一種基於MAC地址傳輸的Cache同步方法
2023-11-06 19:17:17 2
專利名稱：一種基於MAC地址傳輸的Cache同步方法
技術領域：
本發明涉及一種數據備份方法，特別涉及一種在區域網內雙機熱備份系統中，基 於MAC地址傳輸的雙機Cache數據同步方法，屬於數據備份領域。
背景技術：
隨著信息技術的發展，數據已經成為各行業的基礎和命脈，對數據進行高效益的 存儲、管理和高效率的使用成為企業必須關注的問題，數據備份日益重要。而對於不間斷向 外提供服務的伺服器系統來說，數據的熱備份顯得尤其重要並得到了日益廣泛的應用。目前，數據熱備份大多採用共享存儲的雙機熱備模式，即源主機和目標主機共用 同一存儲設備。在這種模式中，源主機和目標主機保證了數據的一致性，並且雙機的服務質 量得到了提高和一定的保障，雙機中任何一臺主機發生故障，另一臺都能立刻接替其工作。 但是，這種模式中的數據安全性完全依賴於雙機所共享的存儲設備，通常為安全性較高的 RAID。而如果這一存儲設備發生災難性毀壞，則無論源主機還是目標主機都無法工作。另一種模式是非共享存儲的雙機熱備模式，在這種模式中，源主機和目標主機不 共享任何設備，各自有自己數據存儲設備，只是通過網絡實現數據同步。在這種熱備份模式 的數據安全性較前一種有了較大的提高。但是，這種模式中，源節點和目標節點之間的數據 同步通常採用普通IP網絡，普通IP網絡價格低廉，傳輸穩定，但帶寬往往不能滿足要求，而 數據同步卻耗費了大量的CPU資源和網絡帶寬。當數據更新頻繁，數據傳輸量很大時，尤其 當源主機和目的主機之一或兩者同時對外提供網絡服務時，其網絡資源和CPU資源都極其 寶貴，在數據備份過程中可能就會因為網絡帶寬和延遲而導致性能的下降和備份數據的丟 失。現在的普通IP網絡中，數據的傳輸通常採用TCP/IP協議，傳送數據通常通過以下 幾個步驟1)源主機傳輸層由TCP協議對要傳輸的數據進行封裝，並將封裝好的數據交給網絡層。2)網絡層由IP協議對數據進行封包，稱為數據報，加入長度為共20位元組的報頭， 其中包括目的主機的IP位址和源主機的IP位址。3)網絡層將封裝好的數據報傳到下一層數據鏈路層。4)數據報由數據鏈路層的MAC子層協議對數據報進行封裝(如果IP數據報過大， MAC子層協議要先對其進行拆分)，稱為幀，加入長度為共14位元組的幀頭，其中包括目的主 機的MAC地址和源主機的MAC地址。5)數據鏈路層將封裝好的幀傳輸給物理層，物理層以比特流的形式向網絡傳輸數 據。6)在數據傳輸過程中，路由器和/或交換機對數據逆向解包，確認數據目的地址， 重新封包後將數據傳輸到目的主機。7)目的主機對數據逆向解包，最終得到數據。
在整個數據傳輸過程中，步驟幻、4)耗費源主機大量CPU資源用於數據的封裝計 算。步驟6)耗費路由器和/或交換機的CPU資源用於數據的解包和再封裝，並且增加了網 絡延遲，步驟7)的逆向解包過程同時也耗費了大量的目的主機的CPU資源。從以上過程可以看出，使用現有的IP網絡數據傳輸方法時，分別由TCP/UDP協議、 IP協議和MAC幀協議對數據進行封裝，然後物理層將數據幀轉換為比特流進行傳輸。在發 送和接收的過程中，無論是發送方對數據封包還是接收方解包，都耗費大量的CPU資源，尤 其當雙方都作為伺服器對外提供服務時，這種CPU資源的開銷大大降低了伺服器的性能。 另外，這種傳輸方式共開銷14位元組(乙太網幀頭)+20位元組(IP頭)+20位元組(TCP頭)= 54位元組，所佔數據傳輸比例較大，降低了網絡傳輸效率。
發明內容
本發明的目的在於針對現有技術的缺陷，提供一種網絡數據傳輸方法，減少主機 CPU在數據封裝時的工作量，同時可以減少總的數據傳輸量。由於現在的雙機熱備份系統大多在同一區域網內部，雙方數據傳輸不需IP位址， 直接由MAC地址就可進行，所以本發明採用基於MAC地址傳輸的Cache同步方法，在同一局 域網內部實現源主機和目標主機的同步。本發明提供了一種基於MAC地址傳輸的Cache同步方法，包括以下步驟一、為源主機和目標主機配備相同配置和結構的Cache ；二、當兩個主機初次連接時，對源主機和目的主機初始化，使目的主機的Cache與 源主機保持數據一致；三、當數據發生變化，需要向對方傳輸同步數據時，源主機直接將數據傳送到數據 鏈路層，數據鏈路層對數據進行分組封裝成數據幀，每個數據幀中加入源主機和目的主機 的MAC地址、數據長度、檢驗位以及位置標識項，然後由物理層將其轉換為可供傳輸的比特 流，並向網絡發送；四、目的主機接收到數據後，對數據進行解包，提取其中的MAC地址，如果目的主 機MAC地址和自己的MAC地址不符，直接丟棄數據；如果相符，則對數據進行正確性判定，如 果數據錯誤，則向源主機發回一個「重發」請求；如果數據正確，則對數據進行處理並向源主 機發回一個「確認」信息；五、源主機對反饋信息進行判定，如果是「確認」信息，說明數據發送成功，源主機 把該數據塊相關信息從相關隊列清除；如果是「重發」請求，源主機重新發送該同步數據； 如果源主機在發送數據後一定時間間隔內收不到「確認」信息或「重發」請求等反饋信息， 源主機自動重發該同步數據並對發送次數計數，超過一定重發次數後，源主機則認為熱備 份系統故障，處於hilover狀態，在這一狀態下，源主機開始記錄變更的Cache數據，直到 系統恢復，再根據數據變更記錄表，重新同步Cache數據。有益效果本發明的有益效果是1)節省CPU資源。對於要傳輸的數據，不再進行TCP協議和IP協議的封包、解包 等操作，降低了 CPU的工作量，節省了 CPU資源。2)節省網絡帶寬。由於採用MAC地址傳輸，所以在數據傳輸過程中，不再添加TCP協議和IP協議的報頭，大大減少了數據傳輸量，節省了網絡帶寬。幻減少網絡延遲。本發明採用了雙機直連方式，取消了交換機的解包、再封包以及 轉發等過程，減少了網絡延遲，使網絡傳輸速度得到提高。因此，本發明在降低CPU和網絡開銷中取得了顯著的效果，非常適用於只有單個 網絡或整個環境都橋接起來的小工作組環境。
圖1是本發明工作的網絡結構模型；圖2為本發明設置的Cache結構圖；
圖3為傳輸的MAC幀結構圖；圖4為MAC幀中位置標識結構圖。圖中，1為文件，2 為 Page Cache，3 為 Buffer Cache，4 為磁碟塊，
具體實施例方式下面結合附圖，具體說明本發明的優選實施方式。本發明工作於網絡標準模型的應用層、數據鏈路層和物理層，其結構模型如圖1 所示。本實施方式對Cache分兩層管理，一層是I^age Cache，另一層是Buffer Cache，每 一個 Page Cache 包含四個 Buffer Cache。Page Cache 大小為 4K，Buffer Cache 大小為 IK,適於數據鏈路層對數據大小的要求(1 1500位元組)，其結構如圖2所示。內存管理系統 和虛擬文件系統只與I^age Cache交互，內存管理系統負責維護每項I^age Cache的分配和 回收，同時在使用內存映射方式訪問時負責建立映射，虛擬文件系統負責I^age Cache與用 戶空間的數據交換；具體文件系統只與Buffer Cache交互，負責在外圍存儲設備和Buffer Cache之間交換數據；對每個I^age Cache進行編號(22位)，對每個I^age CacheftWBuffer Cache進行編號O位)，確定一個Buffer Cache的地址需要其所在I^age Cache號和其在 Page Cache內的編號，共需M位(3位元組)。源主機和目的主機的Cache配置和結構相同 並且保持數據一致，當源主機Cache內數據發生變化時，通過網絡傳輸同步到目的主機的 Cache.在本發明中，源主機和目的主機的地位相同，即可互為源主機和目的主機，雙方可互 相同步數據。本實施方式中數據傳輸協議中數據結構如圖3所示，包括6個字節的源主機MAC 地址、6個字節的目的主機MAC地址、2個字節的長度、4個字節的校驗位和3個字節的位 置標識，還包括可變長的數據。其中長度表示數據幀長度，位置標識位由兩部分組成Tage Cache位置標識和Buffer Cache位置標識，如圖4所示。數據傳輸過程如下1、當源主機需要傳輸數據時，源主機與目標主機根據傳輸層協議建立連接；2、源主機應用層將將要傳送數據傳輸到數據鏈路層；4、數據鏈路層按協議按圖3幀結構對數據進行封裝，加入源主機和目標主機的 MAC地址及其它標識信息；5、將數據傳送到物理層；
6、物理層將要傳輸數據幀轉換成比特流，發送到網絡；7、目標主機物理層接收到數據，將數據傳送到目標主機的數據鏈路層；8、目的主機接收到數據後，對數據進行解包，提取其中的MAC地址，如果目的主機 MAC地址和自己的MAC地址不符，直接丟棄數據。如果相符，則對數據進行正確性判定，如果 數據錯誤，則向源主機發回一個「重發」請求；如果數據正確，提取位置信息，將數據同步到 Cache中，並向源主機發回一個「確認」信息；9、源主機對反饋信息進行判定，如果是「確認」信息，說明數據發送成功，源主機把 該數據塊相關信息從相關隊列清除；如果是「重發」請求，源主機重新發送該同步數據。如 果源主機在發送數據後一定時間間隔內收不到「確認」信息或「重發」請求等反饋信息，源 主機自動重發該同步數據並對發送次數計數，超過一定重發次數後，源主機則認為熱備份 系統故障，處於!^ilover狀態。在這一狀態下，源主機開始記錄變更的Cache數據，直到系 統恢復，再根據數據變更記錄表，重新同步Cache數據。10、如仍有數據要傳輸，重複步驟2 9 ；11、數據傳送結束，斷開連接。本發明不僅限於以下實施例，凡是利用本發明的設計思路，做一些簡單變化的設 計都應進入本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種基於MAC地址傳輸的Cache同步方法，其特徵在於，包括以下步驟一、為源主機和目標主機配備相同配置和結構的Cache；二、當兩個主機初次連接時，對源主機和目的主機初始化，使目的主機的Cache與源主 機保持數據一致；三、當數據發生變化，需要向對方傳輸同步數據時，源主機直接將數據傳送到數據鏈路 層，數據鏈路層對數據進行分組封裝成數據幀，每個數據幀中加入源主機和目的主機的MAC 地址、數據長度、檢驗位以及位置標識項，然後由物理層將其轉換為可供傳輸的比特流，並 向網絡發送；四、目的主機接收到數據後，對數據進行解包，提取其中的MAC地址，如果目的主機MAC 地址和自己的MAC地址不符，直接丟棄數據；如果相符，則對數據進行正確性判定，如果數 據錯誤，則向源主機發回一個「重發」請求；如果數據正確，則對數據進行處理並向源主機發 回一個「確認」信息；五、源主機對反饋信息進行判定，如果是「確認」信息，說明數據發送成功，源主機把該 數據塊相關信息從相關隊列清除；如果是「重發」請求，源主機重新發送該同步數據；如果 源主機在發送數據後一定時間間隔內收不到「確認」信息或「重發」請求等反饋信息，源主 機自動重發該同步數據並對發送次數計數，超過一定重發次數後，源主機則認為熱備份系 統故障，處於!^ilover狀態，在這一狀態下，源主機開始記錄變更的Cache數據，直到系統 恢復，再根據數據變更記錄表，重新同步Cache數據。
2.根據權利要求1所述的基於MAC地址傳輸的Cache同步方法，其特徵在於，對源主 機和目標主機的Cache分兩層管理，一層是I^age Cache,另一層是Buffer Cache,每一個 Page Cache ^^^^ Buffer Cache, ^^^ Page Cache ii^fHetlt, ^^ Page Cache ^ Buffer Cache單獨編址，確定一個Buffer Cache的地址需要其所在I^age Cache號和其在 Page Cache內的編號；內存管理系統和虛擬文件系統只與I^age Cache交互，內存管理系統 負責維護每項I^age Cache的分配和回收，同時在使用內存映射方式訪問時負責建立映射， 虛擬文件系統負責I^age Cache與用戶空間的數據交換；具體文件系統只與Buffer Cache 交互，負責在外圍存儲設備和Buffer Cache之間交換數據。
3.根據權利要求2所述的基於MAC地址傳輸的Cache同步方法，其特徵在於，所述I^age Cache 大小為 4K，Buffer Cache 大小為 1K。
4.根據權利要求3所述的基於MAC地址傳輸的Cache同步方法，其特徵在於，對每個 Page Cache用22位進行編號，對每個I^age Cache內的Buffer Cache用2位進行編號，確 定一個Buffer Cache的地址共需M位，即3位元組。
5.根據權利要求4所述的基於MAC地址傳輸的Cache同步方法，其特徵在於，所述數據 幀包括6個字節的源主機MAC地址、6個字節的目的主機MAC地址、2個字節的長度、4個字 節的校驗位和3個字節的位置標識，還包括可變長度的數據。
全文摘要
本發明涉及一種基於MAC地址傳輸的Cache同步方法，包括以下步驟一、為源主機和目標主機配備相同配置和結構的Cache；二、對源主機和目的主機初始化；三、當需要傳輸數據時，源主機直接將數據傳送到數據鏈路層，數據鏈路層對數據進行分組封裝成數據幀，然後向網絡發送；四、目的主機接收到數據後，對數據進行解包並處理，並向源主機發送反饋；五、源主機對反饋信息進行判定並分別處理。本發明不再進行TCP協議和IP協議的封包、解包等操作，節省了CPU資源；不再添加TCP協議和IP協議的報頭，節省了網絡帶寬；通過雙機直連，減少了網絡延遲。
文檔編號H04L12/24GK102123049SQ20111004607
公開日2011年7月13日 申請日期2011年2月25日 優先權日2011年2月25日
發明者劉靖宇, 張全新, 張雪蘭, 李元章, 譚毓安, 馬忠梅 申請人:北京理工大學