CN104102554B - 一种数据备份的方法和数据备份装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种数据备份的方法和数据备份装置，方法应用于存储设备，存储设备包括原卷和保存卷，方法包括：检测到对存储设备的写入请求，写入请求中包含向原卷写入的第一数据；判定存储设备处于工作状态，在第一数据上加载时间标签形成第二数据；将写入请求重定向到存储设备的保存卷，将所述第二数据写入保存卷；当保存卷的剩余空间小于设定的空间阈值时，在保存卷中的多个第二数据中按照时间标签的顺序选择至少一个第二数据写入到原卷。在存储设备处于工作状态时，在检测到对存储设备的写入请求时，将写入请求包含的第一数据加载时间标签后写入保存卷形成一个第二数据，无须向存储设备的原卷执行写操作，保证了写性能不会降低。

Description

一种数据备份的方法和数据备份装置

技术领域

本发明涉及数据管理技术，特别是指一种数据备份的方法和数据备份装置。

背景技术

随着信息技术的发展，用户对信息***的不间断运行能力及面对突发事件时的信息安全提出了更高的要求，灾难备份与数据保护(恢复技术)成为关注的焦点。传统的灾难备份与恢复技术只能抵抗对数据的物理损坏，如磁盘的失效，文件***的损坏等，而对于数据的逻辑损坏，如数据库或者文件中出现错误数据则束手无策。当发现***数据有错误时，虽然采用磁带备份技术通过多个备份点可以恢复到最近的备份点，但会丢失大量的有用数据，现有的恢复技术本质上只有一个备份点-即最近的备份点，复制的数据副本中必然也存在着同样的数据逻辑错误，无法适用在一些对业务连续性要求高的场合。

现有的灾难备份与恢复技术的局限在于只建立一个或几个时间粒度较粗的备份点，没有就每次数据的改变建立备份点，连续数据保护(CDP，Continuous DataProtection)的目的是能针对数据的每次改变都建立备份点，实现无损的数据恢复，网络存储工业协会(SNIA，Storage Networking Industry Association)对连续数据保护的定义是：持续的追踪、捕获数据的变化并保存变化日志，以便恢复到之前的任意时间点。CDP技术具有几个关键的保护特征：连续备份、持续捕捉数据变化，瞬间和即时的恢复，大大优化恢复的进程，多点的快照技术，历史数据瞬间可用，保证了***能够连续运行。CDP采用了即时恢复技术和精细化的数据连续捕捉技术，数据获得的间隔可以是连续策略和基于时间间隔的快照，解决了传统恢复超时长的难题，达到了瞬间可用。CDP的***远程启动技术保证了在构建数据保护***时就获得***故障的恢复能力。

绝大多数厂商使用写时复制(COW，Copy-on-Write)模式实现CDP，存储设备接收到对存储设备的写入请求，CDP模块首先将写入请求放入等待队列，启动复制进程，将写入请求所指向的存储区域复制到保存卷上，再从等待队列中取出写入请求覆盖原存储区域，备份了历史数据。

现有技术存在的问题在于，COW模式下，存储设备的写性能会受到很大影响，尤其是持续顺序写的情况下，IOPS和带宽消耗变为不启动CDP时的3倍，COW直接导致写性能下降约70%，甚至在业务运行环境中，原有RAID5存储阵列在加入了CDP模块后，前端ORACLE数据库会在访问时出现明显停顿甚至崩溃。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种数据备份的方法和数据备份装置，用于解决现有支持COW模式的存储设备在持续写操作时，写性能出现大幅下降的缺陷。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种数据备份的方法，应用于存储设备，所述存储设备包括原卷和保存卷，方法包括：检测到对存储设备的写入请求，写入请求中包含向原卷写入的第一数据；判定存储设备处于工作状态，在第一数据上加载时间标签形成第二数据；将写入请求重定向到存储设备的保存卷，将所述第二数据写入保存卷；当保存卷的剩余空间小于设定的空间阈值时，在保存卷中的多个第二数据中按照时间标签的顺序选择至少一个第二数据写入到原卷。

所述的方法中，将写入请求重定向到存储设备的保存卷，还包括：在保存卷中申请一个备份空间，所述备份空间包含至少一个第一固定粒度的元空间，备份空间的容量是所有元空间的容量之和，且大于第二数据的大小。

所述的方法中，还包括：当原卷的IO吞吐量小于流量阈值时，从所述原卷中寻找与所述第二数据存在关联的第三数据，将所述第三数据调入保存卷中第二数据所在的备份空间进行补全，在备份空间中形成一个完整的第一有效数据块。

所述的方法中，还包括：当原卷的IO吞吐量小于流量阈值时，从所述保存卷中寻找与所述第二数据存在关联的第四数据，将所述第四数据调入保存卷中第二数据所在的备份空间进行补全，在备份空间中形成一个完整的第二有效数据块。

所述的方法中，还包括：当原卷的IO吞吐量小于流量阈值时，从所述原卷中寻找与所述第二数据存在关联的第五数据，以及从保存卷中寻找与所述第二数据存在关联的第六数据；将所述第五数据和第六数据调入保存卷中第二数据所在的备份空间进行补全，在备份空间中形成一个完整的第三有效数据块。

所述的方法中，还包括：检测到对存储设备的读取请求，将读取请求重定向到保存卷，对保存卷中的一个第二数据进行读取；当向所述保存卷读取第二数据失败时，将所述读取请求重定向到存储设备的原卷；从原卷中读取与第二数据对应的完整的有效数据块。

一种数据备份装置，与存储设备连接，数据备份装置包括：检测单元，用于检测到对存储设备的写入请求，写入请求中包含向原卷写入的第一数据；标签单元，用于判定存储设备处于工作状态，在第一数据上加载时间标签形成第二数据；重定向单元，用于将写入请求重定向到存储设备的保存卷，将所述第二数据写入保存卷；与原卷交互单元，用于当保存卷的剩余空间小于设定的空间阈值时，在保存卷中的多个第二数据中按照时间标签的顺序选择至少一个第二数据写入到原卷。

所述的装置中，还包括：保存卷管理单元，用于在保存卷中申请一个备份空间，所述备份空间包含至少一个第一固定粒度的元空间，备份空间的容量是所有元空间的容量之和，且大于第二数据的大小。

所述的装置中，还包括：有效数据补全单元，用于当原卷的IO吞吐量小于流量阈值时，从所述原卷中寻找与所述第二数据存在关联的第三数据，将所述第三数据调入保存卷中第二数据所在的备份空间进行补全，在备份空间中形成一个完整的第一有效数据块；或者，当原卷的IO吞吐量小于流量阈值时，从所述保存卷中寻找与所述第二数据存在关联的第四数据，将所述第四数据调入保存卷中第二数据所在的备份空间进行补全，在备份空间中形成一个完整的第二有效数据块；或者，当原卷的IO吞吐量小于流量阈值时，从所述原卷中寻找与所述第二数据存在关联的第五数据，以及从保存卷中寻找与所述第二数据存在关联的第六数据；将所述第五数据和第六数据调入保存卷中第二数据所在的备份空间进行补全，在备份空间中形成一个完整的第三有效数据块。

所述的装置中，还包括：读取单元，用于检测到对存储设备的读取请求，将读取请求重定向到保存卷，对保存卷中的一个第二数据进行读取；当向所述保存卷读取第二数据失败时，将所述读取请求重定向到存储设备的原卷；从原卷中读取与第二数据对应的完整的有效数据块。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：在存储设备处于工作状态时，在检测到对存储设备的写入请求时，将写入请求包含的第一数据加载时间标签后写入保存卷形成一个第二数据，无须向存储设备的原卷执行写操作，保证了写性能不会降低，由于保存卷的剩余空间小于设定的空间阈值时，重新将至少一个第二数据写入到原卷中，保证了存储设备始终能够通过重定向来保证写性能不会降低。

附图说明

图1表示一种数据备份的方法的工作原理示意图；

图2表示ROW-CDP模式的实际部署示意图；

图3表示补全进程对保存卷中的历史版本数据进行补全的示意图；

图4表示对存储设备进行镜像部署的示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明实施例提供的是基于给定时间点的备份，为解决写时复制COW模式的CDP对存储设备写性能带来的压力，当存储设备接收到写入请求时，采用写时重定向(ROW，Redirect-on-Write)将写入请求重定向到保存卷。

本发明实施例提供一种数据备份的方法，如图1所示，应用于存储设备，所述存储设备包括原卷和保存卷，方法包括：

检测到对存储设备的写入请求，写入请求中包含向原卷写入的第一数据；

判定存储设备处于工作状态，在第一数据上加载时间标签形成第二数据；

将写入请求重定向到存储设备的保存卷，将所述第二数据写入保存卷；

当保存卷的剩余空间小于设定的空间阈值时，在保存卷中的多个第二数据中按照时间标签的顺序选择至少一个第二数据写入到原卷。

应用所提供的技术，在存储设备处于工作状态时，在检测到对存储设备的写入请求时，将写入请求包含的第一数据加载时间标签后写入保存卷形成一个第二数据，无须向存储设备的原卷执行写操作，保证了写性能不会降低，由于保存卷的剩余空间小于设定的空间阈值时，重新将至少一个第二数据写入到原卷中，保证了存储设备始终能够通过重定向来保证写性能不会降低。

本发明实施例提供的技术支持存储设备采用写时重定向技术，保存卷中的第二数据有多个，每一个第二数据都有时间标签，因此能够根据时间进行排序。当保存卷的剩余空间小于设定的空间阈值时，将最旧的历史版本数据-即时间最靠前的一个或者几个第二数据存放到原卷中，使得保存卷有更多的空间在后续接纳写入请求，其中，保存卷中的第二数据也称为历史版本数据。

如图1所示，写入请求具有由一个IO处理进程/线程负责处理，IO处理进程/线程接到写入请求，写入请求中包含向原卷写入的第一数据；

为不影响写性能，将写入请求重定向到存储设备的保存卷，将第二数据写入保存卷，其中，在第一数据上加载时间标签会形成第二数据。

本发明实施例提供的是基于给定时间点的备份，因此在接到对保存卷中指定存储位置的写入请求时，需要判断保存卷中的指定存储位置是否存在历史版本数据，如果有，则打上时间标签重定向到保存卷，否则写入原卷。

在一个应用场景中，在时刻T0需要向原卷写入一个第一数据，于是对保存卷的指定存储位置A做了改变形成了与第一数据对应的第二数据，如果时刻T0之后再次接收到对指定存储位置A的写入请求，首先要判断保存卷中是否存在第二数据，如果存在，则需要以打上了时间标签的新的第二数据覆盖T0时刻保存的那份早期的第二数据；如果初始化以来都没有对指定存储位置A的数据做改动，写入请求只需要直接向原卷写入即可。

如果T1时刻再次有对位置A的写入请求，则需要重新打上时间标签。两个时刻(T0，T1)之间如果还有对位置A的写入请求，都只会覆盖写入T0时刻保存的第二数据。

在一个优选实施例中，将写入请求重定向到存储设备的保存卷，还包括：

在保存卷中申请一个备份空间，所述备份空间包含至少一个第一固定粒度的元空间，备份空间的容量大于第二数据的大小。

存储设备的保存卷上的第二数据(历史版本数据)是以固定的粒度保存的，而不会出现无序乱放，降低了元数据指针的复杂度和无序度，提高了查询效率。

在解决了写性能问题的基础上，ROW模式提供了提高读性能的技术。

不失一般性，ROW模式采用64KB的粒度，若某个写入请求包含的第一数据为4KB，4KB的第一数据对应的第二数据通常也是4KB，则预先分配64KB的存储空间，将4KB的第二数据写入这64KB的存储空间并标识相应的有效位，此时64KB的存储空间中只有4KB的有效数据。当写入请求小于64KB时，保存卷也会预先分配64KB存储空间，同理，写IO大于64KB时会将写IO请求分成64KB大小的N个小的写入请求。

存储设备在之后某个时间接收到对保存卷中该存储空间的读请求为32KB，此时，位于第二数据64KB的那一部分是不确定的，要读取的这32KB可能全部位于有效数据区，也有可能只是部分位于有效数据区，或者完全不位于有效数据区，读取大小也可能是4KB，8KB等各种不确定情况，如果分析是否全部位于这无疑会增加算法的复杂度及请求响应时间，因此需要首先从第二数据或者原卷的存储区域中补全这部分数据，然后执行读请求的操作。

在一个优选实施例中，还包括：

当原卷的IO吞吐量小于流量阈值时，从所述原卷中寻找与所述第二数据存在关联的第三数据，

将所述第三数据调入保存卷中第二数据所在的备份空间进行补全，在备份空间中形成一个完整的第一有效数据块。

其中，原卷中的第三数据在时间上是早于第二数据的。

在一个优选实施例中，还包括：

当原卷的IO吞吐量小于流量阈值时，从所述保存卷中寻找与所述第二数据存在关联的第四数据，

将所述第四数据调入保存卷中第二数据所在的备份空间进行补全，在备份空间中形成一个完整的第二有效数据块。

其中，保存卷中的第四数据在时间上是早于第二数据的。

在一个优选实施例中，还包括：

当原卷的IO吞吐量小于流量阈值时，从所述原卷中寻找与所述第二数据存在关联的第五数据，以及从保存卷中寻找与所述第二数据存在关联的第六数据；

将所述第五数据和第六数据调入保存卷中第二数据所在的备份空间进行补全，在备份空间中形成一个完整的第三有效数据块。

其中，原卷中的第五数据，保存卷中的第六数据，在时间上是早于第二数据的。

在写入数据的过程中，无论是写入第一数据、第二数据、第三数据、第四数据，或者是第五数据和第六数据，都需要在备份空间中存放该数据的起始位置处设置位图，位图中标记了指向有效数据的有效位，以及在结束位置处设置结束符。

在一个应用场景中，为解决对读性能的影响，监控对存储设备的读写请求，当原卷的IO吞吐量小于流量阈值时，在不影响原卷性能的情况下启动一个补全线程来补全所有非有效数据区域，如图2所示，包括：

步骤201，启动补全操作对应的补全进程，如图3所示，补全进程对保存卷中的每一个第二数据(历史版本数据)进行补全。

步骤202，查询到保存卷中的一个第二数据的第一个有效数据块；

步骤203，查询第一个有效数据块之后是否存在无效数据块，是转步骤204，否则转步骤205。

步骤204，内核复制进程，执行具体的补全操作，包括：

从原卷中寻找与所述第二数据存在关联的第三数据，

或者，从所述保存卷中寻找与所述第二数据存在关联的第四数据，

或者，从所述原卷中寻找与所述第二数据存在关联的第五数据，以及从保存卷中寻找与所述第二数据存在关联的第六数据；

调入保存卷中第二数据所在的备份空间进行补全，在备份空间中形成一个完整的有效数据块。

备份空间的起始位置处设置位图，位图中标记了指向有效数据块的有效位，以及在备份空间的结束位置处设置有结束符。

返回步骤202。

步骤205，完成后结束进程。

在一个优选实施例中，还包括：

检测到对存储设备的读取请求，将读取请求重定向到保存卷，对保存卷中的一个第二数据进行读取；

当向所述保存卷读取第二数据失败时，将所述读取请求重定向到存储设备的原卷；

从原卷中读取与第二数据对应的完整的有效数据块。

检测到对存储设备的读取请求，该读取请求中请求读取一个第一数据，首先在保存卷中检索查找对应位置是否存在该第一数据的第二数据，如果存在，则将读取请求重定向到保存卷；如果不存在，则将读取请求重定向到存储设备的原卷，这是因为：保存卷中不存在表明该第一数据至始至终不存在与其对应的第二数据，换言之，初始化以来该第一数据都没有被修改过，因此保存卷中不会存在与之对应的第二数据。

在一个应用场景中，网络备份存储设备包括原卷和CDP的保存卷，实际部署中，如图4所示，业务***的主机端对存储设备进行镜像部署，将本地卷中的数据镜像同步到网络备份存储设备中。本地卷与原卷为镜像关系，完成部署初始化后，原卷中存放了和本地卷中一模一样的数据，原卷的数据版本是最老的，而CDP的保存卷则保存了初始化后的所有修改的历史版本数据。

为降低对存储设备以及业务***的读性能的影响，接收到读取请求，读取请求具体请求读取一个数据，在逻辑层面优化读取请求，

正常情况下，读取请求只向本地卷进行读取，这一几乎不影响业务***的读性能，

当本地卷发生故障或者数据恢复时，需要读网络备份存储设备中的保存卷，由于补全进程在***空闲时已经补全了保存卷中与该数据对应的历史版本数据，因此读取保存卷的过程几乎不影响业务***的读性能，如此，在最大限度保证原业务***的读写性能不受影响的情况下实现了连续的数据保护功能。

在保存卷中的多个第二数据中按照时间标签的顺序选择至少一个第二数据写入到原卷，是指不同的第一数据对应的不同的第二数据，以及，同一个第一数据对应的不同版本的第二数据。由于本发明实施例提供的是基于给定时间点的备份，对于同一个第一数据a，如果时刻T0已经为其备份了第二数据a0，若T1时刻再次备份，则会形成第二数据a1，同理，在T2、T3时刻进行的备份也会形成不同版本的第二数据a2和第二数据a3。当且仅当保存卷的剩余空间不足以保存这么多的历史版本数据时，将最旧的历史版本数据写回到原卷，回收存储空间。

本发明实施例提供一种数据备份装置，与存储设备连接，数据备份装置包括：

检测单元，用于检测到对存储设备的写入请求，写入请求中包含向原卷写入的第一数据；

标签单元，用于判定存储设备处于工作状态，在第一数据上加载时间标签形成第二数据；

重定向单元，用于将写入请求重定向到存储设备的保存卷，将所述第二数据写入保存卷；

与原卷交互单元，用于当保存卷的剩余空间小于设定的空间阈值时，在保存卷中的多个第二数据中按照时间标签的顺序选择至少一个第二数据写入到原卷。

在一个优选实施例中，装置还包括：

保存卷管理单元，用于在保存卷中申请一个备份空间，所述备份空间包含至少一个第一固定粒度的元空间，备份空间的容量是所有元空间的容量之和，且大于第二数据的大小。

在一个优选实施例中，装置还包括：

有效数据补全单元，用于当原卷的IO吞吐量小于流量阈值时，从所述原卷中寻找与所述第二数据存在关联的第三数据，将所述第三数据调入保存卷中第二数据所在的备份空间进行补全，在备份空间中形成一个完整的第一有效数据块；

或者，

当原卷的IO吞吐量小于流量阈值时，从所述保存卷中寻找与所述第二数据存在关联的第四数据，将所述第四数据调入保存卷中第二数据所在的备份空间进行补全，在备份空间中形成一个完整的第二有效数据块；

或者，当原卷的IO吞吐量小于流量阈值时，从所述原卷中寻找与所述第二数据存在关联的第五数据，以及从保存卷中寻找与所述第二数据存在关联的第六数据；将所述第五数据和第六数据调入保存卷中第二数据所在的备份空间进行补全，在备份空间中形成一个完整的第三有效数据块。

在一个优选实施例中，装置还包括：

读取单元，用于检测到对存储设备的读取请求，将读取请求重定向到保存卷，对保存卷中的一个第二数据进行读取；

当向所述保存卷读取第二数据失败时，将所述读取请求重定向到存储设备的原卷；

从原卷中读取与第二数据对应的完整的有效数据块。

采用本方案之后的优势是：在存储设备处于工作状态时，在检测到对存储设备的写入请求时，将写入请求包含的第一数据加载时间标签后写入保存卷形成一个第二数据，无须向存储设备的原卷执行写操作，保证了写性能不会降低，由于保存卷的剩余空间小于设定的空间阈值时，重新将至少一个第二数据写入到原卷中，保证了存储设备始终能够通过重定向来保证写性能不会降低。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种数据备份的方法，其特征在于，应用于存储设备，所述存储设备包括原卷和保存卷，方法包括：

检测到对存储设备的写入请求，写入请求中包含向原卷写入的第一数据；

判定存储设备处于工作状态，在第一数据上加载时间标签形成第二数据；

将写入请求重定向到存储设备的保存卷，将所述第二数据写入保存卷；

当保存卷的剩余空间小于设定的空间阈值时，在保存卷中的多个第二数据中按照时间标签的顺序选择至少一个第二数据写入到原卷；

当原卷的IO吞吐量小于流量阈值时，从所述原卷中寻找与所述第二数据存在关联的第三数据，将所述第三数据调入保存卷中第二数据所在的备份空间进行补全，在备份空间中形成一个完整的第一有效数据块。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将写入请求重定向到存储设备的保存卷，还包括：

在保存卷中申请一个备份空间，所述备份空间包含至少一个第一固定粒度的元空间，备份空间的容量是所有元空间的容量之和，且大于第二数据的大小。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

当原卷的IO吞吐量小于流量阈值时，从所述保存卷中寻找与所述第二数据存在关联的第四数据，

将所述第四数据调入保存卷中第二数据所在的备份空间进行补全，在备份空间中形成一个完整的第二有效数据块。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

当原卷的IO吞吐量小于流量阈值时，从所述原卷中寻找与所述第二数据存在关联的第五数据，以及从保存卷中寻找与所述第二数据存在关联的第六数据；

将所述第五数据和第六数据调入保存卷中第二数据所在的备份空间进行补全，在备份空间中形成一个完整的第三有效数据块。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

检测到对存储设备的读取请求，将读取请求重定向到保存卷，对保存卷中的一个第二数据进行读取；

当向所述保存卷读取第二数据失败时，将所述读取请求重定向到存储设备的原卷；

从原卷中读取与第二数据对应的完整的有效数据块。

6.一种数据备份装置，其特征在于，与存储设备连接，数据备份装置包括：

检测单元，用于检测到对存储设备的写入请求，写入请求中包含向原卷写入的第一数据；

标签单元，用于判定存储设备处于工作状态，在第一数据上加载时间标签形成第二数据；

重定向单元，用于将写入请求重定向到存储设备的保存卷，将所述第二数据写入保存卷；

与原卷交互单元，用于当保存卷的剩余空间小于设定的空间阈值时，在保存卷中的多个第二数据中按照时间标签的顺序选择至少一个第二数据写入到原卷；

有效数据补全单元，用于当原卷的IO吞吐量小于流量阈值时，从所述原卷中寻找与所述第二数据存在关联的第三数据，将所述第三数据调入保存卷中第二数据所在的备份空间进行补全，在备份空间中形成一个完整的第一有效数据块。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括：

保存卷管理单元，用于在保存卷中申请一个备份空间，所述备份空间包含至少一个第一固定粒度的元空间，备份空间的容量是所有元空间的容量之和，且大于第二数据的大小。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括：

有效数据补全单元，还用于当原卷的IO吞吐量小于流量阈值时，从所述保存卷中寻找与所述第二数据存在关联的第四数据，将所述第四数据调入保存卷中第二数据所在的备份空间进行补全，在备份空间中形成一个完整的第二有效数据块；

或者，当原卷的IO吞吐量小于流量阈值时，从所述原卷中寻找与所述第二数据存在关联的第五数据，以及从保存卷中寻找与所述第二数据存在关联的第六数据；将所述第五数据和第六数据调入保存卷中第二数据所在的备份空间进行补全，在备份空间中形成一个完整的第三有效数据块。

9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括：

读取单元，用于检测到对存储设备的读取请求，将读取请求重定向到保存卷，对保存卷中的一个第二数据进行读取；

当向所述保存卷读取第二数据失败时，将所述读取请求重定向到存储设备的原卷；

从原卷中读取与第二数据对应的完整的有效数据块。