深入剖析EXCHANGE SERVER的郵件存儲和日志

文以數據庫的基本原理為基礎，分析了EXCHANGE SERVER的存儲系統，並說明了各部分的作用。

一、IS服務和ESE的層次關系

IS服務我們一定很了解了，它是EXCHANGE服務器中重要的服務之一，它控制著對郵箱和PF的存儲操作請求。我們也知道，EXCHANGE服務器的存儲實際上是由叫ESE的數據庫引擎來管理的。這個ESE引擎是微軟專門為保存非關系型數據而開發的，目前在微軟的很多產品中都有廣泛的應用，如：AD數據庫、DHCP、WINS、SRS等等。

EXCHANGE的數據庫是由EDB文件、STM文件和LOG文件組成的。在這些文件裡，微軟使用了“B 樹”的內部數據結構。ESE的引擎的任務之一，就是當IS服務請求訪問數據庫的時候，把這些請求轉化為對內部數據結構的讀寫訪問。B 樹的特點是能夠對存儲在硬盤上的數據提供快速訪問能力。微軟利用“B 樹”作為ESE的後台結構的主要原因，就是盡可能的提高訪問數據時I/O性能。當然，這些結構對於EXCHANGE STORE來說是透明的。

另外，作為一個數據庫系統，ESE有責任提供事務級別的操作的支持，並維護數據庫的完整性和一致性。對數據庫系統而言，我們提到事務時，一般用ACID來描述事務的特點。

A--Atomic（原子的）：事務必須是全或全無的操作，要麼全部成功更新，要麼全部不被更新C--Consistent（一致的）：一個成功提交的事務必須使數據庫處於一個一致的狀態。I--Isolated（孤立的）：所有未提交的更改都必須能夠和其他事務孤立。D--Durable（持久的）：當事務一旦提交，所做的更改必須存儲到穩定的介質上，防止系統失敗導致的數據庫不一致。（此點非常重要！！）

二、EXCHANGE 2000/2003存儲系統的新特點

在EX5.5中，ESE的版本為ESE97，而在EX2000/2003裡，ESE版本已經升級ESE98了。ESE引起在以下方面得到了改進：* I/O性能進一步提高和優化* 對日志文件增加了計算校驗操作* 提高了ESEUTIL等工具的維護速度而IS也在以下方面有了更新：* 在每個SERVER上提供多個SG支持* 數據庫STM文件格式的引入，提高了INTERNET郵件的性能* WSS的引入，用戶可以使用多種協議訪問數據庫

三、EDB和STM的關系

常有人問，EDB文件是數據庫，那STM文件是做什麼用的？可以刪除嗎？

在EX5.5裡，只有EDB文件，因為在EX5.5發布時，微軟主推的是內部郵件系統，因此其主要協議為MAPI，這是微軟的私有郵件西醫，EDB文件是專門為此協議優化過的。因此在EX5.5中，為了支持INTERNET郵件，必須在每次處理INTERNET郵件時，做一個格式轉換。這顯然帶來了性能的損失。

在EX2000裡，微軟加大了對INTERNET郵件的支持，這就是STM文件的來源。MAPI格式是RPC和二進制標准的，而STM是純文本加上一些MIME編碼格式，這樣的區別使得它們不可能存儲在同一數據庫裡。因此EX2000中，微軟開始使用EDB和STM兩個文件來分別保存兩種格式的郵件。並且在兩個文件之間建立了引用和關聯。對於用戶來說，它的郵箱實際上是跨越了EDB和STM文件共同組成的。另外，需要注意的是，EDB文件中還保留著用戶的郵箱結構。所以EDB文件更加重要。那麼EDB和STM是怎麼協同工作的呢？我們以幾個情景來分析之。

情景一：用戶使用OUTLOOK（MAPI）發送接收郵件

在該情景下，用戶將郵件通過MAPI協議提交給數據庫，直接被保存EDB文件中。當用戶通過MAPI訪問郵箱裡的郵件時，如果被訪問的郵件在EDB裡，直接返回，如果在STM裡（如外來郵件），則執行轉換，將STM轉換為EDB文件格式，再返回用戶。

情景二：用戶使用標准SMTP/POP3/IMAP4等協議訪問

用戶使用非MAPI協議提交的郵件，內容保存在STM文件裡，但是由於EDB裡有郵箱結構，STM沒有，因此系統會把郵件的重要信息提取出來，放在EDB裡。當用戶用MAPI提取郵件時，過程同上，當用戶通過標准協議訪問時，同樣需要進行格式轉換，轉換為STM文件格式返回。

這些轉換是在後台發生的。對用戶來說是透明的。通過上面的描述，你會看到，這兩個文件是緊密聯系的缺一不可。所以，在任何時間我們都不要單獨操作這兩個文件，它們是一個整體。同時也要注意的是，無論用戶使用何方式訪問郵箱，都需要向EDB文件請求郵箱結構信息，這是需要注意的。

四、LOG文件的重大作用

在論壇裡經常會看到有人說我的硬盤怎麼很快就沒了，一看原來是日志文件搞的鬼，於是就有人刪除日志文件，5自學網，甚至使用循環日志來強制減少日志，甚至有人提出這樣的疑問，日志到底有什麼用？是不是多余的？那我們來看看日志的重大作用。

對於一個SG來說，系統會產生一系列的日志，這些日志的擴展名為LOG，前綴一般是E00、E01……除了這些連續的日志文件外，還有一些特殊的日志文件（res1.log,res2.log,e0x.chk)，它們又有什麼用呢？我們的管理員通常不喜歡備份這一操作，因此對這些日志是痛恨不已啊。那麼微軟在EXCHANGE數據庫系統中引入日志的作用難道真的是多此一舉嗎？我們從以下幾個方面來考察一下日志的作用：1、作為一個企業級的郵件系統，必須要保證數據安全和完整。必須能夠面對隨時可能發生的意外災難，把數據損失降低到最小。2、必須提供高性能的郵件處理能力，對數據庫中的郵件的事務操作在完成後必須馬上（或是說立即）被記錄在存儲介質上（見前面的事務持久性說明）3、災難發生後，使用數據庫備份恢復必須要返回到災難發生前一刻的數據庫狀態（這是至關重要的！！）

現在我們來更進一步的看一下，當用戶要修改郵箱中的內容時，被修改的內容首先被提取出來放到內存中，實際的修改是發生在內存裡的，這是眾所周知的，當修改完成後，這些內容必須被盡快寫回存儲介質，這樣才表示一個事務成功完成了。

從事務的描述中我們可以看到，事務是具有原子特性的，為了保證數據庫的一致和完整，事務必須全部成功或全部失敗，如果事務失敗，則必須回滾到事務開始的狀態。而當郵件在內存中修改完成後，此時事務並沒有完成（為什麼呢？）因為一旦系統崩潰，這些修改就丟失了。所以要確保事務修改完成，必須盡快將修改寫回到數據庫裡去（也就是硬盤上）。這也是事務的持久性要求。注意，我們這裡說的第一時間或是盡快，是一個什麼樣的概念。如果我們直接修改EDB文件，由於EDB文件比較大，那麼在硬盤上修改一個大文件，就 需要花費大量的時間在等待和尋找數據存儲塊上（見操作系統原理），當系統出現高負載的繁忙狀態時，這將是一個非常大的瓶頸。也就無法做到“盡快”了。那怎麼辦呢？所以數據庫系統使用了日志，而日志通常很小（EXCHANGE的日志只有5MB），向這些文件寫入修改結果是很快速的，因此當內存的修改完成後，這些結果就會立即寫入日志中，以保證了事務的持久性。當成功寫入日志後，該事務就成功完成了（現在在硬盤上了，不會因為當機丟失了）接下來，ESE引擎會在後台慢慢將這些日志裡的修改記錄寫回真正的數據庫裡去（這對用戶來說已經不是那麼重要了），這就是日志的第一個作用：確保事務在第一時間（盡可能快的）保存到非易失存儲器上（提供了事務持久性支持）。

根據上面的藐視，我們看到運行中的EXCHANGE數據庫，是由三個部分組成的：* 內存中已經完成處理還沒有寫會到日志裡的內容（Dirt page）* 還沒有寫到數據庫文件裡的日志內容* EDB和STM數據庫文件對於第一個部分，一旦掉電就回丟失的，是最不安全的。而對於第二部分的內容，系統通過檢查點文件（CHK）來標記哪些日志已經被寫入數據庫了，而哪些還沒有。CHK文件類似一個指針。我們可以用“ESEUTIL /MK”來檢查CHK文件裡的內容，5自學網，在該命令的輸出中的checkpoint:<0x8,26d1,29>這樣的東西就是檢查點位置，它表示E0x00008的日志的頁面序號已經被成功寫入數據庫了。大家可以自己看看。。：）

前面提到過，EXCHANGE系統在出現災難時，應能恢復到災難發生前的時刻的狀態。這是非常重要的。但即使是最勤快的管理員，也只能在指定的預定時間內做系統備份，而不可能時時刻刻的都在備份。那麼在備份完成後到災難發生之前的這段數據該如何保護呢？是不是就任由它丟失呢？顯然是不可能的。那答案是什麼呢？就是日志文件。前面我們知道，任何對數據庫的更改都先寫入日志裡，再由日志寫入數據庫，這樣我們只要找到日志文件，就可以重新進行模擬的操作來完成備份後的數據庫文件的更改了，我們舉個例子來看看：

假設我們在凌晨3點完成了一次FULL BACKUP，備份完成後，系統正常運行，到下午4點的時候，系統突然崩潰。管理員用凌晨3點的數據恢復了數據庫，那麼從凌晨3點到下午4點這段時間的數據變更，就只能依賴於日志了。當完成數據庫恢復後，系統會自動的跟蹤到關聯的日志文件，如果發現有比當前數據庫還新的日志存在，系統就會自動的按照日志的順序將更改寫回到數據庫中去。因此這樣一來，從凌晨3點到下午4點的數據變更就被完整的恢復了。這就是日志的第二個作用：保證系統備份和恢復的完整性。當然前提是沒有使用循環日志！！（看到了吧，使用循環日志的危害是相當大的，比起你的數據來說，多做幾次備份不是沒有意義的吧？。

說到這裡，有人可能要問，如果數據庫和日志同時損壞，如何辦？答案是：盡量避免這樣的情況發生。首先數據庫損壞的幾率要大於日志，另外，微軟建議將數據庫和日志分別存儲在不同的磁盤上，要是這樣還會同時壞，那就沒有辦法了，呵呵。。對於管理員對日志文件的抱怨，合理的解決方法是定期做備份。啟用循環日志是不正確的做法，當啟用循環日志後，一旦系統發生災難恢復，將有可能不能將系統恢復到災難發生時的狀態，磁盤和數據誰更重要，管理員自己要考慮考慮了。

五、ESE與IS服務的啟動和關閉

ESE引擎在加載數據庫文件時，會去檢查數據庫文件的標志。這個標志保留了上次關閉數據庫的狀態，當狀態為正常關閉說，系統將直接加載該數據庫，當數據庫標志為非正常關閉時，系統將先進行一個軟恢復過程（你可以在事件裡看到