[发明专利]基于非易失性内存的全系统断电恢复方法及设备

说明书

技术领域

本发明涉及计算机的断电保护技术，更具体地说，涉及一种基于非易失性内存的全系统断电恢复方法以及相关的设备。

背景技术

随着云计算（Cloud Computing）和“大数据”（Big Data）的应用规模、深度的不断发展，in-memory operation（驻留内存操作）对于计算、存储、和网络系统的性能和可靠性要求越来越高。用户面临的信息量成指数趋势增长，对于已有信息分析要求的精度和广度不断深化，传统的需要在内存和外置硬盘存储系统之间进行频繁传递数据的运算模式严重影响着系统的响应速度和相应的用户体验。因为在CPU和主内存（Main Memory）之间数据的延迟时间在纳秒级，而CPU与外置内存之间的延迟时间在毫秒级。二者之间的差别在数以百万级别（order=6）或更高。频发性的CPU与外设之间的数据交换容易阻塞对其他外设提供服务能力，也迫使在CPU中运行的程序处于阻断式（Blocking）工作状态，造成性能下降和资源浪费。

服务器系统、存储控制器、云计算主机、网络加速器、以及消费型计算设备等产品的应用程序中，驻留内存操作日趋流行。以常见的Oracle类数据库应用服务器为例，缓存和表格数据都要求尽可能地驻留主内存。目前服务器上的主内存已经比较容易达到数百GB，高端领域里面内存达到1TB或者更高。驻留内存方案通过消除I/O瓶颈来实现系统和应用的更高带宽和最小化延迟。

大量内存意味着更多的过去必须存在于磁盘上的数据可以完全加载到主内存中，这些变化影响到系统设计的边界条件。这里面一个主要的影响是驻留内存中数据的恢复时间。以一个512GB大小的DDR内存为例，如果这些数据完全从一个典型得到高端硬盘系统读入到DDR中，即便是硬盘存储系统带宽资源全部为这个待恢复的内存系统服务，以400MB/s传输速度计算这些数据的恢复时间需要512GB/（400MB/s）=22分钟。这对于中高端应用而言是一个非常高的成本。很多情况下电源丢失，如一个机柜或一个机房的电源丢失，其影响往往是数十台或者数百台服务器中数据，恢复这些数据需要几个小时或者数天，这种影响非常巨大甚至是灾难性的。另一个影响是如何保证数据的一致性。更多的数据驻留于内存，内存是易失性的，其中的数据并不总是保存于非易失性的硬盘中。在电源丢失情况下，那些没有保留在硬盘中的或者在其他系统中没有备份的数据从易失性的DDR中丢失，造成数据的丢失。目前有多种技术，如定期的Checkpoint来消除因为部分数据丢失而造成的系统信息非一致性问题。但这些方案有一定程度地造成系统设计的复杂性和成本消耗，包括降低部分性能来实现的。

理想的驻留内存设计包括两个方面，一是减少甚至消除不必要的Checkpoint或其他冗余数据备份方案，第二方面是在丢失电源恢复后从本地快速或瞬间恢复数据。从本地恢复数据消除了对后台存储系统造成的传递瓶颈问题，快速恢复将整个系统宕机时间最小化。

下面简单介绍一下当前应对短暂性电源丢失的常见方案。

应对掉电的硬件方案包括不间断电源（UPS）。UPS采用大量的铅酸蓄电池来保证全系统能持续工作，UPS的供电时间一般设计在小时量级。UPS体积笨重，占用空间。UPS的生产、维护和废弃处理也不符合当前的绿色环保主题。在大型数据中心，UPS失效往往造成数以百计的机器同时宕机和数据丢失；分布式UPS在每个服务器附近配备一个小型的UPS电池，该方案减少了这种突发性大规模数据丢失和宕机的概率，但分布式设计造成了系统复杂性提高和更高的维护成本。

很多RAID控制器常常采用一种电池供电的NVRAM方案。这种NVRAM中的电池常用可充放电的锂离子电池。当主电源丢失时，锂电池为DRAM供电。这种方案一般可以提供小时量级的时间段。锂离子电池一般可以达到数百小时的充放电次数。短暂的供电能力、有限的寿命决定了这种方案不能大规模应用。

存储类内存（SCM：storage class memory）技术是近几年业界开始关注的技术。这种内存在掉电情况下仍然保持着存于其内的数据状态，是一种非易失性存储技术。目前为止PCM（相变内存）是比较有前途的一种技术。但PCM的成熟需要很多年的努力，PCM的物理特性尤其是当中的某些明显劣势决定了PCM不能完全取代当前的DRAM技术。这些劣势包括PCM的写操作需要很高的能量，需要相应的管理机制实现磨损平衡，更重要的是PCM虽然比硬盘、NAND Flash的速度快，但与DRAM相比仍然有明显差距。

发明内容