化由多個使用者並行進行之同作資料寫入及/或讀取。

若待儲存之一些大資料檔案與較小檔案相關聯，而每一小檔案含有大檔案之內容之縮圖或低解析度版本，則快取管理功能將小檔案置放於快取區中以便快速存取。

快取記憶體可包含諸如磁帶媒體之一或多個儲存器件。通常使用LTFS檔案系統來管理檔案系統介面。應理解，可使用另一檔案系統。LTFS檔案系統介面在伺服器102中執行，磁帶媒體櫃及快取記憶體兩者直接附接至該伺服器102。快取記憶體用作LTFS檔案系統之快取區，從而有利地提供對儲存於儲存構件上之資料的快速隨機存取。應理解，當以下文本將HDD用作快取記憶體時，可使用任何其他儲存媒體。

在實施例中，快取記憶體之HDD可由磁帶機系統伺服器用作原始器件，亦即，不具有檔案系統(諸如，ext3)。在此情況下，快取區將為區塊層級快取區(與檔案層級快取區相反)或LTFS將需要實施HDD之檔案儲存功能性。

可將快取管理功能實施為在磁帶機系統伺服器102上執行且由伺服器執行之電腦程式。舉例而言，且參看圖2，可在經調適以用於管理磁帶機系統104之LTFS軟體的LTFS程式碼內實施快取管理功能。

較佳地，實施快取管理功能之電腦程式為使用者空間程式組件。有利地，由於使用者空間軟體組件(與內核空間軟體組件相反)實現低實施複雜度，因此此情況允許改良便攜性。

在實施例中，可將快取管理功能及所有快取功能性作為外部模組實施於LTFS外部。藉此未來可用任何其他磁帶檔案系統來替換LTFS。應理解，外部模組將需要與磁帶機系統伺服器之作業系統及磁帶檔案系統兩者介接。

22‧‧‧檔案系統介面LTFS

23‧‧‧介面

24‧‧‧介面

25‧‧‧介面

26‧‧‧介面

27‧‧‧介面

40‧‧‧第一區域/FIFO(先進先出)區域

42‧‧‧第二區域/LRU(最近最少使用)區域

100‧‧‧磁帶設備系統

102‧‧‧磁帶機系統伺服器

104‧‧‧磁帶機系統

106‧‧‧非揮發性記憶體/快取記憶體/HDD快取區/HDD

110‧‧‧使用者/應用程式/遠端系統

120‧‧‧使用者/用戶端/遠端系統

130‧‧‧網路

1000‧‧‧電腦處理單元(CPU)

1002‧‧‧主記憶體

1004‧‧‧匯流排

1006‧‧‧顯示控制器

1008‧‧‧LCD監視器

1010‧‧‧鍵盤/滑鼠控制器

1012‧‧‧鍵盤

1013‧‧‧網路介面

1014‧‧‧滑鼠

1016‧‧‧通信控制器

1018‧‧‧器件控制器

1020‧‧‧DVD

圖1為根據本發明之由其他系統遠端存取之磁帶設備系統的架構圖的實例；圖2為圖1所描繪之磁帶設備系統之資料路徑圖的一實例；圖3為圖1所描繪之磁帶設備系統之資料路徑圖的另一實例；及圖4為圖1至圖3所描繪之磁帶設備系統之快取的實例。