一种基于hdd和ssd的混合存储备份方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种基于HDD和SSD的混合存储备份方法及系统，应用于计算机应用【技术领域】，上述方法包括以下步骤：单个或多个HDD的线性地址空间被划分成若干等份；其中，所述每一等份包括数据段和空闲段；若写请求到达时，所述HDD按照预设策略将数据写入对应的数据段中。通过实施本发明的技术方案，能够用HDD及时地备份SSD上的数据，该混合结构实现了一种低价格、高性能的可靠存储系统数据备份。
【专利说明】—种基于HDD和SSD的混合存储备份方法及系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及计算机应用【技术领域】，尤其涉及一种基于HDD和SSD的混合存储备份方法及系统。
【背景技术】
[0002]近年来，基于闪存的固态盘(SSD)因其优越的性能已受到广泛的关注和使用在当前的存储系统备份中，但是，由于寿命有限，SSD的可靠性备受质疑；HDD阵列(RAID)是一种传统的用来提高可靠性的手段，但并不适用于SSD。首先，RAID机制需要额外的存储空间保存校验信息，然而配备额外的SSD存储校验信息会显著增加系统成本；其次，传统的RAID机制倾向于在各盘之间均衡地分布写请求，在基于SSD的RAID中，这种做法导致各SSD的寿命均匀地损耗，当某一 SSD由于寿命耗尽而出现故障时，其他的SSD也达到寿命极限，从而可能出现多盘故障，引发数据丢失。
[0003]在现阶段，传统RAID机制主存储系统备份和SSD在读写方面主要存在以下3个方面的问题:
[0004]1、在基于SSD的RAID中，因为同一类型的SSD寿命基本上一致，各SSD的寿命均匀地损耗，当某一 SSD由于寿命耗尽而出现故障时，其他的SSD也达到寿命极限，从而可能出现多盘故障，引发数据丢失。
[0005]2、RAID机制需要额外的存储空间保存校验信息，相比于HDD，SSD价格依然昂贵，配备额外的SSD存储校验信息会显著增加系统成本。
[0006]3、传统的HDD在读写速度上无法满足用户的需求，现在的SSD高速的特性的混合使用在性能上总是存在一些欠缺。
【发明内容】
[0007]本发明提供一种基于HDD和SSD的混合存储备份方法及系统，以解决上述问题。
[0008]本发明提供一种基于HDD和SSD的混合存储备份方法。上述方法包括以下步骤:
[0009]单个或多个HDD的线性地址空间被划分成若干等份；其中，所述每一等份包括数据段和空闲段；
[0010]若写请求到达时，所述HDD按照预设策略将数据写入对应的数据段中。
[0011]本发明还提供一种基于HDD和SSD的混合存储备份系统，包括:一个或多个HDD，一个或多个SSD,主机端；
[0012]所述主机端发出的读请求仅由SSD响应，写请求由SSD和备份模块同时响应；其中，备份模块中含有非易失内存和HDD，非易失内存用来桥接HDD与SSD的延迟差距；
[0013]所述HDD按照预设策略将数据写入对应的数据段中。
[0014]通过实施本发明的技术方案，能够用HDD及时地备份SSD上的数据，该混合结构实现了一种低价格、高性能的可靠存储系统数据备份；本发明采用非易失内存桥接HDD和SSD之间的速度差距，大大提高了存储系统备份对用户的读写请求的响应速度和性能要求；本发明还采用了一种I/O重组策略，该策略可以增强HDD内部操作的顺序性，使HDD尽可能的顺序读写，增强HDD的写性能；另外，本发明为了降低单块SSD上出现的突发写请求的情况，采用多块HDD备份多块SSD，保证某一 SSD上的突发写数据能够及时分散备份到多个HDD中，实现了一种低价格、高性能的可靠存储系统备份。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
[0016]图1所示为本发明的实施例1的混合存储系统备份机制的总体架构示意图；
[0017]图2所示为本发明的实施例2的HDD内的I/O重组示意图；
[0018]图3所示为本发明的实施例3的多块HDD协同备份架构示意图；
[0019]图4所示为本发明的实施例4的基于HDD和SSD的混合存储备份方法处理流程图。
【具体实施方式】
[0020]下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0021]本发明提供了一种基于HDD和SSD的混合存储备份方法，包括以下步骤:
[0022]单个或多个HDD的线性地址空间被划分成若干等份；其中，所述每一等份包括数据段和空闲段；
[0023]若写请求到达时，所述HDD按照预设策略将数据写入对应的数据段中。
[0024]其中，若写请求到达时，所述HDD按照预设策略将数据写入对应的数据段中的过程为:若单个HDD备份单个SSD并且写请求到达时，所述HDD将数据写入对应的数据段中；其中，所述SSD地址与所述HDD上数据段的地址——对应。
[0025]其中，若写请求到达时，所述HDD按照预设策略将数据写入对应的数据段中的过程为:若单个HDD备份单个SSD并且写请求到达时，若数据不能写到相应的数据段中，则将数据写到离磁头最近的空闲段上；
[0026]所述HDD空闲时将数据从所述空闲段上读到非易失内存中；
[0027]所述HDD将非易失内存中的数据最终写到相应的数据段内。
[0028]其中，所述非易失内存包括一个映射表，其中，所述映射表记录了所述数据写入的目的空闲段。
[0029]其中，若客户端发出多个写请求并且目标为不同的数据段，则将所述多个写请求合并，写到离磁头最近的同一空闲段中。
[0030]其中，对于一个特定的线程，它在一段时间内发出多个写请求，这些数据被写到同一空闲段内，或者被写到相邻的几个空闲段内。
[0031]其中，将几个连续空闲段中的数据读到内存，在内存中找出某个特定线程的多个写请求，并将这些请求恢复成一个长序列。
[0032]其中，若为3个写请求:请求1、请求2、请求3 ;其中，请求I和请求3属于同一连续序列，但被请求2中断了，则3个请求都被写到同一空闲段中，当所述空闲段中的数据被读到内存时，请求I和请求3的顺序性得到恢复，将内存中的数据写回HDD时，将多个写请求合并成一个长序列。
[0033]其中，按照HDD和SSD的容量大小来选择HDD数量；
[0034]所述HDD按照SSD的数量将自己的空间划分成若干等份，分别提供给每块SSD ；SSD按照HDD的数量将自己的数据划分成若干等份，分别备份到每块HDD上。
[0035]图1所示为本发明的实施例1的混合存储系统备份机制的总体架构示意图，如图1所示，用一块HDD备份一块SSD,主机端发出的读请求仅由SSD响应，写请求由SSD和备份模块同时响应；备份模块中含有一片非易失内存和HDD，非易失内存用来桥接HDD与SSD的延迟差距；在HDD内部，提出了一种I/O重组策略(详见实施例2的描述)来增强操作的顺序性，使数据能够及时备份到HDD。
[0036]图2所示为本发明的实施例2的HDD内的I/O重组示意图，单块HDD内的I/O调度机制如图2所示:在图2(a)中，HDD的线性地址空间被划分成许多段，其中，标记为D的为数据段，标记为F的为空闲段，数据段和空闲段在线性空间上交替排列，每两个数据段后面有一空闲段(实际系统中，数十个数据段后面才有一个空闲段)，SSD的数据备份在数据段上，空闲段则用来暂时保存数据。该机制的设计有两个特征:1)数据段与空闲段规则地分布在HDD地址空间上，数据段用来备份SSD的数据，数据段组成的地址空间与SSD的地址空间一一对应，且这种对应关系可以直接计算出来，无需额外的地址映射表；2)该机制中，HDD任意位置附近都存在一个空闲，当写请求到达时，无论磁头处于线性地址空间的何处，附近都存在一个空闲段，数据能够及时地写到该空闲段中，任何写请求都可以不用调度磁头而顺序地完成。
[0037]图2(b)介绍了这种顺序写请求产生的策略，一个写请求本应写到D1，但磁头现在正处于D2位置，为了避免磁头调度，数据不直接写到Dl中，相反，我们找到离磁头最近的空闲段F3，将数据写入其中，这样，数据段Dl的数据被写入空闲段F3中，需要维护一张表记录这种对应关系；空闲段只是临时的保存用户数据，当HDD空闲时用户数据被转移到数据段上，以上举例说明的HDD内I/O重组过程可归纳为3个步骤:①写请求到达时将数据写到离磁头最近的空闲段上HDD空闲时将数据从空闲段上读到非易失内存中；③将非易失内存中的数据最终写到相应的数据段内，这3个步骤涉及的I/O操作都是顺序的。本实施例中关于HDD内的I/O重组策略主要通过两种手段实现顺序化:首先是减少磁头的调度；其次是将多个短请求合并成一个长请求，实现步骤为:(1)如果数据能够写到相应的数据段中，由于SSD地址与HDD上数据段的地址一一对应，不需要映射表来记录这种对应关系；相反，如果数据不能写到相应的数据段中，则需要写到离磁头最近的空闲段中，此时，需要一个映射表来记录这些数据写到哪些空闲段中(该映射表保存在非易失内存中):写请求到达时，数据被写到离磁头最近的空闲段上，避免了一次磁头调度，客户端往往在短时间内发出多个写请求，如果将这些写请求打包成一个长请求，写到同一个空闲段中，可以有效减少写操作的数目，增强写操作的顺序性。如图2(c)所示，客户端发出两个写请求，请求I和请求2，他们的目标为不同的数据段，此时磁头处于D2位置，本策略将这两个写请求合并，写到空闲段F3 (离磁头最近的空闲段)中，每个段的容量较大(在本发明中设定为2MB)，这样，数十个用户写请求可以打包成一个长请求写到同一空闲段中；(2)将空闲段中的数据读到内存:多个用户请求合并写到同一空闲段中之后，可以通过一次读操作将这些数据全部读出，减少了读操作的次数；另外，相邻的数个空闲段也可被一同读出，这样可以进一步减少磁头调度的概率，例如:3个相邻的空闲段F1，F2，F3被同时读出，由于这些空闲段顺序地分布在HDD空间上，磁头调度可以避免；(3)将内存中的数据写回HDD:多个连续空闲段中的数据被同时读到内存，这些数据最终会写到各自的数据段中，这些数据可以顺序写到HDD中；对于一个特定的线程，它在一段时间内可能发出多个写请求，这些数据被写到同一空闲段内，或者被写到相邻的几个空闲段内。
[0038]上述步骤中，将几个连续空闲段中的数据读到内存，在内存中可以找出某个特定线程的多个写请求，并将这些请求恢复成一个长序列，图2 (d)举例说明了这个过程，3个写请求,请求I,请求2和请求3，其中请求I和请求3属于同一连续序列，但被请求2中断了，3个请求都被写到空闲段F3中，当F3中的数据被读到内存时，请求I和请求3的顺序性得到恢复，所以将内存中的数据写回HDD时，可将多个写请求合并成一个长序列，减少写操作。
[0039]本发明实施例设计的一种多块HDD之间的协作机制按照HDD和SSD的容量大小来选择HDD数量，任意HDD按照SSD的数量将自己的空间划分成若干等份，分别提供给每块SSD ；SSD按照HDD的数量将自己的数据划分成若干等份，分别备份到每块HDD上，该机制可将特定SSD上的突发写请求分散到多块HDD上，从而有效抑制单一 HDD上的负载峰值。
[0040]单块HDD内部的写优化策略存在单块HDD的空间远大于单块SSD，导致HDD空间的浪费；以及HDD和SSD之间存在性能差距，如果上层主机发出大量的突发写请求，HDD不能及时处理这些数据，导致大量数据累积在内存中，如果内存压力过大，SSD必须停止响应用户的写请求，为了解决这一问题，本发明实施例设计了一种多块HDD之间的协作机制，如图3所示，2块HDD为3块SSD提供备份，每块HDD被分成3个部分，分别备份3块SSD上的数据，每一部分将地址空间划分成数据段和空闲段，数据段为特定的SSD提供备份，如图3中，标记为Dl的数据段仅供SSDl使用，标记为D2的数据段仅供SSD2使用，而空闲段为所有SSD共享，这样，无论磁头处于什么位置，针对任意SSD的写请求都可及时地备份到磁头附近的空闲段中，本发明实施例的多个HDD的协作可以从容处理针对某个SSD的突发写请求。
[0041 ] 图4所示为本发明的实施例4的基于HDD和SSD的混合存储备份方法处理流程图，包括以下步骤:
[0042]步骤401:单个或多个HDD的线性地址空间被划分成若干等份；其中，所述每一等份包括数据段和空闲段；
[0043]步骤402:若写请求到达时，所述HDD按照预设策略将数据写入对应的数据段中。
[0044]本发明还提供了一种基于HDD和SSD的混合存储备份系统，包括:一个或多个HDD, 一个或多个SSD，主机端；
[0045]所述主机端发出的读请求仅由SSD响应，写请求由SSD和备份模块同时响应；其中，备份模块中含有非易失内存和HDD，非易失内存用来桥接HDD与SSD的延迟差距；
[0046]所述HDD按照预设策略将数据写入对应的数据段中。
[0047]通过实施本发明的技术方案，能够用HDD及时地备份SSD上的数据，该混合结构实现了一种低价格、高性能的可靠存储系统数据备份；本发明采用非易失内存桥接HDD和SSD之间的速度差距，大大提高了存储系统备份对用户的读写请求的响应速度和性能要求；本发明还采用了一种I/O重组策略，该策略可以增强HDD内部操作的顺序性，使HDD尽可能的顺序读写，增强HDD的写性能；另外，本发明为了降低单块SSD上出现的突发写请求的情况，采用多块HDD备份多块SSD，保证某一 SSD上的突发写数据能够及时分散备份到多个HDD中，实现了一种低价格、高性能的可靠存储系统备份。
[0048]以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种基于HDD和SSD的混合存储备份方法，其特征在于，包括以下步骤: 单个或多个HDD的线性地址空间被划分成若干等份；其中，所述每一等份包括数据段和空闲段； 若写请求到达时，所述HDD按照预设策略将数据写入对应的数据段中。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，若写请求到达时，所述HDD按照预设策略将数据写入对应的数据段中的过程为: 若单个HDD备份单个SSD并且写请求到达时，所述HDD将数据写入对应的数据段中；其中，所述SSD地址与所述HDD上数据段的地址——对应。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，若写请求到达时，所述HDD按照预设策略将数据写入对应的数据段中的过程为: 若单个HDD备份单个SSD并且写请求到达时，若数据不能写到相应的数据段中，则将数据写到离磁头最近的空闲段上； 所述HDD空闲时将数据从所述空闲段上读到非易失内存中； 所述HDD将非易失内存中的数据最终写到相应的数据段内。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述非易失内存包括一个映射表，其中，所述映射表记录了所述数据写入的目的空闲段。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于， 若客户端发出多个写请求并且目标为不同的数据段，则将所述多个写请求合并，写到离磁头最近的同一空闲段中。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于， 对于一个特定的线程，它在一段时间内发出多个写请求，这些数据被写到同一空闲段内，或者被写到相邻的几个空闲段内。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于， 将几个连续空闲段中的数据读到内存，在内存中找出某个特定线程的多个写请求，并将这些请求恢复成一个长序列。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于， 若为3个写请求:请求1、请求2、请求3 ;其中，请求I和请求3属于同一连续序列，但被请求2中断了 ； 贝U 3个请求都被写到同一空闲段中，当所述空闲段中的数据被读到内存时，请求I和请求3的顺序性得到恢复，将内存中的数据写回HDD时，将多个写请求合并成一个长序列。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于， 按照HDD和SSD的容量大小来选择HDD数量； 所述HDD按照SSD的数量将自己的空间划分成若干等份，分别提供给每块SSD ；SSD按照HDD的数量将自己的数据划分成若干等份，分别备份到每块HDD上。
10.一种基于HDD和SSD的混合存储备份系统，其特征在于，包括:一个或多个HDD，一个或多个SSD，主机端； 所述主机端发出的读请求仅由SSD响应，写请求由SSD和备份模块同时响应；其中，备份模块中含有非易失内存和HDD，非易失内存用来桥接HDD与SSD的延迟差距； 所述HDD按照预设策略将数据写入对应的数据段中。
【文档编号】G06F3/06GK103713973SQ201410009126
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2014年1月8日 优先权日:2014年1月8日
【发明者】张砚波, 吴丙涛 申请人:浪潮(北京)电子信息产业有限公司