一種網絡備份系統的數據高速緩存方法

（四川大學 計算機學院， 成都 610065）

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摘要：

提出了一種網絡備份系統的數據高速緩存方法，可用于本地數據帶寬大于備份線路帶寬的備份系統中，尤其是基于Internet的備份系統。該方法通過在本地服務器上部署高速緩存器來暫存服務器的變化數據，并在稍后通過備份線路將緩存的數據發送到遠程服務器進行備份。

關鍵詞：備份系統； 高速緩存器； 塊設備

中圖分類號：TP309.3文獻標志碼：A

文章編號：10013695(2009)03107603

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Data caching method for network backup system

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KANG Shiliang， ZHAO Kui， HU Xiaoqin， HUANG Chengji， CHEN Dongping， LI Guofeng

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(School of Computer Science， Sichuan University， Chengdu 610065， China)

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Abstract:

This paper proposed a method for caching data in the network backup system. This method could be implemented in the backup system of which the data bandwidth was exceeding the network bandwidth. Especially， the backup system was based on Internet. First of all， a high speed buffer was deployed in the local server to cache the changing data. And then the cached data was sent to the remote server through the backup transmission line.

Key words：backup system; high speed buffer; block device

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隨著信息技術的不斷發展，越來越多的公司使用計算機來存儲數據，數據的丟失和損壞無疑會對公司帶來災難性的后果。在異地建立遠程備份中心，將本地服務器產生的數據通過網絡傳輸到遠程備份中心進行備份[1]，這對于保證數據的完整性和一致性具有重要意義[2]。

傳統的網絡備份系統在備份本地的海量數據時，通常面臨著本地數據帶寬大于備份線路帶寬的突出矛盾。為了緩解這一矛盾，傳統的網絡備份系統使用光纖通道（fiber channel）及存儲局域網（storage area network）等遠程存儲技術[3]來提高備份線路的帶寬。這些技術均高度依賴于價格非常昂貴的高速專線，使得網絡備份系統的建設成本十分驚人[4]。而且這種方法對備份線路帶寬只能作有限的提高，往往無法趕上本地數據帶寬的增長幅度。

針對上述情況，本文設計了一種網絡備份系統的數據高速緩存方法，該方法使用高速緩存器來暫存服務器上的變化數據。高速緩存器能夠暫存的數據越多，網絡備份系統能夠容忍備份線路的帶寬限制、速度變化和傳輸故障等不利因素的能力就越強。

1備份系統體系架構

1.1總體架構

如圖1所示，網絡備份系統從物理上分為本地數據中心和遠程備份中心兩個部分。

本地數據中心由多個本地服務器組成，本地服務器包括負責提供日常服務的應用程序和數據。

遠程備份中心由多個遠程備份服務器組成，遠程備份服務器負責存儲本地服務器的備份數據。

1.2功能模塊

如圖2所示，網絡備份系統可以劃分為數據監控模塊、高速緩存模塊、網絡發送模塊以及遠程存儲模塊。

數據監控模塊實現在塊設備驅動[4]一層，負責截獲向監控分區提交的寫操作。當本地服務器發生數據變化時，數據監控模塊截獲監控分區的寫操作，并提取出其中的有效數據[5]，然后將其提交給高速緩存模塊進行暫存。待由有效數據封裝成的備份記錄成功并寫入高速緩存器后，該模塊才會提交截獲的寫操作到監控分區。

高速緩存模塊負責解決本地服務器的數據生成速度與Internet的發送速度不匹配的問題。在將截獲的有效數據封裝成備份記錄后，高速緩存模塊首先將備份記錄寫入高速緩存器暫存，并在稍后本地服務器負載較輕時，從高速緩存器中按序讀出備份記錄并提交給網絡發送模塊。

網絡發送模塊負責接收來自高速緩存器的備份記錄，并將其通過Internet發送到遠程備份服務器進行備份，然后待備份記錄在遠程備份服務器成功存儲后，網絡發送模塊通知高速緩存模塊將已經成功發送的備份記錄標志為無效，并回收它們占用的高速緩存器中的空間。

遠程存儲模塊負責接收來自本地服務器的備份記錄，并驗證備份記錄中的數據正確性，隨后將備份記錄存儲在遠程存儲池中。

2數據高速緩存方法

由于網絡備份系統在提交本地服務器的寫操作前，需要先將封裝好的備份記錄暫存在高速緩存器中，高速緩存器必須擁有較高的訪問速度，才不會對本地服務器的I/O性能產生很大的影響。

如果將高速緩存器部署在內存中，則高速緩存器的訪問速度無疑是最快的。由于網絡備份系統使用傳輸速度較慢的Internet作為備份線路，這就要求高速緩存器能夠容納較多的備份記錄。而在內存中開辟的高速緩存器無疑只能容納少量的備份記錄，從而導致高速緩存器飽和的幾率大大增加。這時，網絡備份系統只有暫停備份記錄的暫存，并等待高速緩存器中的備份記錄成功發送到遠程備份服務器后，再進行備份記錄的暫存。這種做法無疑會大幅度地降低本地服務器的I/O性能[6]。

經過實驗和分析，本文選擇將高速緩存器部署在塊設備上。因為塊設備擁有相對較快的訪問速度，同時可以緩存較多的備份記錄，這樣，部署在塊設備上的高速緩存器既不會對本地服務器的I/O性能產生較大的影響，同時也可以忍受較慢的網絡傳輸速度。

2.1高速緩存器的工作原理

網絡備份系統可以在本地服務器的磁盤上劃分一個分區或在磁盤上創建一個位于連續的磁盤空間中的文件來充當高速緩存器。

由于數據監控模塊工作在塊設備驅動一層，高速緩存模塊使用磁盤偏移來進行備份記錄的寫入和讀取操作。

在高速緩存器的初始化時，高速緩存模塊會獲取高速緩存器在磁盤上的起始偏移。當網絡備份系統進行數據備份時，高速緩存模塊使用備份記錄的長度與高速緩存器的起始偏移計算出讀寫高速緩存器的磁盤偏移。

2.2備份記錄的封裝

當本地服務器發生數據變化時，高速緩存模塊將截獲到的數據封裝成備份記錄：

record〈target， data， offset， length， h〉

其中：target表示備份任務的標志；data表示備份數據的內容；offset表示備份數據在監控分區上的位置；length表示備份數據的長度；h表示備份記錄的驗證摘要值。

高速緩存模塊依據公式h=H(target+data+offset)為每一個備份記錄生成一個驗證摘要值。其中：+表示字符串的連接運算；H為散列函數，可以是MD5、SHA1等。遠程存儲模塊通過比較驗證摘要值來檢測備份記錄是否在傳輸過程中出現錯誤[7]。

2.3高速緩存器的初始化

如圖3所示，高速緩存器由高速緩存器描述符和多個備份記錄組成。

在本地服務器的磁盤上成功創建高速緩存器后，需要在其頭部填入高速緩存器描述符的內容，包括高速緩存器容量bcapacity、備份記錄長度rsize、備份記錄數rnum、高速緩存器起始偏移bstart、當前寫指針wpos和當前讀指針rpos。其中，bcapacity表示高速緩存器的容量，它的值為高速緩存器可以存儲的最大備份記錄個數；rsize表示存儲在高速緩存器中備份記錄的長度；rnum表示高速緩存器中暫存的備份記錄數；bstart表示高速緩存器在本地服務器磁盤上存儲備份記錄的起始偏移；wpos和rpos分別表示高速緩存器當前可以進行寫入和讀取備份記錄的位置。

初始化時，高速緩存模塊在獲取高速緩存器在本地磁盤上的起始位置后，將其加上高速緩存器描述符大小后賦給bstart，并根據從備份任務得到的備份記錄長度rsize計算出高速緩存器的容量bcapacity；最后將rnum、wpos和rpos三項分別置0。

2.4高速緩存器的寫入操作

當備份記錄record封裝完成后，高速緩存模塊根據當前寫指針wpos計算出高速緩存器的當前寫偏移woffset，然后根據woffset將備份記錄寫入到高速緩存器中暫存。待備份記錄寫入成功后，高速緩存模塊更新當前寫指針wpos和備份記錄數rnum。

高速緩存器寫入步驟具體如下：

Fwrite ：

begin

capture changing data in local server

calculate the checksum digest h

encapsulate record

while rnum==bcapacity

do mark time and wait a interval

woffset←wpos×rsize+bstart

put record into the high speed buffer

wpos←(wpos+1)%bcapacity

rnum←rnum+1

end

3.5高速緩存器的讀取操作

當從高速緩存器中讀取備份記錄時，高速緩存模塊根據當前讀指針rpos計算出高速緩存器的當前讀偏移roffset，并根據roffset來讀取備份記錄。待讀取備份記錄成功后，高速緩存模塊更新當前讀指針rpos和備份記錄數rnum。

高速緩存器讀取步驟具體如下：

Fread ：

begin

while rnum==0

do mark time and wait a interval

roffset←rpos×risze+bstart

get record from the high speed buffer

send the record to the remote backup server

rpos←(rpos+1)%bcapacity

rnum ←rnum-1

end

3實驗分析

由于在本地服務器上引入了高速緩存器來暫存備份記錄，就必須保證高速緩存器的引入不會對本地服務器的I/O性能產生較大的影響。

筆者搭建了一個部署高速緩存器的本地服務器來測試高速緩存方法對本地服務器I/O性能的影響。

本地服務器的硬件配置為Intel Pentinum 4 2.40GHz的CPU，512 MB內存，7 200轉SCSI磁盤，操作系統為Linux，內核版本為2.4.31。

本文采用Iometer作為測試工具，對一個60 GB大小監控分區進行連續的數據讀寫。每次向監控分區讀寫32、64、128、256、512 KB以及1 MB的數據，總共連續讀寫10、15、20、25、30、35 GB的數據。本文分別測試了沒有部署高速緩存器和部署了高速緩存器的本地服務器的I/O性能，測試結果如表1所示。

圖4、5分別反映了沒有部署高速緩存器和部署了高速緩存器的本地服務器寫性能比較和讀性能比較。

如圖4所示，在部署了高速緩存器后，本地服務器的寫性能出現了大約6%～10%的下降。這是由于在完成本地服務器上的寫操作前，需要將備份記錄寫入高速緩存器進行暫存。這就為本地服務器引入了額外的寫操作，會對本地服務器的寫性能帶來不同程度的損失。如圖5所示，由于數據監控模塊并沒有監控本地服務器的讀操作，高速緩存器的引入并沒有降低本地服務器的讀性能。

4結束語

本文提出了一種用于網絡備份系統的數據高速緩存方法。該方法通過在本地服務器上引入高速緩存器來暫存本地服務器上的變化數據，解決了本地數據帶寬與備份線路帶寬互不匹配的問題，降低了網絡備份系統對備份傳輸線路帶寬以及穩定性的要求。

參考文獻:

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