详析邮件服务器邮件存储和日志

    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、IIS服务和ESE的层次关系

　　IIS服务是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，EXCHANGE服务器的存储实际上是由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。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IIS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IIS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: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FULLBACKUP，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。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。