CN101329642A - 基于时间戳日志存储的连续数据保护和恢复方法 - Google Patents

基于时间戳日志存储的连续数据保护和恢复方法 Download PDF

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Abstract

时间戳日志存储的连续数据保护和恢复方法，属于计算机数据存储和备份方法，目的在于减少处理写操作和恢复操作的时间，提高处理的并行性。本发明包括：(1)存储空间分为源数据区和连续数据保护区；初始化哈希映射表；(2)判断用户命令，写操作顺序进行，恢复操作转步骤(4)；(3)处理写操作，采用流水线策略将拷贝操作和新写入操作并行进行，将元数据记录插到哈希映射表中；转步骤(2)；(4)处理恢复操作，在哈希映射表中查找需拷贝的原子数据块记录，采用流水线策略把对应的原子数据块写到源数据区；转步骤(2)。本发明采用时间戳日志存储的方案，在处理写操作和恢复操作时采取流水线策略，写操作处理时间和目标恢复时间更快。

Description

基于时间戳日志存储的连续数据保护和恢复方法
技术领域
本发明属于计算机数据存储和备份方法，具体涉及一种基于时间戳日志存储的连续数据保护和恢复方法。
背景技术
数据的快速增长及数据的高可用性、安全性的要求刺激了存储技术的发展，存储技术已成为IT基础架构的一个关键因素，存储网络为海量存储数据和共享数据提供了一个有效的硬件基础。面对海量数据，数据的保护和灾难恢复也越来越重要，而原有的数据保护方法，如磁带备份，存在备份窗口大、恢复时间长、实时响应差、影响正常业务等弊端，已经无法满足当前的需求。如果使用镜像技术获得多个不同时间点的备份，由此造成的容量消耗和业务性能的损失是使用者无法承受的，而且某些测试和开发工作(如数据挖掘)需要海量数据的瞬时状态，镜像技术需要相对长的完成时间，所以也不适合。在存储子***中使用快照技术，虽然可以解决大规模数据复制造成的长备份窗口问题，但是只能保存那个时间点卷上的数据状态，快照之后的卷数据不会被保存下来。连续数据保护(Continuous Data Protection，CDP)是这样一种机制，即它可以保护从某时刻开始，卷或者文件在任意此后的时刻的数据状态，也就是数据的每次改变，都会被无一遗漏记录下来。
董欢庆等在“Linux卷管理***Snapshot技术的分析与研究”(计算机工程2004年第2期)一文提出的对来自用户的写操作处理过程采用写时拷贝的方法，写时拷贝过程是：1.从源数据区中读出数据；2.将从源数据读出的数据写入数据保护区；3.将来自用户的新数据写到源数据区。这种方法严格按顺序进行，写操作处理需耗费大量时间。
发明内容
本发明提出一种时间戳日志存储的连续数据保护和恢复方法，目的在于减少处理写操作和恢复操作的时间，提高处理的并行性。
本发明的一种时间戳日志存储的连续数据保护和恢复方法，包括：
(1)初始化步骤；把存储空间划分为源数据区和连续数据保护区，需要保护的备份数据位于源数据区，连续数据保护区用于在写操作到来时，存放源数据区的原始数据，连续数据保护区的大小为存储空间的50％～75％；初始化哈希映射表；把源数据区划分为原子数据块，原子数据块大小为2K、4K、8K、16K或32K中的一种；
(2)判断用户命令步骤；判断用户命令是进行写操作还是恢复操作，写操作顺序进行；恢复操作转步骤(4)；
(3)处理写操作步骤；获取当前***时间，采用流水线策略将从源数据区向连续数据保护区拷贝原子数据块的操作和把新数据写到源数据区的操作并行进行，将元数据记录插到哈希映射表中，元数据记录包含***时间和原子数据块在源数据区和连续数据保护区的对应关系；等待用户命令，得到用户命令后，转步骤(2)；
(4)处理恢复操作步骤：将数据恢复到此前某时间点的数据状态时，在哈希映射表中查找需要从源数据区拷贝到连续数据保护区的原子数据块记录，并根据采用流水线策略把所述记录对应的原子数据块写到源数据区的扇区地址；等待用户命令，得到用户命令后，转步骤(2)。
所述的一种时间戳日志存储的连续数据保护和恢复方法，其特征在于，所述处理写操作步骤中，采用流水线策略将从源数据区向连续数据保护区拷贝原子数据块的操作和把新数据写到源数据区的操作并行进行的处理过程为：
(2.1)在来自用户的写操作将新数据写到源数区之前，读线程将原子数据块读出后挂到写数据链表上，开启后台写线程；同时进行写操作，将新数据写到源数据区；
(2.2)开启的后台写线程把写数据链表上原子数据块写到连续数据保护区，与将新数据写到源数据区的写操作同时并行进行。
所述的多叉日志的块级连续数据保护和恢复方法，其特征在于，所述处理写操作步骤中，所述将元数据记录插到哈希映射表的过程为：
(3.1)记录写操作到来时的***时间Tsys；
(3.2)利用写操作对应的源数据区物理地址和原子数据块大小计算出以原子数据块为单位的原子数据块旧地址Addressold；
(3.3)记录源数据区的原子数据块拷贝到连续数据保护区的原子数据块新地址Addressnew；
(3.4)将包含***时间Tsys、原子数据块旧地址Addressold和原子数据块新地址Addressnew的记录插到哈希映射表中。
所述的一种时间戳日志存储的连续数据保护和恢复方法，其特征在于，所述处理恢复操作步骤的过程为：
(4.1)将源数据需要恢复到的时间点转化为***可识别的回滚时间Trollback；
(4.2)查找哈希映射表中已查找位为0的记录标识为R1，并将此纪录已查找位置为1，判断记录R1的元数据记录时间是否大于回滚时间Trollback，，是则顺序进行，否则重复过程(4.2)；
(4.4)以记录R1的原子数据块旧地址Addressold为关键字在哈希映射表中查找已查找位为0的原子数据块的记录并用R2标识，把该记录的已查找位置为1，判断记录R2的元数据记录时间是否大于回滚时间Trollback，是则顺序进行，否则重复过程(4.4)；
(4.5)比较记录R1和R2，用R标识其中元记录时间较小的记录；
(4.6)判断以记录R1原子数据块旧地址Addressold为关键字在哈希映射表中的记录的查找位是否全为1，是则顺序进行；否则转过程(4.4)；
(4.7)利用流水线策略将哈希映射表中记录为R的原子数据块从连续数据保护区拷贝到源数据区对应位置；
(4.8)判断哈希映射表中的所有记录已查找位是否都全部置为1，是则恢复操作结束；否则转过程(4.3)。
所述的一种时间戳日志存储的连续数据保护和恢复方法，其特征在于，所述处理恢复操作步骤的过程中，利用流水线策略将哈希映射表中记录为R的原子数据块从连续数据保护区拷贝到源数据区对应位置过程为：
(5.1)根据在哈希映射表中需要从连续数据保护区恢复到源数据区的原子数据块记录，读线程将所述记录对应的原子数据块从连续数据保护区读出后挂到写数据链表上，开启后台写线程；同时进行恢复操作，从哈希映射表中读取原子数据块记录并把对应的原子数据块从连续数据保护区读出后挂到写数据链表上；
(5.2)开启的后台写线程根据原子数据块在哈希映射表中的记录，把写数据链表上原子数据块写到源数据区的对应位置，与恢复操作中从哈希映射表中读取原子数据块记录并把对应的原子数据块从连续数据保护区读出后挂到写数据链表上的操作同时并行进行。
以下为需要说明的3个概念：写数据链表、读线程、写线程。
A.写数据链表为一个链表数据结构，用来存放读线程读取的原子数据块。
B.读线程为程序代码构成的可调用函数，用于读取原子数据块。在处理来自用户的写操作时，来自用户的新数据写入源数据区之前，读线程从源数据区读取原子数据块***到写数据链表中。在处理数据恢复操作时，读线程根据哈希映射表记录从连续数据保护区读取原子数据块***到写数据链表中。
C.写线程为程序代码构成的可调用函数，用于把写数据链表中原子数据块写到目的地址。在处理来自用户的写操作时，写线程把写数据链表中的原子数据块写到连续数据保护区。在处理数据恢复操作时，写线程把写数据链表中的原子数据块写到对应的哈希映射表记录的位置。
与“Linux卷管理***Snapshot技术的分析与研究”一文中提出的对来自用户的写操作处理过程相比，本发明采用时间戳日志存储的方案，在处理写操作和数据恢复操作时采取流水线策略，可以提供更快的写操作处理时间和目标恢复时间。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明处理恢复操作步骤的流程图；
图3为存储空间划分示意图；
图4为实施例中处理写操作后连续数据保护空间存储数据图；
图5为实施例中T1时刻写请求的处理图；
图6(a)为顺序执行的写操作流程图；
图6(b)为采用流水线策略的写操作流程图；
图7为实施例中T2时刻写请求的处理图；
图8(a)为实施例中***状态回退到对源数据区第一个写操作之前的数据恢复处理图；
图8(b)为实施例中将***状态回退到对源数据区两个写操作之间的某一时间的数据恢复处理图；
图8(c)为实施例中将数据恢复到对源数据区最后一个写操作之后的某一时间数据恢复处理图。
具体实施方式
本发明的流程如图1所示，包括初始化步骤、判断用户命令步骤、处理写操作步骤、处理恢复操作步骤。
图2为本发明处理恢复操作步骤的流程框图。
基于时间戳日志的存储连续数据保护和恢复方法是设备级实现的，它捕获底层卷的I/O请求，为这些请求打上时间戳标志并且将每次变化的原子数据块保存下来。它将数据变化以及相应的时间戳保存下来，相当于在一段时间轴上保存了每个数据块变化情况的数据的日志，以便今后恢复到过去的任意时刻数据状态。
下面结合实施例对本发明进一步详细说明。
(1)初始化步骤：如图3所示，把存储空间划分为源数据区和连续数据保护区，需要保护的数据位于源数据区，连续数据保护区用于在写操作到来时，存放源数据区的原始数据，整个存储空间大小为1G，连续数据保护空间大小为整个存储空间大小的50％，整个存储空间其余的空间为源数据区；初始化哈希映射表，把源数据区划分为原子数据块，作为实施例，原子数据块大小设为2K，连续数据保护空间存储原子数据块。
(2)判断用户命令步骤；判断用户命令是进行写操作还是恢复操作，写操作顺序进行步骤(3)；恢复操作转步骤(4)；如图4所示在时间点T1和T2分别对源数据区有一次写操作，具体过程见图5、6、7；
(3)处理写操作步骤：如图5所示，T1时刻用户的写请求到来时，有来自用户的新数据需要写入源数据区，本发明***将用户的写命令分解为三条命令：
A.从源数据区(图中打点部分)中读出原子数据块；
B.将从源数据读出的原子数据块写入连续数据保护区(图中空白部分)；
C.将来自用户的新数据(图中打斜线部分)写到源数据区。
同时将元数据记录***到哈希映射表中，元数据记录反映了原子数据块在源数据区和连续数据保护区的映射关系，包含了原子数据块旧地址、原子数据新地址、写操作到来时的***时间。如图6(a)所示，若将用户写命令分解为按上述方式所述的按严格顺序执行的三条串行命令，将严重影响了写命令的执行性能。仔细分析分解为三条命令的写命令可以发现，当用户的一个写命令到来时，首先读取源数据区的原子数据块，但将来自用户的新数据写到源数据区和拷贝源数据区的原子数据块到连续数据保护区不存在数据相关，完全可以并行执行，从而减少写命令处理延迟。基于此提出了改进的写操作流程，其操作流程如图6(b)所示，在写操作实现中，设计一个后台写线程，专门执行源数据写入连续数据保护区的操作。每次来自用户的写请求到来时，将相关数据块读出加入写数据链表中，并唤醒后台写线程，同时执行写新数据操作，将新数据写入源数据区，后台写线程将所有写数据链表中的数据依次写入到连续数据保护区。采用单独的线程负责将数据写入连续数据保护区，从源数据区向连续数据保护区拷贝原子数据块的源数据写入连续数据保护区操作和把新数据写到源数据区的写新数据操作并行进行，降低了写操作的执行时间，提高了***的性能。如图7所示，T2时刻用户的写请求到来时，本发明采用流水线策略将来自用户的新数据写入到源数据区，并将源数据写操作之前未被修改的原子数据块拷贝到连续数据保护区。图中，带格子的方框表示T2时刻来自用户的新数据，第二行为T1时刻写操作完成后，源数据区和连续数据保护区的数据状态，图中打点部分表示源数据区的数据，图中打斜线部分表示T1时刻写入的数据；第三行为T2时刻新数据的写入过程，写入新数据(带格子的方框)到源数据区时，源数据区相应的数据保存到连续数据保护区。
(4)处理恢复操作步骤：当存储设备发生应用故障或者文件损坏时，需要将***的状态恢复到源数据未发生损坏的某一时间点的状态，***会根据需要回退在此恢复时间点之后存放的原子数据块。用户发出将数据恢复到某一时间点的回退命令，处理恢复操作步骤读取连续数据保护区在回退时间点拷贝的内容并将其写入源数据区对应的位置，将***回退到用户指定的时间点的状态。***的回退过程，同样采用多线程技术，回退线程将数据从连续数据保护区读出，交给写线程将数据写入目标区中，读写线程并行执行，可有效地缩短回退操作所需时间。如图8(a)所示，若将***状态回退到对源数据区第一个写操作之前的某一时间的状态，即T＜T1时刻；或者如图8(b)所示，将***状态回退到对源数据区两个写操作之间的某一时间的状态，即T1＜T＜T2，则需要在哈希映射表中查找需要回退的原子数据块记录，然后在连续数据保护区中查找对应的原子数据块，采用流水线策略将这些原子数据块恢复到源数据区。如图8(c)所示，将数据恢复到对源数据区最后一个写操作之后的某一时间的状态，即将***状态回退到T＞T2时刻状态，则回退操作不对源数据区和连续数据保护区进行任何操作，因为此时的源数据是最新的数据状态。

Claims (5)

1.一种时间戳日志存储的连续数据保护和恢复方法，包括：
(1)初始化步骤；把存储空间划分为源数据区和连续数据保护区，需要保护的备份数据位于源数据区，连续数据保护区用于在写操作到来时，存放源数据区的原始数据，连续数据保护区的大小为存储空间的50％～75％；初始化哈希映射表；把源数据区划分为原子数据块，原子数据块大小为2K、4K、8K、16K或32K中的一种；
(2)判断用户命令步骤；判断用户命令是进行写操作还是恢复操作，写操作顺序进行；恢复操作转步骤(4)；
(3)处理写操作步骤；获取当前***时间，采用流水线策略将从源数据区向连续数据保护区拷贝原子数据块的操作和把新数据写到源数据区的操作并行进行，将元数据记录插到哈希映射表中，元数据记录包含***时间和原子数据块在源数据区和连续数据保护区的对应关系；等待用户命令，得到用户命令后，转步骤(2)；
(4)处理恢复操作步骤：将数据恢复到此前某时间点的数据状态时，在哈希映射表中查找需要从源数据区拷贝到连续数据保护区的原子数据块记录，并根据采用流水线策略把所述记录对应的原子数据块写到源数据区的扇区地址；等待用户命令，得到用户命令后，转步骤(2)。
2.如权利要求1所述的一种时间戳日志存储的连续数据保护和恢复方法，其特征在于，所述处理写操作步骤中，采用流水线策略将从源数据区向连续数据保护区拷贝原子数据块的操作和把新数据写到源数据区的操作并行进行的处理过程为：
(2.1)在来自用户的写操作将新数据写到源数区之前，读线程将原子数据块读出后挂到写数据链表上，开启后台写线程；同时进行写操作，将新数据写到源数据区；
(2.2)开启的后台写线程把写数据链表上原子数据块写到连续数据保护区，与将新数据写到源数据区的写操作同时并行进行。
3.如权利要求1或2所述的时间戳日志的块级连续数据保护和恢复方法，其特征在于，所述处理写操作步骤中，所述将元数据记录插到哈希映射表的过程为：
(3.1)记录写操作到来时的***时间Tsys；
(3.2)利用写操作对应的源数据区物理地址和原子数据块大小计算出以原子数据块为单位的原子数据块旧地址Addressold；
(3.3)记录源数据区的原子数据块拷贝到连续数据保护区的原子数据块新地址Addressnew；
(3.4)将包含***时间Tsys、原子数据块旧地址Addressold和原子数据块新地址Addressnew的记录插到哈希映射表中。
4.如权利要求1所述的一种时间戳日志存储的连续数据保护和恢复方法，其特征在于，所述处理恢复操作步骤的过程为：
(4.1)将源数据需要恢复到的时间点转化为***可识别的回滚时间Trollback；
(4.2)查找哈希映射表中已查找位为0的记录标识为R1，并将此纪录已查找位置为1，判断记录R1的元数据记录时间是否大于回滚时间Trollback，，是则顺序进行，否则重复过程(4.2)；
(4.4)以记录R1的原子数据块旧地址Addressold为关键字在哈希映射表中查找已查找位为0的原子数据块的记录并用R2标识，把该记录的已查找位置为1，判断记录R2的元数据记录时间是否大于回滚时间Trollback，是则顺序进行，否则重复过程(4.4)；
(4.5)比较记录R1和R2，用R标识其中元记录时间较小的记录；
(4.6)判断以记录R1原子数据块旧地址Addressold为关键字在哈希映射表中的记录的查找位是否全为1，是则顺序进行；否则转过程(4.4)；
(4.7)利用流水线策略将哈希映射表中记录为R的原子数据块从连续数据保护区拷贝到源数据区对应位置；
(4.8)判断哈希映射表中的所有记录已查找位是否都全部置为1，是则恢复操作结束；否则转过程(4.3)。
5.如权利要求4所述的一种时间戳日志存储的连续数据保护和恢复方法，其特征在于，所述处理恢复操作步骤的过程中，利用流水线策略将哈希映射表中记录为R的原子数据块从连续数据保护区拷贝到源数据区对应位置过程为：
(5.1)根据在哈希映射表中需要从连续数据保护区恢复到源数据区的原子数据块记录，读线程将所述记录对应的原子数据块从连续数据保护区读出后挂到写数据链表上，开启后台写线程；同时进行恢复操作，将新数据写到源数据区；
(5.2)开启的后台写线程根据原子数据块在哈希映射表中的记录，把写数据链表上原子数据块写到源数据区的对应位置，与恢复操作中从哈希映射表中读取原子数据块记录并把对应的原子数据块从连续数据保护区读出后挂到写数据链表上的操作同时并行进行。
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