基于時間戳的FTL實現(xiàn)的連續(xù)數(shù)據(jù)恢復方法

袁 芳，劉 偉，宋賀倫，張耀輝

（1.中國科學院大學 納米技術(shù)與納米仿生研究所，北京100049；2.中國科學院 蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所 系統(tǒng)集成部，江蘇 蘇州215123）

0 引 言

為了保證存儲信息的安全，很多研究者提出連續(xù)數(shù)據(jù)保護 （continuous data protection，CDP）方法。固態(tài)硬盤（solid state drive，SSD）是采用半導體存儲介質(zhì)進行數(shù)據(jù)存儲和讀取的一種存儲設備。它因為數(shù)據(jù)存取速度快、體積小、功耗小、噪音低、發(fā)熱量小、抗震能力好、不易損壞等優(yōu)點而備受關(guān)注。要實現(xiàn)CDP，需要記錄數(shù)據(jù)的每次更新信息，這些信息將占用大量額外的存儲空間，雖然很多研究者著力于研究怎么分散這些存儲空間，但又會對設備的性能造成影響。在SSD 中，由于閃存的固有特性，不存在嚴格意義的覆蓋寫，SSD 不允許直接向一塊已經(jīng)寫入數(shù)據(jù)的區(qū)域再寫入數(shù)據(jù)。如果要達到覆蓋寫的效果，必須首先執(zhí)行一次擦除操作，將數(shù)據(jù)塊的原有數(shù)據(jù)進行擦除，然后再寫入新的數(shù)據(jù)。這些未被擦除的數(shù)據(jù)恰巧可以用來實現(xiàn)CDP，基于此點出發(fā)，本文提出應用在SSD 上的CDP方法，它很好地解決了由于數(shù)據(jù)的變化信息而占用存儲空間的問題，并且由于不需要記錄數(shù)據(jù)的更新信息，其對硬盤的性能影響非常小。

1 研究背景和思路

CDP技術(shù)在很多領(lǐng)域都有廣泛應用，如電力企業(yè)數(shù)據(jù)中心建設、醫(yī)院信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)保護［1］等等。典型的連續(xù)時間保護方法的實現(xiàn)可以基于數(shù)據(jù)塊層、文件層和應用層?；跀?shù)據(jù)塊的連續(xù)時間數(shù)據(jù)保護方法直接在物理存儲設備上運行，需要將所有更改過的數(shù)據(jù)塊按時間順序保存下來；它與應用的相關(guān)性比較小 （與文件系統(tǒng)，設備無關(guān)）?；谖募壍倪B續(xù)數(shù)據(jù)保護方法工作在文件系統(tǒng)上，可以跟蹤文件系統(tǒng)中文件數(shù)據(jù)或元數(shù)據(jù)的改變，及時備份這些變動信息，并記錄發(fā)生改變的時間。基于應用層的連續(xù)時間數(shù)據(jù)保護是在受保護的應用程序中直接插入并運行連續(xù)時間數(shù)據(jù)保護功能程序代碼，它能實現(xiàn)與應用程序的無縫整合，確保應用程序的數(shù)據(jù)在連續(xù)數(shù)據(jù)保護過程中的一致性，管理靈活，用戶容易部署和實施。但是上訴實現(xiàn)方法均需要大量額外的存儲空間來保存數(shù)據(jù)的改變。數(shù)據(jù)塊級別的連續(xù)時間數(shù)據(jù)保護因為與應用的相關(guān)性小，成為很多研究者研究的目標。傳統(tǒng)磁盤因為是 “原地更新”，舊數(shù)據(jù)會被新數(shù)據(jù)覆蓋，為了可以恢復任意時間點的數(shù)據(jù)，需要在數(shù)據(jù)更新時備份數(shù)據(jù)的變化。備份這些數(shù)據(jù)需要占用大量的存儲空間。很多研究者著力于研究怎樣最大限度的降低這種空間浪費，并且能夠在故障發(fā)生時盡快的恢復數(shù)據(jù)。NPCDP［2］將鄰近時間點恢復劃分為4 種類型，給出一種用“位表”標記差異數(shù)據(jù)塊、把多余數(shù)據(jù)剔除、缺少數(shù)據(jù)寫入的 “差異算法”，減少了數(shù)據(jù)讀寫、開銷，提高了恢復效率。MM－CDP［3］設計了3 種元數(shù)據(jù)管理方法，包括簡單的基于MySQL 數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)的DIR－MySQL、OPTMySQL和根據(jù)應用特點設計的META－CDP，前兩種隨著恢復數(shù)據(jù)的增加，所需的恢復時間增加，而后一種恢復時間增加很小，效率要高很多。TH－CDP［4］采用日志結(jié)構(gòu)，并把數(shù)據(jù)塊的每次更新信息存儲在原始磁盤上。HSTIM［5］旨在提高連續(xù)數(shù)據(jù)保護的響應時間。VDISK［6］是另外一個可靠的數(shù)據(jù)塊級別保護的系統(tǒng)，它通過一個用戶級別的工具來驅(qū)動和解釋變化數(shù)據(jù)，并將它記錄進一個只讀盤中，同時它對標準的文件系統(tǒng)也提供文件粒度的保護。

雖然上述這些應用在硬盤上的方法都旨在解決因為CDP而帶來的各種問題，但卻沒有考慮硬盤的存儲介質(zhì)的特性。對于SSD 來說，在閃存中由于特殊的數(shù)據(jù)復寫機制，舊的數(shù)據(jù)被擦除之前仍舊逗留在閃存中，在舊數(shù)據(jù)未被垃圾回收 （garbage collection，GC）［7］之前，它代表的恰恰就是CDP需要保存的歷史數(shù)據(jù)。另外閃存的讀寫單位為頁，這與我們的操作系統(tǒng)讀寫數(shù)據(jù)單位不同。而為了不加重操作系統(tǒng)的負擔，SSD 采用軟件的方式建立上層系統(tǒng)和閃存的聯(lián)系，這就是閃存地址映射層 （flash translation layer，F(xiàn)TL）［8］。當文件系統(tǒng)發(fā)送指令要寫入或者更新一個特定的邏輯頁時，F(xiàn)TL實際上是把數(shù)據(jù)寫入到一個不同的空閑物理頁，并更新映射信息，最后把這個頁上包含的 “舊數(shù)據(jù)”標記為 “無效”。想要恢復某個時刻的數(shù)據(jù)，需要滿足兩個條件，一是該時刻的數(shù)據(jù)依然存在閃存中，二是FTL 中映射信息表中此數(shù)據(jù)的物理地址為該時刻該數(shù)據(jù)存儲的位置。因此為了實現(xiàn)連續(xù)數(shù)據(jù)保護，在確保數(shù)據(jù)存在的前提下，還要恢復FTL中的映射信息。本文就是基于SSD 的這種天然特性出發(fā)提出的利用其使用過程中的殘留數(shù)據(jù)進行的連續(xù)數(shù)據(jù)保護方法。為了提高硬盤的性能，F(xiàn)TL 的相關(guān)信息存儲在以DRAM 為介質(zhì)的內(nèi)存中。BVSSD［9］提出的基于SSD 的連續(xù)時間數(shù)據(jù)保護方法，在內(nèi)存中記錄FTL中映射信息的每次變化。雖然它是利用了SSD 的介質(zhì)特性，但需要在內(nèi)存中記錄數(shù)據(jù)更新所引起的映射信息的改變，相對來說也占用了額外的DRAM 空間。本文提出的方法中，在映射信息表中加入時間戳，映射信息直接與時間相關(guān)，不需要在DRAM 中開辟額外空間記錄每次映射關(guān)系的改變。BVSSD 中受DRAM 空間的限制，可以保存的FTL的變化信息有限，這樣就導致數(shù)據(jù)可恢復時間短，本文通過使可以恢復的時間始終保持在一個穩(wěn)定的區(qū)間。

2 設計方案介紹

SSD 中數(shù)據(jù)在邏輯和物理層的管理結(jié)構(gòu)如圖1 所示。主要包括兩個部分，閃存地址映射層和數(shù)據(jù)存儲層。用戶端向硬盤中寫數(shù)據(jù)時，地址映射層為該邏輯地址分配物理地址。首先在DRAM 中記錄此邏輯地址對應的物理地址和寫入時間，然后將數(shù)據(jù)寫入閃存的該物理地址處，并同時將該數(shù)據(jù)寫入時間記錄在FLASH 的該物理地址對應的OOB區(qū)域中。用戶提出恢復申請前需要知道硬盤可以恢復的時間范圍，即為恢復窗口，此時間存儲在圖1中的NOR FLASH 中。在垃圾回收時，本方案的垃圾回收策略確保那些在恢復窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)不被回收。當用戶告知硬盤想要恢復的時間點，硬盤即還原此時間點時的地址映射層中的映射信息，如此即可完成數(shù)據(jù)的恢復。

2.1 閃存地址映射層

地址映射采用頁映射［10］，包括邏輯頁和物理頁一一對應的映射表、標識每個物理頁有效性的位圖和其它一些控制信息表格。映射表中每條映射信息包括邏輯地址、物理地址和寫入時間，因為每次數(shù)據(jù)的讀寫都需要訪問映射表，為了可以快速操作映射表，把它存儲于DRAM 中。位圖所占空間大小為若干個字節(jié)，其中每一個Bit代表物理空間中的一個物理頁，當某一Bit位為1時表示它對應的物理頁是有效頁，否則為0時表示該物理頁是無效頁。其它控制信息是指為地址分配提供輔助作用的一些標識信息，如：記錄每個Block中有效頁的個數(shù)的表格等。主機端進行讀操作時，硬盤根據(jù)地址映射表中該邏輯地址對應的物理地址進行讀取。主機端進行寫操作時，F(xiàn)TL 會新分配一個物理頁來寫入數(shù)據(jù)，這個物理頁的物理地址和當前寫入時間會更新到映射表中。由于加入了時間戳標記，映射信息表中映射信息與時間直接相關(guān)，反映的是時間點上的映射信息。

圖1 數(shù)據(jù)管理的結(jié)構(gòu)

2.2 物理存儲區(qū)

包括基于NAND FLASH 的存儲區(qū)和基于NOR FLASH 的存儲區(qū)。在NAND FLASH 區(qū)管理中，將若干個數(shù)據(jù)頁組合成一個可以擦除的數(shù)據(jù)塊，數(shù)據(jù)塊的大小取決于閃存的物理結(jié)構(gòu)。每個數(shù)據(jù)頁包含數(shù)據(jù)區(qū) （Data Zone）和帶外區(qū) （OOB Zone），數(shù)據(jù)區(qū)存儲用戶的數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)頁中數(shù)據(jù)的寫入時間值和數(shù)據(jù)校驗信息存儲在OOB 區(qū)中。OOB是FLASH 中為了存放每個數(shù)據(jù)頁的校驗數(shù)據(jù) （ECC）和其它一些控制信息的，對用戶不可見，在Flash顆粒出廠時就預留的，可以在其中添加一些控制信息來提升性能或者添加功能，本文中在其中記錄每個數(shù)據(jù)頁的寫入時間。Nor Flash區(qū)中包含若干個扇區(qū)單元，扇區(qū)是擦除操作得最小單位，它包含若干個Byte，Byte是讀寫操作的最小單位。當要寫數(shù)據(jù)到Nor Flash中時，可以指定任意的物理地址。當要讀取其中的數(shù)據(jù)時，可以讀取指定地指處的某個Byte。當執(zhí)行擦除操作時，必須擦除一個扇區(qū)，擦除成功的扇區(qū)可以再次用來存儲數(shù)據(jù)。

2.3 垃圾回收機制 （GC）

數(shù)據(jù)存儲在NAND FLASH 中，寫入單位為數(shù)據(jù)頁，也即是地址映射層中的物理頁地址。因為固態(tài)硬盤不支持“原地更新”操作，若一個物理地址空間中已經(jīng)寫入數(shù)據(jù)，當希望再次寫入此地址空間時，首先要擦除其中的數(shù)據(jù)，也即是 （寫前擦除）。由于閃存的擦除單位是 “塊”，因此需要當整個塊達到一定條件后，才會進行擦除。當硬盤空間不足時，為了保證硬盤的正常讀寫性能，需要擦除一些數(shù)據(jù)塊。選擇哪些數(shù)據(jù)塊，何時進行擦除以及塊中數(shù)據(jù)如何處理也即是GC［10］機制需要考慮的問題。

假定一個數(shù)據(jù)塊被選作擦除，首先需要將此數(shù)據(jù)塊中有效的頁搬移到別的數(shù)據(jù)塊中，然后擦除此數(shù)據(jù)塊，以用作后續(xù)數(shù)據(jù)的寫入。為了減少搬移操作的負擔，盡量選取那些其中有效數(shù)據(jù)比較少的數(shù)據(jù)塊，另外，考慮到數(shù)據(jù)保護，F(xiàn)TL用位圖來代表硬盤中哪些數(shù)據(jù)頁是有效的，位圖中每一位來標識每個數(shù)據(jù)頁的有效性，這樣可以靈活的控制數(shù)據(jù)頁，對于那些CDP需要保護的數(shù)據(jù)，在擦除前也需要搬移到新的數(shù)據(jù)塊中，以備數(shù)據(jù)恢復時使用。這一點與一般SSD 的GC機制是不同的，一般SSD 的GC 機制會將這些歷史數(shù)據(jù)都刪除，不會進行搬移。因為數(shù)據(jù)搬移引起的寫操作和用戶端的數(shù)據(jù)寫不同，它在硬盤中記錄數(shù)據(jù)頁的寫入時間時，記錄的是從該頁中讀出的時間值，此時間值是最初用戶數(shù)據(jù)寫入硬盤時記錄的寫入時間。

2.4 恢復窗口

恢復窗口 （recovery window）指的是硬盤的CDP可以恢復的最遠時刻，從當前時刻到恢復窗口的這段時間的數(shù)據(jù)可以恢復。因為本文利用殘留在硬盤中未被回收的數(shù)據(jù)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)保護，但是一些數(shù)據(jù)可能因為硬盤空間不足而被回收。因此可以恢復的時間窗口是會變化的。硬盤需要告知用戶哪些時間的數(shù)據(jù)仍然可以恢復，這就需要恢復窗口的概念。

因為垃圾回收時會擦除一些數(shù)據(jù)頁，這些數(shù)據(jù)頁中的數(shù)據(jù)不能再恢復，這會造成恢復窗口的改變。為了能實時告知用戶最新的恢復窗口，需要記錄它的每次變化。如果恢復窗口用數(shù)據(jù)頁中數(shù)據(jù)的寫入時間來表示，它會頻繁更新，會占用存儲空間，也會對硬盤的性能造成一定的影響。本文中恢復窗口用數(shù)據(jù)塊的標識來表示，因為垃圾回收的單位為數(shù)據(jù)塊，當由于數(shù)據(jù)塊被回收而引起恢復窗口改變時才進行更新，這大大降低了更新的頻率。另外，更新窗口值時只需要計算數(shù)據(jù)塊的標識號，不需要再讀取Flash中的數(shù)據(jù)頁，減小了對硬盤性能的影響。在NOR FLASH中，僅使用其中的小部分空間來記錄數(shù)據(jù)塊標識，這里用其中的兩個扇區(qū)來記錄。每個數(shù)據(jù)塊標識占4個Byte，每個扇區(qū)可以記錄若干個塊標識，當一個扇區(qū)剩余的空間不夠存下一個標識時，則在新的扇區(qū)中繼續(xù)寫，為了安全性，不讓一個塊標識跨越兩個扇區(qū)?？紤]到數(shù)據(jù)塊的標識對用戶不可見，當用戶需要恢復窗口值時，通過記錄的最新的數(shù)據(jù)塊標識，讀取OOB 中記錄的此數(shù)據(jù)塊的第一個數(shù)據(jù)頁中的數(shù)據(jù)寫入時間，此時間值也既是硬盤可恢復的最遠時刻。

由于本文的GC 策略，SSD 始終能保存的數(shù)據(jù)量幾乎可以達到其容量的大小，比如一天寫入20GB 的數(shù)據(jù)，那一個60G 大的盤可以恢復的時間可達3天。

2.5 數(shù)據(jù)恢復過程

例如：要回退到T 時刻，具體恢復過程如下：

（1）用戶通過應用程序向硬盤發(fā)送獲取時間窗口的命令，硬盤在接收到命令后，從NOR FLASH 中讀取記錄的最新的數(shù)據(jù)塊標識，讀取此標識數(shù)據(jù)塊中數(shù)據(jù)頁的OOB區(qū)中記錄的時間值，此時間值即為硬盤可以恢復的最遠時間窗口點，通過應用程序?qū)⒋藭r間值告知用戶。

（2）用戶根據(jù)獲取的時間窗口，告知硬盤需要回退的時間點T；將它寫入到NOR FLASH 中，硬盤根據(jù)NOR FLASH 中的記錄信息來確定是否需要進行恢復過程。

（3）因為回退后會照成硬盤中數(shù)據(jù)狀態(tài)的變化，為了保證數(shù)據(jù)的正確性，在進行回退前對硬盤進行安全關(guān)機。

（4）硬盤上電，開始恢復。首先查看NOR FLASH 中是否有回退時間T，如果有，則用戶提出了恢復請求。由于地址映射層反映的是某一時刻硬盤中的數(shù)據(jù)的地址映射情況，要恢復某一時刻的數(shù)據(jù)，需要將此時刻的硬盤中數(shù)據(jù)所在的地址更新到地址映射層中。

（5）掃描OBB中每個數(shù)據(jù)頁的寫入時間。在掃描過程中，其中的數(shù)據(jù)頁中的數(shù)據(jù)有兩種情況，或者是由于GC造成的數(shù)據(jù)搬移時寫入的，或者是HOST 端寫入的。對于其中掃描到的因搬移而寫入的頁，查看其中記錄的寫入數(shù)據(jù)的時間戳，如果時間戳大于映射表中該條映射信息中記錄的時間戳，則修改映射表。對于其中掃描到的每一個HOST 端寫入的頁，查看其中記錄的寫入數(shù)據(jù)的時間戳，如果時間戳大于映射表中該條映射信息中記錄的時間戳，并且小于要恢復的時間點T，則修改映射信息。

（6）掃描完成后，映射信息都已經(jīng)恢復完成，備份映射信息，以防止掉電。

（7）擦除NOR FLASH 中的回退時間T，恢復完成。

數(shù)據(jù)恢復流程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)恢復流程

3 測試結(jié)果分析

選擇Intel L84A 顆 粒，共64 G 大 小 的Flash 顆 粒，DRAM 為64 MB，通過SATA 對硬盤進行數(shù)據(jù)讀寫操作。在上述條件下進行硬盤數(shù)據(jù)恢復的功能性測試和性能測試，并與未添加連續(xù)數(shù)據(jù)保護的硬盤做了測試對比，同時對其它實現(xiàn)連續(xù)數(shù)據(jù)保護的策略進行了對比分析。

為了更加直觀的觀察每個恢復點的硬盤數(shù)據(jù)狀態(tài)，編寫了應用程序，將需要寫入硬盤的數(shù)據(jù)設定為寫入硬盤時的精確到秒級的系統(tǒng)時間。測試發(fā)現(xiàn)當硬盤完成恢復點的恢復時，其中數(shù)據(jù)狀態(tài)可以準確達到恢復點時的數(shù)據(jù)狀態(tài)，誤差僅在2～3s之內(nèi)。另外，在任意時間往硬盤中寫入文件或者文件夾，當需要恢復到任意時間點時，可以直觀地看出這些文件和文件夾在硬盤中的狀態(tài)。如圖3所示：在T1時刻，硬盤中只有之前寫入的文件夾，在T2時刻，硬盤中有文件夾和新寫入的Word文檔，在T3時刻硬盤中有文件夾、Word文檔和新寫入的TXT 文檔。在Now 時刻，用戶發(fā)現(xiàn)錯誤，想要硬盤的狀態(tài)恢復到T 時刻，硬盤完成恢復操作后，硬盤中的只有之前寫入的文件夾和Word文檔。

圖3 實現(xiàn)結(jié)果

因為并不需要記錄每次數(shù)據(jù)的變化引起的映射信息的變化，所以并不需要占用大量額外的內(nèi)存空間，表1中為內(nèi)存主要占用情況。其中除了地址映射表外，還包括記錄數(shù)據(jù)頁有效性的位圖表以及記錄每個數(shù)據(jù)塊中有效頁個數(shù)的表格。

在設定需要恢復的時間點后，硬盤中的數(shù)據(jù)會恢復到恢復點的狀態(tài)。在恢復的過程中所占用的時間主要是FLASH 中的塊掃描、塊排序。恢復時間見表2。在最好的情況下，F(xiàn)TL的最新備份可用，在最壞的情況下，最新備份不能用，需要掃描更多的數(shù)據(jù)頁，從表中數(shù)據(jù)可以看出，即使最差情況恢復時間也是相當短的。

表2 恢復時間

對硬盤的性能進行了測試，對添加此功能和不添加此功能的SSD 分別做了測試，其中圖4中pattern1為Sequential Read；pattern2 為Sequential Write；pattern3 為Random Read；pattern4為Random Write；pattern5為Random Read，4KB，Queue depth 1；pattern6為Random Write，4 KB，Queue depth 1；pattern7 為Random Read，4 KB，Queue depth 32；pattern8為Random Write，4KB，Queue depth 32；從圖中可以看出，在添加了CDP 的情況下，并未對SSD 的性能造成明顯影響。

圖4 帶CDP的SSD 與原始SSD 讀寫性能比較

圖5中是和BVSSD 的結(jié)果進行的對比，可以看出對不添加數(shù)據(jù)保護的SSD 的影響，本文的影響明顯小。像本文之前提到的，BVSSD 在RAM 中用一個表格來存儲FTL 中映射信息的每次改變，因為RAM 空間的限制，當此表格裝滿時，就把此表格中的信息存儲到FLASH 中，然后可以再次使用此表格記錄變化的映射信息。因為在硬盤寫的過程中，映射信息的變化很頻繁，需要不停的在RAM 和FLASH 之間切換，這會對硬盤的寫性能造成影響。而本方法則不存在這個問題。

4 結(jié)束語

圖5 本文和BVSSD 對原始SSD 性能影響

本文提出了一種應用在固態(tài)硬盤上的連續(xù)數(shù)據(jù)保護方法，包括歷史數(shù)據(jù)保護和地址映射層的建立和恢復，詳細說明了設計的思路和詳細實現(xiàn)方法，并對該方法進行了全面的分析。根據(jù)固態(tài)硬盤的天然特性，利用其中殘留數(shù)據(jù)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)保護，解決了CDP中由于歷史數(shù)據(jù)備份帶來的空間浪費問題。在固態(tài)硬盤的閃存地址映射層中引入時間戳的概念，有效降低了CDP對硬盤帶來的性能影響。另外需要說明的是本文是在特定平臺上進行的測試分析，不同的平臺差異可能會導致結(jié)果略微存在差異。

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