存储数据的方法、装置和计算机程序产品与流程

本公开的实施例总体涉及数据存储领域，具体涉及用于存储数据的方法、装置和计算机程序产品。

背景技术：

在现代存储系统中，数据通常跨多个存储设备而被存储。在此情况下，为了保证数据不被丢失，通常需要采用以下两类存储方案。一类方案是将数据的多个副本存储在不同的存储设备中。这样，当某个存储设备发生故障时，其他存储设备上存储的数据副本仍然可用。该方案的缺点在于所需的存储开销较大。另一类方案是针对数据生成额外的纠删码，并且将数据和纠删码一起存储在多个存储设备中。当某个存储设备发生故障时，该存储设备中的数据可以通过其他存储设备中存储的数据和/或纠删码而被恢复。该方案的缺点在于数据恢复的过程通常会消耗较长时间，因此并非所有丢失数据都能够被立刻恢复。在某些情况下，该方案可能导致较长时间和较大范围的数据不可用问题。

技术实现要素：

本公开的实施例提供了用于存储数据的方法、装置和计算机程序产品。

在本公开的第一方面，提供了一种用于存储数据的方法。该方法包括：将待存储的数据划分成第一数目的数据段；基于第一数目的数据段来生成第二数目的编码段，使得第一数目的数据段中的至少部分数据段能够从第一数目的数据段中的剩余数据段和第二数目的编码段导出；针对第一数目的数据段中的每个数据段，生成与该数据段相同的复制数据段；以及将第一数目的数据段、第一数目的复制数据段和第二数目的编码段存储在多个存储设备中。

在本公开的第二方面，提供了一种用于存储数据的装置。该装置包括至少一个处理单元和至少一个存储器。至少一个存储器被耦合到至少一个处理单元并且存储用于由至少一个处理单元执行的指令。该指令当由至少一个处理单元执行时使得装置执行动作，该动作包括：将待存储的数据划分成第一数目的数据段；基于第一数目的数据段来生成第二数目的编码段，使得第一数目的数据段中的至少部分数据段能够从第一数目的数据段中的剩余数据段和第二数目的编码段导出；针对第一数目的数据段中的每个数据段，生成与该数据段相同的复制数据段；以及将第一数目的数据段、第一数目的复制数据段和第二数目的编码段存储在多个存储设备中。

在本公开的第三方面，提供了一种计算机程序产品。该计算机程序产品被有形地存储在非瞬态计算机存储介质中并且包括机器可执行指令。该机器可执行指令在由设备执行时使该设备执行根据本公开的第一方面所描述的方法的任意步骤。

提供发明内容部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本公开的关键特征或必要特征，也无意限制本公开的范围。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了用于存储数据的传统方案的示意图；

图2示出了用于存储数据的另一传统方案的示意图；

图3示出了本公开的实施例能够在其中被实施的示例环境的示意图；

图4示出了根据本公开的实施例的用于存储数据的示例方法的流程图；

图5示出了根据本公开的实施例的数据存储方案的示意图；

图6a至6c示出了根据本公开的实施例的数据存储方案的各种故障场景；以及

图7示出了可以用来实施本公开内容的实施例的示例设备的示意性框图。

在各个附图中，相同或对应的标号表示相同或对应的部分。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施例。虽然附图中显示了本公开的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。

如上所述，在现代存储系统中，数据通常跨多个存储设备而被存储。在此情况下，为了保证数据不被丢失，通常需要采用以下两类存储方案。

一类方案是将数据的多个副本存储在不同的存储设备中。例如，图1示出了这种传统方案的示意图。如图1所示，数据110的三个相同的拷贝110-1、110-2和110-3被分别存储在三个不同的存储设备121、122和123中。当三个存储设备121、122和123中的任一存储设备(例如，存储设备121)发生故障时，存储设备122和123上的数据拷贝110-2和110-3仍然可用。当三个存储设备121、122和123中的任两个存储设备(例如，存储设备121和122)发生故障时，存储设备123上的数据拷贝110-3仍然可用。

可以看出，如图1所示的存储方案至多能够容忍两个存储设备发生故障。然而，该方案的缺点在于所需的存储开销较大。例如，当要存储的数据量为128mb时，实际占用的存储空间将为384mb。

另一类方案是针对数据生成额外的纠删码，并且将数据和纠删码一起存储在多个存储设备中。例如，图2示出了这种传统方案的示意图。如图2所示，数据210例如被划分为12个数据段210-1、210-2……210-12。此外，针对数据210还创建有4个额外的编码段210-13、210-14……210-16，以保证当分段210-1、210-2……210-16中至多4个分段被丢失(例如，由于存储设备的故障)时能够从剩余分段中恢复所丢失的数据。也即，只要分段210-1、210-2……210-16中存在12个可用的分段，则丢失的分段都能够基于剩余的可用分段而被恢复。

可以看出，如图2所示的存储方案至多能够容忍一个存储设备或四个分段发生故障。当要存储的数据量为128mb时，实际占用的存储空间将为128×4/3mb，其明显低于如图1所示的存储方案。然而，该方案的缺点在于数据恢复的过程通常会消耗较长时间，因此并非所有丢失数据都能够被立刻恢复。在某些情况下，该方案可能导致较长时间和较大范围的数据不可用问题。

本公开的实施例提出了一种用于存储数据的方案，以解决上述问题和其他潜在问题中的一个或多个。该方案在如图2所示的方案的基础上额外地存储了一份数据的副本，从而能够在保证数据高可用性的同时降低保护数据所需的额外开销。

图3示出了本公开的实施例能够在其中被实现的示例环境100的框图。如图3所示，环境300包括主机310、存储管理器320以及多个存储设备330-1、330-2……330-n(统称为或者单独称为“存储设备330”，其中n>1)。应当理解，仅出于示例性的目的描述环境300的结构，而不暗示对于本公开的范围的任何限制。例如，本公开的实施例还可以被应用到与环境300不同的环境中。

主机310可以例如是运行用户应用的任何物理计算机、虚拟机、服务器等等。主机310可以向存储管理器320发送输入/输出(i/o)请求，例如用于从存储设备330读取所存储的数据和/或向存储设备330写入待存储的数据等。响应于接收到来自主机310的读请求，存储管理器320可以从存储设备330读取所存储的数据，并且将所读取的数据返回给主机310。响应于接收到来自主机310的写请求，存储管理器320可以向存储设备330写入待存储的数据。存储设备330可以是任何目前已知或者将来开发的非易失性存储介质，例如磁盘、固态盘(ssd)或磁盘阵列等。

图4示意性示出了根据本公开的实施例的用于存储数据的示例方法400的流程图。例如，方法400可以由如图3所示的存储管理器320来执行。应当理解，方法400还可以包括未示出的附加动作和/或可以省略所示出的动作，本公开的范围在此方面不受限制。

在框410处，存储管理器320将待存储的数据划分成第一数目的数据段。在一些实施例中，存储管理器320可以将待存储的数据划分成大小相同的多个数据段。备选地，在另一些实施例中，存储管理器320也可以将待存储的数据划分成大小不同的多个数据段。

图5示出了根据本公开的实施例的数据存储方案的示意图。例如，如图5所示，存储管理器320将待存储的数据510划分为12个数据段510-1、510-2……510-12(由未填充的方框所示)。应当理解，在此所示的12个数据段仅作为上述“第一数目”的示例，而不暗示对本公开范围的任何限制。在实践中，所划分的数据段的数目也可以是其他数值(例如，16、20等)。

在框420处，存储管理器320基于第一数目的数据段来生成第二数目的编码段，使得第一数目的数据段中的至少部分数据段能够从第一数目的数据段中的剩余数据段和第二数目的编码段导出。在一些实施例中，至少部分数据段的数目不超过第二数目。

存储管理器320可以利用任何已知或将来开发的方法或技术来生成第二数目的编码段。此外，当第一数目的数据段中的至少部分数据段由于存储设备的故障而不可用时，存储管理器320可以利用与生成第二数目的编码段类似的方法和技术来从剩余可用的分段(包括数据段和编码段)中导出不可用的分段。

如图5所示，存储管理器320基于12个数据段510-1、510-2……510-12(由未填充的方框所示)生成了4个编码段510-13、510-14……510-16，以保证当分段510-1、510-2……510-16(由未填充的方框所示)中至多4个分段被丢失时能够从剩余分段中恢复所丢失的数据。也即，只要分段510-1、510-2……510-16(由未填充的方框所示)中存在12个可用的分段，则丢失的数据都能够被恢复。应当理解，在此所示的4个编码段仅作为上述“第二数目”的示例，而不暗示对本公开范围的任何限制。在实践中，所生成的编码段的数目也可以是其他数值。

在框430处，存储管理器320针对第一数目的数据段中的每个数据段，生成与该数据段相同的复制数据段。

如图5所示，存储管理器320针对12个数据段510-1、510-2……510-12中的每个数据段生成了一个对应的复制数据段。出于说明的目的，在图5中，复制数据段的标号与所对应的原数据段的标号相同，但是原数据段由未填充的方框表示，而复制数据段由经填充的方框表示。也即，存储管理器320可以针对12个数据段生成了12个对应的复制数据段。

在框440处，存储管理器320将第一数目的数据段、第一数目的复制数据段和第二数目的编码段存储在多个存储设备330中。

在一些实施例中，第一数目的数据段可以包括第一数据段，第一数目的复制数据段包括与第一数据段相对应的第一复制数据段，存储管理器320可以将第一数据段和第一复制数据段分别存储在不同的存储设备中。

如图5所示，数据段510-1(由未填充的方框所示)被存储在存储设备330-1中，而与其对应的复制数据段510-1(由经填充的方框所示)被存储在存储设备330-2中。又如，数据段510-5(由未填充的方框所示)被存储在存储设备330-2中，而与其对应的复制数据段510-5(由经填充的方框所示)被存储在存储设备330-3中。

以此方式，本公开的实施例能够保证当多个存储设备中的任一个存储设备发生故障时，由于其他存储设备上存储有该故障存储设备中的数据的副本，因此无须执行任何数据恢复操作就能够向主机310供应数据。

附加地或者备选地，在一些实施例中，存储管理器320可以将第一数目的数据段、第一数目的复制数据段和第二数目的编码段中的至少一部分存储在多个存储设备中的预定数目个存储设备中，使得在预定数目个存储设备中存储的数据段和复制数据段的对数不超过所述第二数目。在一些实施例中，上述预定数目为2。附加地或备选地，在其他实施例中，上述预定数目也可以为其他数值(例如，大于2)。

如图5所示，在存储设备330-1和330-2中存储的数据段和复制数据段的对数为4(即，数据段510-1和复制数据段510-1、数据段510-2和复制数据段510-2、数据段510-3和复制数据段510-3以及数据段510-4和复制数据段510-4)，其不超过编码段的数目(也即，第二数目)。又如，在存储设备330-2和330-3中存储的数据段和复制数据段的对数为4(即，数据段510-5和复制数据段510-5、数据段510-6和复制数据段510-6、数据段510-7和复制数据段510-7以及数据段510-8和复制数据段510-8)，其不超过编码段的数目(也即，第二数目)。

以此方式，本公开的实施例能够保证当多个存储设备中的预定数目个存储设备发生故障时，至多第二数目个分段被丢失，而被丢失的数据能够通过剩余的分段被恢复。

以下将进一步结合图6a至6c详细讨论如图5所示的数据存储方案的各种故障场景。

图6a示出了仅一个存储设备发生故障的场景。例如，发生故障的存储设备是330-1。如图6a所示，由于存储设备330-2～330-4上的分段510-5～510-16仍然可用，且存储设备330-2上存储有复制数据段510-1～510-4，因此没有任何数据段丢失。也即，无须执行任何数据恢复操作就能够向主机310供应数据。如果发生故障的存储设备是330-2或330-2，也是类似的情况。如果发生故障的存储设备是330-4，由于存储设备330-1～330-3上的数据段510-1～510-12仍然可用，因此在向主机310供应数据之前也无须执行任何数据恢复操作。

图6b示出了两个存储设备发生故障的场景。例如，发生故障的存储设备是330-1和330-2。如图6b所示，存储设备330-3～330-4上的分段510-5～510-16仍然可用，也即丢失的分段为510-1～510-4。然而，由于仍然存在12个可用的分段，因此丢失的数据段510-1～510-4能够通过数据恢复操作从剩余12个可用分段(即，分段510-5～510-16)导出。因此，在这种情况下也不会导致数据完全丢失的问题。此外，由于丢失的数据段较少，因此数据恢复操作能够较快完成，而不会导致长时间的数据不可用问题。如果发生故障的存储设备是330-2和330-3、或者330-3和330-1，也是类似的情况。

图6b示出了两个存储设备发生故障的场景，其中发生故障的存储设备包括用于存储编码段的存储设备330-4。例如，在图6c所示的示例中，发生故障的存储设备是330-1和330-4。如图6c所示，存储设备330-2～330-3上的数据段510-1～510-12仍然可用，仅编码段510-13～510-16丢失。也即，在这种情况下，不存在任何丢失的数据段，因此无须执行任何数据恢复操作就能够向主机310供应数据。如果发生故障的存储设备是330-2和330-4、或者330-3和330-4，也是类似的情况。

从以上描述能够看出，在如图5至图6c所示的示例中，如果两个存储设备发生故障，将不会导致数据完全丢失的问题，该性能与如图1所示的传统方案相同。然而，在如图5至图6c所示的示例中，如果待存储的数据为128mb，则实际占用的存储空间将为128×7/3mb，其远远低于如图1所示的存储方案。另一方面，在如图5至图6c所示的示例中，当发生故障时，存在50％的概率无须执行任何数据恢复操作。也即，相对于如图2所示的存储方案而言，本公开的实施例具有更高的数据可用性。因此，相对于如图1和图2所示的传统方案而言，本公开的实施例能够在保证数据高可用性的同时降低保护数据所需的额外开销。

尽管在如图5至图6c所示的示例中，针对待存储的数据所划分的数据段的数目(也即，第一数目)为12，而使用的编码段的数目(也即，第二数目)为4，应当理解，这仅仅用于示例的目的，而不用于限制本公开的范围。本公开的实施例可以被容易得扩展到与如图5至图6c所示的示例不同的存储方案中。

在上文中已经参考图3至图6c详细描述了根据本公开的方法的示例实现，在下文中将描述相应的装置的实现。

在一些实施例中，提供了一种用于存储数据的装置。该装置包括：分段模块，被配置为将待存储的数据划分成第一数目的数据段；生成模块，被配置为基于第一数目的数据段来生成第二数目的编码段，使得第一数目的数据段中的至少部分数据段能够从第一数目的数据段中的剩余数据段和第二数目的编码段导出；复制模块，被配置为针对第一数目的数据段中的每个数据段，生成与该数据段相同的复制数据段；以及存储模块，被配置为将第一数目的数据段、第一数目的复制数据段和第二数目的编码段存储在多个存储设备中。

在一些实施例中，至少部分数据段的数目不超过第二数目。

在一些实施例中，第一数目的数据段包括第一数据段，并且第一数目的复制数据段包括与第一数据段相对应的第一复制数据段。存储模块还被配置为：将第一数据段存储在多个存储设备中的第一存储设备中；以及将第一复制数据段存储在多个存储设备中不同于第一存储设备的第二存储设备中。

在一些实施例中，存储模块还被配置为：将第一数目的数据段、第一数目的复制数据段和第二数目的编码段中的至少一部分存储在多个存储设备中的预定数目的存储设备中，使得在预定数目的存储设备中存储的数据段和复制数据段的对数不超过第二数目。

在一些实施例中，预定数目为二。

图7示出了可以用来实施本公开内容的实施例的示例设备700的示意性框图。例如，如图3所示的存储管理器320可以由设备700实施。如图7所示，设备700包括中央处理单元(cpu)701，其可以根据存储在只读存储器(rom)702中的计算机程序指令或者从存储单元708加载到随机访问存储器(ram)703中的计算机程序指令，来执行各种适当的动作和处理。在ram703中，还可存储设备700操作所需的各种程序和数据。cpu701、rom702以及ram703通过总线704彼此相连。输入/输出(i/o)接口705也连接至总线704。

设备700中的多个部件连接至i/o接口705，包括：输入单元706，例如键盘、鼠标等；输出单元707，例如各种类型的显示器、扬声器等；存储单元708，例如磁盘、光盘等；以及通信单元709，例如网卡、调制解调器、无线通信收发机等。通信单元709允许设备700通过诸如因特网的计算机网络和/或各种电信网络与其他设备交换信息/数据。

上文所描述的各个过程和处理，例如方法400，可由处理单元701执行。例如，在一些实施例中，方法400可被实现为计算机软件程序，其被有形地包含于机器可读介质，例如存储单元708。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由rom702和/或通信单元709而被载入和/或安装到设备700上。当计算机程序被加载到ram703并由cpu701执行时，可以执行上文描述的方法400的一个或多个动作。

本公开可以是方法、装置、系统和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于执行本公开的各个方面的计算机可读程序指令。

计算机可读存储介质可以是可以保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦式可编程只读存储器(eprom或闪存)、静态随机存取存储器(sram)、便携式压缩盘只读存储器(cd-rom)、数字多功能盘(dvd)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。这里所使用的计算机可读存储介质不被解释为瞬时信号本身，诸如无线电波或者其他自由传播的电磁波、通过波导或其他传输媒介传播的电磁波(例如，通过光纤电缆的光脉冲)、或者通过电线传输的电信号。

这里所描述的计算机可读程序指令可以从计算机可读存储介质下载到各个计算/处理设备，或者通过网络、例如因特网、局域网、广域网和/或无线网下载到外部计算机或外部存储设备。网络可以包括铜传输电缆、光纤传输、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理设备中的网络适配卡或者网络接口从网络接收计算机可读程序指令，并转发该计算机可读程序指令，以供存储在各个计算/处理设备中的计算机可读存储介质中。

用于执行本公开操作的计算机程序指令可以是汇编指令、指令集架构(isa)指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据、或者以一种或多种编程语言的任意组合编写的源代码或目标代码，所述编程语言包括面向对象的编程语言—诸如smalltalk、c++等，以及常规的过程式编程语言—诸如“c”语言或类似的编程语言。计算机可读程序指令可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络—包括局域网(lan)或广域网(wan)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。在一些实施例中，通过利用计算机可读程序指令的状态信息来个性化定制电子电路，例如可编程逻辑电路、现场可编程门阵列(fpga)或可编程逻辑阵列(pla)，该电子电路可以执行计算机可读程序指令，从而实现本公开的各个方面。

这里参照根据本公开实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图描述了本公开的各个方面。应当理解，流程图和/或框图的每个方框以及流程图和/或框图中各方框的组合，都可以由计算机可读程序指令实现。

这些计算机可读程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其它可编程数据处理装置的处理单元，从而生产出一种机器，使得这些指令在通过计算机或其它可编程数据处理装置的处理单元执行时，产生了实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的装置。也可以把这些计算机可读程序指令存储在计算机可读存储介质中，这些指令使得计算机、可编程数据处理装置和/或其他设备以特定方式工作，从而，存储有指令的计算机可读介质则包括一个制造品，其包括实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的各个方面的指令。

也可以把计算机可读程序指令加载到计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备上，使得在计算机、其它可编程数据处理装置或其它设备上执行一系列操作步骤，以产生计算机实现的过程，从而使得在计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备上执行的指令实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作。

附图中的流程图和框图显示了根据本公开的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或指令的一部分，所述模块、程序段或指令的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。