袁 芳，劉 偉，宋賀倫，張耀輝

（1.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 納米技術(shù)與納米仿生研究所，北京100049；2.中國(guó)科學(xué)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(chǔ)信息的安全，很多研究者提出連續(xù)數(shù)據(jù)保護(hù) （continuous data protection，CDP）方法。固態(tài)硬盤（solid state drive，SSD）是采用半導(dǎo)體存儲(chǔ)介質(zhì)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和讀取的一種存儲(chǔ)設(shè)備。它因?yàn)閿?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(diǎn)而備受關(guān)注。要實(shí)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(chǔ)空間，雖然很多研究者著力于研究怎么分散這些存儲(chǔ)空間，但又會(huì)對(duì)設(shè)備的性能造成影響。在SSD 中，由于閃存的固有特性，不存在嚴(yán)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(dá)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(jìn)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(shí)現(xiàn)CDP，基于此點(diǎn)出發(fā)，本文提出應(yīng)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(chǔ)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(duì)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(yīng)用，如電力企業(yè)數(shù)據(jù)中心建設(shè)、醫(yī)院信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)保護(hù)［1］等等。典型的連續(xù)時(shí)間保護(hù)方法的實(shí)現(xiàn)可以基于數(shù)據(jù)塊層、文件層和應(yīng)用層?；跀?shù)據(jù)塊的連續(xù)時(shí)間數(shù)據(jù)保護(hù)方法直接在物理存儲(chǔ)設(shè)備上運(yùn)行，需要將所有更改過的數(shù)據(jù)塊按時(shí)間順序保存下來；它與應(yīng)用的相關(guān)性比較小 （與文件系統(tǒng)，設(shè)備無關(guān)）?；谖募?jí)的連續(xù)數(shù)據(jù)保護(hù)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(shí)備份這些變動(dòng)信息，并記錄發(fā)生改變的時(shí)間。基于應(yīng)用層的連續(xù)時(shí)間數(shù)據(jù)保護(hù)是在受保護(hù)的應(yīng)用程序中直接插入并運(yùn)行連續(xù)時(shí)間數(shù)據(jù)保護(hù)功能程序代碼，它能實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用程序的無縫整合，確保應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)在連續(xù)數(shù)據(jù)保護(hù)過程中的一致性，管理靈活，用戶容易部署和實(shí)施。但是上訴實(shí)現(xiàn)方法均需要大量額外的存儲(chǔ)空間來保存數(shù)據(jù)的改變。數(shù)據(jù)塊級(jí)別的連續(xù)時(shí)間數(shù)據(jù)保護(hù)因?yàn)榕c應(yīng)用的相關(guān)性小，成為很多研究者研究的目標(biāo)。傳統(tǒng)磁盤因?yàn)槭?“原地更新”，舊數(shù)據(jù)會(huì)被新數(shù)據(jù)覆蓋，為了可以恢復(fù)任意時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)，需要在數(shù)據(jù)更新時(shí)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(chǔ)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(fèi)，并且能夠在故障發(fā)生時(shí)盡快的恢復(fù)數(shù)據(jù)。NPCDP［2］將鄰近時(shí)間點(diǎn)恢復(fù)劃分為4 種類型，給出一種用“位表”標(biāo)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(fù)效率。MM－CDP［3］設(shè)計(jì)了3 種元數(shù)據(jù)管理方法，包括簡(jiǎn)單的基于MySQL 數(shù)據(jù)庫的實(shí)現(xiàn)的DIR－MySQL、OPTMySQL和根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)設(shè)計(jì)的META－CDP，前兩種隨著恢復(fù)數(shù)據(jù)的增加，所需的恢復(fù)時(shí)間增加，而后一種恢復(fù)時(shí)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(chǔ)在原始磁盤上。HSTIM［5］旨在提高連續(xù)數(shù)據(jù)保護(hù)的響應(yīng)時(shí)間。VDISK［6］是另外一個(gè)可靠的數(shù)據(jù)塊級(jí)別保護(hù)的系統(tǒng)，它通過一個(gè)用戶級(jí)別的工具來驅(qū)動(dòng)和解釋變化數(shù)據(jù)，并將它記錄進(jìn)一個(gè)只讀盤中，同時(shí)它對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的文件系統(tǒng)也提供文件粒度的保護(hù)。

雖然上述這些應(yīng)用在硬盤上的方法都旨在解決因?yàn)镃DP而帶來的各種問題，但卻沒有考慮硬盤的存儲(chǔ)介質(zhì)的特性。對(duì)于SSD 來說，在閃存中由于特殊的數(shù)據(jù)復(fù)寫機(jī)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(fù)擔(dān)，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(dāng)文件系統(tǒng)發(fā)送指令要寫入或者更新一個(gè)特定的邏輯頁時(shí)，F(xiàn)TL實(shí)際上是把數(shù)據(jù)寫入到一個(gè)不同的空閑物理頁，并更新映射信息，最后把這個(gè)頁上包含的 “舊數(shù)據(jù)”標(biāo)記為 “無效”。想要恢復(fù)某個(gè)時(shí)刻的數(shù)據(jù)，需要滿足兩個(gè)條件，一是該時(shí)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(shí)刻該數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的位置。因此為了實(shí)現(xiàn)連續(xù)數(shù)據(jù)保護(hù)，在確保數(shù)據(jù)存在的前提下，還要恢復(fù)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(jìn)行的連續(xù)數(shù)據(jù)保護(hù)方法。為了提高硬盤的性能，F(xiàn)TL 的相關(guān)信息存儲(chǔ)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(shí)間數(shù)據(jù)保護(hù)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(duì)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(shí)間戳，映射信息直接與時(shí)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(dǎo)致數(shù)據(jù)可恢復(fù)時(shí)間短，本文通過使可以恢復(fù)的時(shí)間始終保持在一個(gè)穩(wěn)定的區(qū)間。

2 設(shè)計(jì)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(gè)部分，閃存地址映射層和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層。用戶端向硬盤中寫數(shù)據(jù)時(shí)，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(duì)應(yīng)的物理地址和寫入時(shí)間，然后將數(shù)據(jù)寫入閃存的該物理地址處，并同時(shí)將該數(shù)據(jù)寫入時(shí)間記錄在FLASH 的該物理地址對(duì)應(yīng)的OOB區(qū)域中。用戶提出恢復(fù)申請(qǐng)前需要知道硬盤可以恢復(fù)的時(shí)間范圍，即為恢復(fù)窗口，此時(shí)間存儲(chǔ)在圖1中的NOR FLASH 中。在垃圾回收時(shí)，本方案的垃圾回收策略確保那些在恢復(fù)窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)不被回收。當(dāng)用戶告知硬盤想要恢復(fù)的時(shí)間點(diǎn)，硬盤即還原此時(shí)間點(diǎn)時(shí)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(fù)。

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(duì)應(yīng)的映射表、標(biāo)識(shí)每個(gè)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(shí)間，因?yàn)槊看螖?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(chǔ)于DRAM 中。位圖所占空間大小為若干個(gè)字節(jié)，其中每一個(gè)Bit代表物理空間中的一個(gè)物理頁，當(dāng)某一Bit位為1時(shí)表示它對(duì)應(yīng)的物理頁是有效頁，否則為0時(shí)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(biāo)識(shí)信息，如：記錄每個(gè)Block中有效頁的個(gè)數(shù)的表格等。主機(jī)端進(jìn)行讀操作時(shí)，硬盤根據(jù)地址映射表中該邏輯地址對(duì)應(yīng)的物理地址進(jìn)行讀取。主機(jī)端進(jìn)行寫操作時(shí)，F(xiàn)TL 會(huì)新分配一個(gè)物理頁來寫入數(shù)據(jù)，這個(gè)物理頁的物理地址和當(dāng)前寫入時(shí)間會(huì)更新到映射表中。由于加入了時(shí)間戳標(biāo)記，映射信息表中映射信息與時(shí)間直接相關(guān)，反映的是時(shí)間點(diǎn)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(chǔ)區(qū)

包括基于NAND FLASH 的存儲(chǔ)區(qū)和基于NOR FLASH 的存儲(chǔ)區(qū)。在NAND FLASH 區(qū)管理中，將若干個(gè)數(shù)據(jù)頁組合成一個(gè)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(gè)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(chǔ)用戶的數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)頁中數(shù)據(jù)的寫入時(shí)間值和數(shù)據(jù)校驗(yàn)信息存儲(chǔ)在OOB 區(qū)中。OOB是FLASH 中為了存放每個(gè)數(shù)據(jù)頁的校驗(yàn)數(shù)據(jù) （ECC）和其它一些控制信息的，對(duì)用戶不可見，在Flash顆粒出廠時(shí)就預(yù)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(gè)數(shù)據(jù)頁的寫入時(shí)間。Nor Flash區(qū)中包含若干個(gè)扇區(qū)單元，扇區(qū)是擦除操作得最小單位，它包含若干個(gè)Byte，Byte是讀寫操作的最小單位。當(dāng)要寫數(shù)據(jù)到Nor Flash中時(shí)，可以指定任意的物理地址。當(dāng)要讀取其中的數(shù)據(jù)時(shí)，可以讀取指定地指處的某個(gè)Byte。當(dāng)執(zhí)行擦除操作時(shí)，必須擦除一個(gè)扇區(qū)，擦除成功的扇區(qū)可以再次用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.3 垃圾回收機(jī)制 （GC）

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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?yàn)楣虘B(tài)硬盤不支持“原地更新”操作，若一個(gè)物理地址空間中已經(jīng)寫入數(shù)據(jù)，當(dāng)希望再次寫入此地址空間時(shí)，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(dāng)整個(gè)塊達(dá)到一定條件后，才會(huì)進(jìn)行擦除。當(dāng)硬盤空間不足時(shí)，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(shí)進(jìn)行擦除以及塊中數(shù)據(jù)如何處理也即是GC［10］機(jī)制需要考慮的問題。

假定一個(gè)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(fù)擔(dān)，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(hù)，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(biāo)識(shí)每個(gè)數(shù)據(jù)頁的有效性，這樣可以靈活的控制數(shù)據(jù)頁，對(duì)于那些CDP需要保護(hù)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(fù)時(shí)使用。這一點(diǎn)與一般SSD 的GC機(jī)制是不同的，一般SSD 的GC 機(jī)制會(huì)將這些歷史數(shù)據(jù)都刪除，不會(huì)進(jìn)行搬移。因?yàn)閿?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(shí)間時(shí)，記錄的是從該頁中讀出的時(shí)間值，此時(shí)間值是最初用戶數(shù)據(jù)寫入硬盤時(shí)記錄的寫入時(shí)間。

2.4 恢復(fù)窗口

恢復(fù)窗口 （recovery window）指的是硬盤的CDP可以恢復(fù)的最遠(yuǎn)時(shí)刻，從當(dāng)前時(shí)刻到恢復(fù)窗口的這段時(shí)間的數(shù)據(jù)可以恢復(fù)。因?yàn)楸疚睦脷埩粼谟脖P中未被回收的數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)保護(hù)，但是一些數(shù)據(jù)可能因?yàn)橛脖P空間不足而被回收。因此可以恢復(fù)的時(shí)間窗口是會(huì)變化的。硬盤需要告知用戶哪些時(shí)間的數(shù)據(jù)仍然可以恢復(fù)，這就需要恢復(fù)窗口的概念。

因?yàn)槔厥諘r(shí)會(huì)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(fù)，這會(huì)造成恢復(fù)窗口的改變。為了能實(shí)時(shí)告知用戶最新的恢復(fù)窗口，需要記錄它的每次變化。如果恢復(fù)窗口用數(shù)據(jù)頁中數(shù)據(jù)的寫入時(shí)間來表示，它會(huì)頻繁更新，會(huì)占用存儲(chǔ)空間，也會(huì)對(duì)硬盤的性能造成一定的影響。本文中恢復(fù)窗口用數(shù)據(jù)塊的標(biāo)識(shí)來表示，因?yàn)槔厥盏膯挝粸閿?shù)據(jù)塊，當(dāng)由于數(shù)據(jù)塊被回收而引起恢復(fù)窗口改變時(shí)才進(jìn)行更新，這大大降低了更新的頻率。另外，更新窗口值時(shí)只需要計(jì)算數(shù)據(jù)塊的標(biāo)識(shí)號(hào)，不需要再讀取Flash中的數(shù)據(jù)頁，減小了對(duì)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(biāo)識(shí)，這里用其中的兩個(gè)扇區(qū)來記錄。每個(gè)數(shù)據(jù)塊標(biāo)識(shí)占4個(gè)Byte，每個(gè)扇區(qū)可以記錄若干個(gè)塊標(biāo)識(shí)，當(dāng)一個(gè)扇區(qū)剩余的空間不夠存下一個(gè)標(biāo)識(shí)時(shí)，則在新的扇區(qū)中繼續(xù)寫，為了安全性，不讓一個(gè)塊標(biāo)識(shí)跨越兩個(gè)扇區(qū)?？紤]到數(shù)據(jù)塊的標(biāo)識(shí)對(duì)用戶不可見，當(dāng)用戶需要恢復(fù)窗口值時(shí)，通過記錄的最新的數(shù)據(jù)塊標(biāo)識(shí)，讀取OOB 中記錄的此數(shù)據(jù)塊的第一個(gè)數(shù)據(jù)頁中的數(shù)據(jù)寫入時(shí)間，此時(shí)間值也既是硬盤可恢復(fù)的最遠(yuǎn)時(shí)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(dá)到其容量的大小，比如一天寫入20GB 的數(shù)據(jù)，那一個(gè)60G 大的盤可以恢復(fù)的時(shí)間可達(dá)3天。

2.5 數(shù)據(jù)恢復(fù)過程

例如：要回退到T 時(shí)刻，具體恢復(fù)過程如下：

（1）用戶通過應(yīng)用程序向硬盤發(fā)送獲取時(shí)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(biāo)識(shí)，讀取此標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)塊中數(shù)據(jù)頁的OOB區(qū)中記錄的時(shí)間值，此時(shí)間值即為硬盤可以恢復(fù)的最遠(yuǎn)時(shí)間窗口點(diǎn)，通過應(yīng)用程序?qū)⒋藭r(shí)間值告知用戶。

（2）用戶根據(jù)獲取的時(shí)間窗口，告知硬盤需要回退的時(shí)間點(diǎn)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(jìn)行恢復(fù)過程。

（3）因?yàn)榛赝撕髸?huì)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(jìn)行回退前對(duì)硬盤進(jìn)行安全關(guān)機(jī)。

（4）硬盤上電，開始恢復(fù)。首先查看NOR FLASH 中是否有回退時(shí)間T，如果有，則用戶提出了恢復(fù)請(qǐng)求。由于地址映射層反映的是某一時(shí)刻硬盤中的數(shù)據(jù)的地址映射情況，要恢復(fù)某一時(shí)刻的數(shù)據(jù)，需要將此時(shí)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(gè)數(shù)據(jù)頁的寫入時(shí)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(shí)寫入的，或者是HOST 端寫入的。對(duì)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(shí)間戳，如果時(shí)間戳大于映射表中該條映射信息中記錄的時(shí)間戳，則修改映射表。對(duì)于其中掃描到的每一個(gè)HOST 端寫入的頁，查看其中記錄的寫入數(shù)據(jù)的時(shí)間戳，如果時(shí)間戳大于映射表中該條映射信息中記錄的時(shí)間戳，并且小于要恢復(fù)的時(shí)間點(diǎn)T，則修改映射信息。

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

（7）擦除NOR FLASH 中的回退時(shí)間T，恢復(fù)完成。

數(shù)據(jù)恢復(fù)流程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)恢復(fù)流程

3 測(cè)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(duì)硬盤進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫操作。在上述條件下進(jìn)行硬盤數(shù)據(jù)恢復(fù)的功能性測(cè)試和性能測(cè)試，并與未添加連續(xù)數(shù)據(jù)保護(hù)的硬盤做了測(cè)試對(duì)比，同時(shí)對(duì)其它實(shí)現(xiàn)連續(xù)數(shù)據(jù)保護(hù)的策略進(jìn)行了對(duì)比分析。

為了更加直觀的觀察每個(gè)恢復(fù)點(diǎn)的硬盤數(shù)據(jù)狀態(tài)，編寫了應(yīng)用程序，將需要寫入硬盤的數(shù)據(jù)設(shè)定為寫入硬盤時(shí)的精確到秒級(jí)的系統(tǒng)時(shí)間。測(cè)試發(fā)現(xiàn)當(dāng)硬盤完成恢復(fù)點(diǎn)的恢復(fù)時(shí)，其中數(shù)據(jù)狀態(tài)可以準(zhǔn)確達(dá)到恢復(fù)點(diǎn)時(shí)的數(shù)據(jù)狀態(tài)，誤差僅在2～3s之內(nèi)。另外，在任意時(shí)間往硬盤中寫入文件或者文件夾，當(dāng)需要恢復(fù)到任意時(shí)間點(diǎn)時(shí)，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(shí)刻，硬盤中只有之前寫入的文件夾，在T2時(shí)刻，硬盤中有文件夾和新寫入的Word文檔，在T3時(shí)刻硬盤中有文件夾、Word文檔和新寫入的TXT 文檔。在Now 時(shí)刻，用戶發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，想要硬盤的狀態(tài)恢復(fù)到T 時(shí)刻，硬盤完成恢復(fù)操作后，硬盤中的只有之前寫入的文件夾和Word文檔。

圖3 實(shí)現(xiàn)結(jié)果

因?yàn)椴⒉恍枰涗浢看螖?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(gè)數(shù)據(jù)塊中有效頁個(gè)數(shù)的表格。

在設(shè)定需要恢復(fù)的時(shí)間點(diǎn)后，硬盤中的數(shù)據(jù)會(huì)恢復(fù)到恢復(fù)點(diǎn)的狀態(tài)。在恢復(fù)的過程中所占用的時(shí)間主要是FLASH 中的塊掃描、塊排序?；謴?fù)時(shí)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(fù)時(shí)間也是相當(dāng)短的。

表2 恢復(fù)時(shí)間

對(duì)硬盤的性能進(jìn)行了測(cè)試，對(duì)添加此功能和不添加此功能的SSD 分別做了測(cè)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(duì)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(jìn)行的對(duì)比，可以看出對(duì)不添加數(shù)據(jù)保護(hù)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(gè)表格來存儲(chǔ)FTL 中映射信息的每次改變，因?yàn)镽AM 空間的限制，當(dāng)此表格裝滿時(shí)，就把此表格中的信息存儲(chǔ)到FLASH 中，然后可以再次使用此表格記錄變化的映射信息。因?yàn)樵谟脖P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(huì)對(duì)硬盤的寫性能造成影響。而本方法則不存在這個(gè)問題。

4 結(jié)束語

圖5 本文和BVSSD 對(duì)原始SSD 性能影響

本文提出了一種應(yīng)用在固態(tài)硬盤上的連續(xù)數(shù)據(jù)保護(hù)方法，包括歷史數(shù)據(jù)保護(hù)和地址映射層的建立和恢復(fù)，詳細(xì)說明了設(shè)計(jì)的思路和詳細(xì)實(shí)現(xiàn)方法，并對(duì)該方法進(jìn)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(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)保護(hù)，解決了CDP中由于歷史數(shù)據(jù)備份帶來的空間浪費(fèi)問題。在固態(tài)硬盤的閃存地址映射層中引入時(shí)間戳的概念，有效降低了CDP對(duì)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(tái)上進(jìn)行的測(cè)試分析，不同的平臺(tái)差異可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)果略微存在差異。

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