CN106528001A - 一种基于非易失性存储器和软件raid的缓存*** - Google Patents

一种基于非易失性存储器和软件raid的缓存*** Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于非易失性存储器和软件RAID的缓存***，其特征为一种融合非易失性存储器Apache Pass，软件RAID和Device Mapper驱动模块Buaacache的新型存储***架构。本发明利用Linux的Device Mapper机制来管理软件RAID，以高速设备Apache Pass作为低速RAID的Cache，从而构建一个两级缓存***。Persistent Memory具有掉电后介质数据不丢失和读写性能卓越的特性。本发明选用Persistent Memory作为软件RAID的高速缓存，在成本远低于硬件RAID的条件下，实现软件RAID读写性能逼近甚至超过硬件RAID。

Description

一种基于非易失性存储器和软件RAID的缓存***
技术领域
本发明涉及计算机数据存储技术领域，尤其涉及一种新型缓存***，具体涉及到新型掉电非易失性存储器Persistent Memory和软件RAID。
背景技术
随着SSD的兴起，主流的存储***都逐渐采用SSD与机械硬盘混合的分层存储方式。目前的存储方案例如dm-cache，其设计与实现均基于Linux Device Mapper框架，实质上是通用的块设备缓存模块，利用SSD随机读写性能好的特点，将SSD作为磁盘的缓存。与SSD相比，新生的非易失性存储器(Persistent Memory,简称PMEM，也可称为是持久性存储器)，具有高速I/O，大存储容量，掉电非易失性和可字节寻址等卓越特性，因此提出一种基于Persistent Memory和软件RAID的新型缓存***。
非易失性存储器：Persistent Memory，简称PMEM，其特点是完全断电后信息不丢失。除了保证介质数据掉电后不丢失的特性外，还具有可字节寻址(Byte-addressable)和I/O性能优越等特性。在写回模式(write back)下，此类设备根据材料不同，其写耗费时间、读耗费时间均逼近DRAM，因此将其作为软件RAID的高速缓存十分有吸引力。现有的PMEM研究方案多集中于硬件领域，目前尚未有厂商和研究机构推出结合PMEM与软件RAID的解决方案提出。
AEP：Apache Pass，Intel公司为即将在2017年推出的服务器平台“Purley”而研发的新一代Persistent Memory，在缓存***中作为软件RAID的缓存使用。
软件RAID：Software Redundant Arrays of Independent Disks，称作软件独立磁盘冗余阵列，简称软件阵列。与硬件RAID相比，软件RAID不需要外插RAID卡实现，而是将若干机械硬盘或固态硬盘之类的底层存储设备，以纯软件形式聚合成为一个大的虚拟RAID设备。借助PMEM作为高速缓存，软件RAID可在成本远低于硬件RAID的前提下，性能方面逼近甚至超过后者。Linux***中目前以MD(Multiple Devices)虚拟块设备的方式实现软件RAID，利用多个底层的块设备虚拟出一个新的虚拟块设备，并且利用条带化(stripping)技术将数据块均匀分布到多个磁盘上来提高虚拟设备的读写性能。目前在Linux下，软件RAID支持RAID-0、RAID-1、RAID-4,、RAID-5，RAID-6和RAID-10。
传统软件RAID方案瓶颈：严重依赖于服务器的CPU性能和电流负载，在写回模式下，断电故障会导致内存中的数据丢失且无法恢复，与硬件RAID相比优势不明显。PMEM作为近几年兴起的热门新型存储设备，目前尚未有厂商和研究机构推出结合PersistentMemory与软件RAID的解决方案，因此本发明选用在掉电介质数据不丢失和I/O性能方面性能卓越的Persistent Memory作为软件RAID的高速缓存，提出一种新型高效的缓存***。
发明内容
本发明的目的是针对传统软件RAID解决方案在掉电恢复和读写性能方面的不足，并且针对目前尚未有非易失性存储器(Persistent Memory，简称PMEM)与软件RAID结合的方案推出，提出一种基于PMEM和软件RAID的缓存***。
本发明基于Linux的Device Mapper磁盘映射机制，开发内核驱动模块Buaacache，将高速设备PMEM作为低速RAID的高速缓存，从而构建一个两级缓存***。
本发明所述内核驱动模块Buaacache将低速RAID与高速PEME作为一个整体创建为一个虚拟混合块设备，用户可像读写普通块设备一样使用混合块设备。虚拟块设备中的缓存设备PMEM与缓存对象RAID对用户均不可见，用户均无法直接访问。用户读写这个新创建的虚拟块设备时，实际的存储过程经过Buaacache缓存，如果读写命中则直接返回缓存里的数据(或直接写到缓存)，否则将读写磁盘阵列。
本发明所述缓存设备PMEM的数据空间分为元数据空间和数据空间，采用组相联映射方式，将数据空间划分成预先定义大小的缓存块，进一步将缓存块按固定个数组合为一个组(Set)。元数据主要记录硬盘块与一个确定组中的某个缓存块的一一映射关系，通过PMEM特有的字节寻址(Byte-addressable)方式实现读写。
本发明借助PMEM设备掉电后介质数据不丢失的特性，弥补了传统写回机制掉电数据丢失的缺陷，避免对磁盘阵列的多次访问，极大缩短了读写时间。采用及时回写内存元数据的方式，实现在缓存***运行的过程中实时备份元数据到缓存设备，保存***运行现场。当发生断电事故后，主机重新上电后可从缓存设备中恢复***运行现场，避免缓存中的脏数据因为失去与所缓存的磁盘块的对应关系而无法写回到磁盘，实现掉电恢复功能。
本发明选用开源方案dm-cache进行二次开发，由于dm-cache作为Linux成熟内核的一部分，可采用一个或多个快速设备为后端慢速存储***扮演缓存的角色。然而dm-cache最新版本仅可在内核3.10版本上编译运行，内核版本跨度过大导致不能在新版本稳定内核上正常运行。鉴于目前尚未有新内核移植版本发行，因此本发明进行了针对性移植工作。
附图说明
图1缓存***Linux I/O层次图；
图2 Buaacache驱动模块图；
图3缓存***整体架构图；
图4缓存设备Apache Pass结构图；
图5缓存***映射方式示意图；
图6缓存***读请求流程示意图；
图7缓存***写请求流程示意图；
图8内核移植工作示意图；
图9 bio部分内核移植示意图；
图10 Device Mapper部分内核移植示意图；
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点表达得更加清楚明白，下面结合附图及具体实施例对本发明再作进一步详细的说明。
本发明的目的针对目前基于软件RAID的磁盘阵列***在存储性能和掉电数据易丢失等方面的不足，提出一种基于非易失性存储器(Persistent Memory，简称PMEM)和软件RAID的缓存***。本发明基于Linux的Device Mapper机制，开发内核驱动模块Buaacache，采用Intel研发的PMEM设备Apache Pass，作为低速RAID的高速缓存。所述软件RAID在Linux4.4内核下通过mdadm软件的“-C”或者“-create”参数完成创建，并由mdadm进行管理。
本发明在Linux I/O体系中的层次如图1所示。如图2所示，Buaacache运行在Linux64位稳定内核4.4版本下，工作在Linux块设备I/O体系结构中的块设备驱动层，注册为Linux kernel Device Mapper框架下的目标驱动(Target Driver)，以内核驱动的方式动态加载使用。该驱动模块调用Device Mapper中的dmsetup程序将软件磁盘阵列和ApachePass作为一个整体创建为一个混合块设备，用户可像读写普通块设备一样操作该设备。
本发明的***结构如图3所示，当用户执行读写请求时，该请求首先被文件***捕捉，由文件***下发请求给通用块设备层，具体以内核数据结构bio的形式呈现，然后继续下发给Device Mapper层，Device Mapper层对bio进行分割和重组等操作后，最终下发给Buaacache驱动层。
本发明的缓存结构如图4所示，每个非易失性存储器Apache Pass的第一个缓存块可作为超级块(Super Block)，用于存放整个缓存相关的关键信息，也可保留留作它用。紧接着元数据空间保存若干元数据(Meta Data)，元数据区存储用于管理数据缓存块(DataBlock)的元数据。数据区划分为若干指定大小的数据缓存块(Data Block)，默认每8个扇区组成一个缓存块，每512个缓存块组成一个组(Set)，同时软件RAID中的硬盘也按此划分。每个缓存块记录对应硬盘块的起始扇区编号，由元数据结构体记录，每个元数据结构体维护相应的状态，必要的锁和tag信息。元数据和数据块都是按照先后顺序线性存放。
本发明的缓存映射方式如图5所示。本发明采用512路组相联映射机制，避免以元数据为代表的高热度数据发生聚集现象。组相联映射可分为直接映射和线性哈希探测两步骤进行：第一步：直接映射，将磁盘块映射到缓存设备中的一个组；第二部：线性哈希探测，一旦找到目标组，就在组内线性查找对应的数据块；通过组相联映射可以将磁盘上局部范围的顺序数据块缓存到一个目标组里。
本发明的缓存读写流程图分别如图6和图7所示，本发明缓存回收机制仅支持写回模式。当用户读写请求未命中缓存时，并且缓存块全部为脏块无空闲缓存块时，缓存回收机制采用Two-Handed时钟算法，写回最近20分钟内未访问过的脏块到磁盘阵列，维护了数据的一致性。
本发明的掉电恢复机制如图8所示，本发明在用户读写请求未命中时，一旦有元数据更新，以字节寻址方式从内存及时写入缓存设备。发生意外断电事故后，内存中的元数据均及时备份在缓存设备中，在主机重新上电后，Buaacache驱动模块会将缓存设备中已备份的元数据重新加载到内存中，然后将缓存设备中元数据对应的脏数据(因断电从缓存未及时写回磁盘阵列的数据)写回到RAID，实现掉电恢复。
本发明基于开源方案dm-cache进行二次开发，如发明内容所述，将dm-cache从内核3.10版本移植到内核4.4长期支持版本。移植工作对块设备读写请求字段bio和DeviceMapper中的部分字段进行内核变更跟踪，进行相应适配。bio是linux内核中通用块层的一个核心数据结构，负责联系内存缓冲区与块设备。
如图9所示，与内核3.10版本相比，内核4.4版本中的bio字段新增bvec_iter结构体，封装了原来属于bio中bi_sector,bi_size,bi_idx和bi_bvec_done四个关键字段。
如图10所示，Device Mapper框架提供同步或者异步的IO服务，在kernel 4.4中dm-io一共有四种dm_io_mem_type类型。与内核3.10版本相比较，内核4.4版本中，dm_io_memory用struct bio*bio替代struct bio_vec，dm_io_memtype用DM_IO_BIO替代DM_IO_BVEC。

Claims (2)

1.一种基于非易失性存储器和软件RAID的缓存***，其特征在于：其特征为一种融合非易失性存储器(Apache Pass)，软件RAID和Device Mapper驱动模块(Buaacache)的新型缓存***架构；
所述非易失性存储器是指具有完全断电后信息不丢失，字节寻址和I/O性能优越特性的新型存储设备，在缓存***中作为软件RAID的缓存使用；
所述软件RAID是指在Linux操作***中，使用madam软件的“-C”或“-create”参数完成创建，由mdadm进行管理；所述RAID为冗余RAID或非冗余RAID；
所述Device Mapper驱动模块Buaacache是基于Linux Device Mapper框架下的内核驱动模块Buaacache，工作在Linux块设备I/O体系结构中的块设备驱动层，该内核模块逻辑上将非易失性存储器Apache Pass作为低速软件RAID的缓存(Cache)，物理上将软件RAID和非易失性存储器作为一个整体创建为一个混合块设备；Buaacache驱动模块包括缓存数据组织模块、缓存映射模块、缓存回收模块，元数据管理模块与掉电恢复模块；
所述缓存数据组织模块是指将Apache Pass划分为保留区，元数据区和数据缓存块区。保留区负责存储文件***超级块或留作他用，元数据区负责存储主要记录缓存块和硬盘块对应关系的元数据，数据缓存块区以缓存块组织形式存储数据；
所述缓存块映射模块是指将Apache Pass和软件RAID中的磁盘均按照固定大小划分为若干组(Set)，采用512路组相联映射机制，避免以元数据为代表的高热度数据发生聚集现象；组相联映射分为直接映射和线性哈希探测两步骤进行；
所述缓存回收模块是指采用Two-Handed时钟算法，写回Apache Pass最近20分钟内未访问过的脏块到磁盘阵列；
所述元数据管理模块是指从内存写入元数据到Apache Pass或者从Apache Pass加载元数据到内存，寻址方式均为字节寻址；当从RAID写入缓存或者从Apache Pass写回脏块到RAID时，均进行元数据更新操作；
所述掉电恢复模块是指一旦有元数据更新，以字节寻址方式及时写回到Apache Pass；发生意外断电事故后，内存中的元数据均及时备份在缓存设备中，在主机重新上电后，Buaacache驱动模块将缓存设备中已备份的元数据重新加载到内存中，然后根据元数据将缓存设备中对应的脏数据写回到磁盘阵列，实现掉电恢复。
2.根据权利要求1所述的基于非易失性存储器和软件RAID的缓存***，其特征在于：所述Device Mapper驱动模块Buaacache基于开源方案dm-cache进行二次开发，将dm-cache从内核3.10版本移植到内核4.4长期支持版本，具体移植步骤包括第1.1步和第1.2步：
第1.1步：在块设备读写请求字段bio字段中新增bvec_iter结构体，封装原来属于bio中bi_sector,bi_size,bi_idx和bi_bvec_done四个关键字段；
第1.2步：在Device Mapper字段dm_io_memory和dm_io_memtype中，分别用structbio*bio替代struct bio_vec，DM_IO_BIO替代DM_IO_BVEC。
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