深入剖析EXCHANGE SERVER的邮件存储和日志

12/3/2006来源:Exchange Server人气:5890

本文以数据库的基本原理为基础,分析了EXCHANGE SERVER的存储系统,并说明了各部分的作用。

一、IS服务和ESE的层次关系

IS服务我们一定很了解了,它是EXCHANGE服务器中重要的服务之一,它控制着对邮箱和PF的存储操作请求。我们也知道,EXCHANGE服务器的存储实际上是由叫ESE的数据库引擎来管理的。这个ESE引擎是微软专门为保存非关系型数据而开发的,目前在微软的很多产品中都有广泛的应用,如:AD数据库、DHCP、WINS、SRS等等。

EXCHANGE的数据库是由EDB文件、STM文件和LOG文件组成的。在这些文件里,微软使用了“B+树”的内部数据结构。ESE的引擎的任务之一,就是当IS服务请求访问数据库的时候,把这些请求转化为对内部数据结构的读写访问。B+树的特点是能够对存储在硬盘上的数据提供快速访问能力。微软利用“B+树”作为ESE的后台结构的主要原因,就是尽可能的提高访问数据时I/O性能。当然,这些结构对于EXCHANGE STORE来说是透明的。

另外,作为一个数据库系统,ESE有责任提供事务级别的操作的支持,并维护数据库的完整性和一致性。对数据库系统而言,我们提到事务时,一般用ACID来描述事务的特点。

A--Atomic(原子的):事务必须是全或全无的操作,要么全部成功更新,要么全部不被更新
C--Consistent(一致的):一个成功提交的事务必须使数据库处于一个一致的状态。
I--Isolated(孤立的):所有未提交的更改都必须能够和其他事务孤立。
D--Durable(持久的):当事务一旦提交,所做的更改必须存储到稳定的介质上,防止系统失败导致的数据库不一致。(此点非常重要!!)

二、EXCHANGE 2000/2003存储系统的新特点

在EX5.5中,ESE的版本为ESE97,而在EX2000/2003里,ESE版本已经升级ESE98了。ESE引起在以下方面得到了改进:
* I/O性能进一步提高和优化
* 对日志文件增加了计算校验操作
* 提高了ESEUTIL等工具的维护速度
而IS也在以下方面有了更新:
* 在每个SERVER上提供多个SG支持
* 数据库STM文件格式的引入,提高了INTERNET邮件的性能
* WSS的引入,用户可以使用多种协议访问数据库

三、EDB和STM的关系

常有人问,EDB文件是数据库,那STM文件是做什么用的?可以删除吗?

在EX5.5里,只有EDB文件,因为在EX5.5发布时,微软主推的是内部邮件系统,因此其主要协议为MAPI,这是微软的私有邮件西医,EDB文件是专门为此协议优化过的。因此在EX5.5中,为了支持INTERNET邮件,必须在每次处理INTERNET邮件时,做一个格式转换。这显然带来了性能的损失。

在EX2000里,微软加大了对INTERNET邮件的支持,这就是STM文件的来源。MAPI格式是RPC和二进制标准的,而STM是纯文本加上一些MIME编码格式,这样的区别使得它们不可能存储在同一数据库里。因此EX2000中,微软开始使用EDB和STM两个文件来分别保存两种格式的邮件。并且在两个文件之间建立了引用和关联。对于用户来说,它的邮箱实际上是跨越了EDB和STM文件共同组成的。另外,需要注意的是,EDB文件中还保留着用户的邮箱结构。所以EDB文件更加重要。那么EDB和STM是怎么协同工作的呢?我们以几个情景来分析之。

情景一:用户使用Outlook(MAPI)发送接收邮件

在该情景下,用户将邮件通过MAPI协议提交给数据库,直接被保存EDB文件中。当用户通过MAPI访问邮箱里的邮件时,如果被访问的邮件在EDB里,直接返回,如果在STM里(如外来邮件),则执行转换,将STM转换为EDB文件格式,再返回用户。

情景二:用户使用标准SMTP/POP3/IMAP4等协议访问

用户使用非MAPI协议提交的邮件,内容保存在STM文件里,但是由于EDB里有邮箱结构,STM没有,因此系统会把邮件的重要信息提取出来,放在EDB里。当用户用MAPI提取邮件时,过程同上,当用户通过标准协议访问时,同样需要进行格式转换,转换为STM文件格式返回。

这些转换是在后台发生的。对用户来说是透明的。通过上面的描述,你会看到,这两个文件是紧密联系的缺一不可。所以,在任何时间我们都不要单独操作这两个文件,它们是一个整体。同时也要注意的是,无论用户使用何方式访问邮箱,都需要向EDB文件请求邮箱结构信息,这是需要注意的。

四、LOG文件的重大作用

在论坛里经常会看到有人说我的硬盘怎么很快就没了,一看原来是日志文件搞的鬼,于是就有人删除日志文件,甚至使用循环日志来强制减少日志,甚至有人提出这样的疑问,日志到底有什么用?是不是多余的?那我们来看看日志的重大作用。

对于一个SG来说,系统会产生一系列的日志,这些日志的扩展名为LOG,前缀一般是E00、E01……除了这些连续的日志文件外,还有一些特殊的日志文件(res1.log,res2.log,e0x.chk),它们又有什么用呢?我们的管理员通常不喜欢备份这一操作,因此对这些日志是痛恨不已啊。那么微软在EXCHANGE数据库系统中引入日志的作用难道真的是多此一举吗?我们从以下几个方面来考察一下日志的作用:
1、作为一个企业级的邮件系统,必须要保证数据安全和完整。必须能够面对随时可能发生的意外灾难,把数据损失降低到最小。
2、必须提供高性能的邮件处理能力,对数据库中的邮件的事务操作在完成后必须马上(或是说立即)被记录在存储介质上(见前面的事务持久性说明)
3、灾难发生后,使用数据库备份恢复必须要返回到灾难发生前一刻的数据库状态(这是至关重要的!!)

现在我们来更进一步的看一下,当用户要修改邮箱中的内容时,被修改的内容首先被提取出来放到内存中,实际的修改是发生在内存里的,这是众所周知的,当修改完成后,这些内容必须被尽快写回存储介质,这样才表示一个事务成功完成了。

从事务的描述中我们可以看到,事务是具有原子特性的,为了保证数据库的一致和完整,事务必须全部成功或全部失败,如果事务失败,则必须回滚到事务开始的状态。而当邮件在内存中修改完成后,此时事务并没有完成(为什么呢?)因为一旦系统崩溃,这些修改就丢失了。所以要确保事务修改完成,必须尽快将修改写回到数据库里去(也就是硬盘上)。这也是事务的持久性要求。注意,我们这里说的第一时间或是尽快,是一个什么样的概念。如果我们直接修改EDB文件,由于EDB文件比较大,那么在硬盘上修改一个大文件,就 需要花费大量的时间在等待和寻找数据存储块上(见操作系统原理),当系统出现高负载的繁忙状态时,这将是一个非常大的瓶颈。也就无法做到“尽快”了。那怎么办呢?所以数据库系统使用了日志,而日志通常很小(EXCHANGE的日志只有5MB),向这些文件写入修改结果是很快速的,因此当内存的修改完成后,这些结果就会立即写入日志中,以保证了事务的持久性。当成功写入日志后,该事务就成功完成了(现在在硬盘上了,不会因为当机丢失了)接下来,ESE引擎会在后台慢慢将这些日志里的修改记录写回真正的数据库里去(这对用户来说已经不是那么重要了),这就是日志的第一个作用:确保事务在第一时间(尽可能快的)保存到非易失存储器上(提供了事务持久性支持)

根据上面的藐视,我们看到运行中的EXCHANGE数据库,是由三个部分组成的:
* 内存中已经完成处理还没有写会到日志里的内容(Dirt page)
* 还没有写到数据库文件里的日志内容
* EDB和STM数据库文件
对于第一个部分,一旦掉电就回丢失的,是最不安全的。而对于第二部分的内容,系统通过检查点文件(CHK)来标记哪些日志已经被写入数据库了,而哪些还没有。CHK文件类似一个指针。我们可以用“ESEUTIL /MK”来检查CHK文件里的内容,在该命令的输出中的checkpoint:<0x8,26d1,29>这样的东西就是检查点位置,它表示E0x00008的日志的页面序号已经被成功写入数据库了。大家可以自己看看。。:)

前面提到过,EXCHANGE系统在出现灾难时,应能恢复到灾难发生前的时刻的状态。这是非常重要的。但即使是最勤快的管理员,也只能在指定的预定时间内做系统备份,而不可能时时刻刻的都在备份。那么在备份完成后到灾难发生之前的这段数据该如何保护呢?是不是就任由它丢失呢?显然是不可能的。那答案是什么呢?就是日志文件。前面我们知道,任何对数据库的更改都先写入日志里,再由日志写入数据库,这样我们只要找到日志文件,就可以重新进行模拟的操作来完成备份后的数据库文件的更改了,我们举个例子来看看:

假设我们在凌晨3点完成了一次FULL BACKUP,备份完成后,系统正常运行,到下午4点的时候,系统突然崩溃。管理员用凌晨3点的数据恢复了数据库,那么从凌晨3点到下午4点这段时间的数据变更,就只能依赖于日志了。当完成数据库恢复后,系统会自动的跟踪到关联的日志文件,如果发现有比当前数据库还新的日志存在,系统就会自动的按照日志的顺序将更改写回到数据库中去。因此这样一来,从凌晨3点到下午4点的数据变更就被完整的恢复了。这就是日志的第二个作用:保证系统备份和恢复的完整性。当然前提是没有使用循环日志!!(看到了吧,使用循环日志的危害是相当大的,比起你的数据来说,多做几次备份不是没有意义的吧?

说到这里,有人可能要问,如果数据库和日志同时损坏,如何办?答案是:尽量避免这样的情况发生。首先数据库损坏的几率要大于日志,另外,微软建议将数据库和日志分别存储在不同的磁盘上,要是这样还会同时坏,那就没有办法了,呵呵。。对于管理员对日志文件的抱怨,合理的解决方法是定期做备份。启用循环日志是不正确的做法,当启用循环日志后,一旦系统发生灾难恢复,将有可能不能将系统恢复到灾难发生时的状态,磁盘和数据谁更重要,管理员自己要考虑考虑了。

五、ESE与IS服务的启动和关闭

ESE引擎在加载数据库文件时,会去检查数据库文件的标志。这个标志保留了上次关闭数据库的状态,当状态为正常关闭说,系统将直接加载该数据库,当数据库标志为非正常关闭时,系统将先进行一个软恢复过程(你可以在事件里看到它),然后再加载。

那么,正常关闭和非正常关闭有什么区别呢?一个正常关闭的数据库,表示所有的日志信息都已经正确的写入数据库了。反之一个非正常关闭的数据库,则表示至少有一部分数据未能正确的从日志写入数据库。要注意的是,非正常关闭的数据库并不等于已经被破坏的数据库。只表示有数据没有提交到数据库文件。

使用ESEUTIL /MH命令可以看到数据库的该状态,其中的STATE字段标记的就是这个状态,“CLEAN SHUTDOWN”表示数据库正常关闭。当系统加载处于非正常关闭的数据库时,就会根据检查点文件确定日志文件的位置,并做重放操作。当检查点文件丢失或损坏时,系统将从最早的日志文件开始处理。有的时候,系统不能自动的修复数据库,这时我们也可以用“ESEUTIL /R”命令手工的恢复处于非正常关闭状态的数据库。强烈推荐在系统异常关闭后执行此命令。在执行前最好前确定数据库文件的状态确实为非正常关闭,不要对正常关闭的数据库执行该恢复命令!

由此可见,EXCHANGE系统对数据库有自我修复能力,能确保系统在发生意外后恢复正确的状态。但这并不是说我们可以随意的关闭系统,仍要UPS等必要的保护措施。

六、关于M盘

在EX2000里,有一个M盘的映射。这个映射只是提供开发人员通过API访问邮箱和邮件用的。因此对M盘的手工操作都可能带来数据库的破坏,请注意,另外,有一种观点认为备份了M盘就备份了邮件,这是绝对错误的。M盘虽然是数据库的映射,但已经去掉了很多的关联和内在联系。因此备份M盘是不能恢复数据库的。所有的EXCHANGE管理员必须按规定认真的备份系统状态和SG。切不可偷懒哦。。

看了上面的描述,你还认为日志文件是多余的吗?在座EXCHANGE管理员,赶快取消循环日志,建立健全备份制度吧,为了你的前途,学会备份操作吧。。

[注]:
本文内容节选自Winmag国际中文版之《浅谈Exchange Server邮件存储系统--原理和技巧》,全文内容,请参考:
浅谈Exchange Server邮件存储系统-原理篇
http://www.5dmail.net/html/2004-11-12/20041112170608.htm

浅谈Exchange Server邮件存储系统-技巧篇
http://www.5dmail.net/html/2004-11-12/20041112170720.htm
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