數(shù)字圖書館的云存儲(chǔ)性能研究與研討

陳 茫

（桂林理工大學(xué)圖書館，廣西 桂林 541004）

1 引言

信息技術(shù)的變革帶了各種信息數(shù)字化的狂潮，面對(duì)新的數(shù)據(jù)和 Web應(yīng)用服務(wù)，如何方便的存儲(chǔ)信息，如何提高存儲(chǔ)信息的效率是數(shù)字圖書館研究的一個(gè)重要的課題。數(shù)字圖書館的研究人員面臨存儲(chǔ)時(shí)，總是無(wú)法回避兩個(gè)問(wèn)題：（1）如何用最小的資源消耗，最大限度的滿足用戶的實(shí)際需求；（2）如何減少設(shè)備經(jīng)費(fèi)和管理成本的支出，同時(shí)提高存儲(chǔ)資源的利用效率[1]。云計(jì)算技術(shù)[2-3]的出現(xiàn)給我們帶來(lái)了新的曙光，基于云環(huán)境下的數(shù)字圖書館存儲(chǔ)建設(shè)研究掀起了又一輪新的浪潮。

本文的研究正式基于上述的出發(fā)點(diǎn)而完成的。首先分析比較云環(huán)境下的構(gòu)架及部署；結(jié)合開(kāi)放源碼的云構(gòu)架軟件和云存儲(chǔ)管理工具，針對(duì)不同的云存儲(chǔ)關(guān)鍵技術(shù)，建立一個(gè)切實(shí)可行的云存儲(chǔ)解決方案。最后，從系統(tǒng)實(shí)施、系統(tǒng)效率、資源消耗、數(shù)據(jù)安全和現(xiàn)實(shí)可用性等多方面分析對(duì)比不同云環(huán)境下的存儲(chǔ)性能，并得出響應(yīng)的測(cè)試結(jié)果和測(cè)試結(jié)論。

2 相關(guān)背景研究

云存儲(chǔ)的概念源自于云計(jì)算的研究，它是從云計(jì)算延伸和發(fā)展而來(lái)的，所謂的云存儲(chǔ)服務(wù)就是指以服務(wù)的形式為用戶提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)和訪問(wèn)，即網(wǎng)上的應(yīng)用服務(wù)和數(shù)據(jù)中心的軟硬件設(shè)施。云存儲(chǔ)通過(guò)集成計(jì)算機(jī)集群技術(shù)、分布式文件系統(tǒng)、網(wǎng)格技術(shù)、Web2.0技術(shù)和存儲(chǔ)虛擬化技術(shù)等現(xiàn)代信息技術(shù)，并將不同的存儲(chǔ)設(shè)備以應(yīng)用軟件的虛擬化來(lái)協(xié)同工作，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和訪問(wèn)的系統(tǒng)[4]。

云存儲(chǔ)具有以下四個(gè)優(yōu)勢(shì)：

（1）按需使用。即用戶不需要對(duì)存儲(chǔ)介質(zhì)容量定量，可以快速部署存儲(chǔ)，按需存儲(chǔ)；

（2）易于管理。云存儲(chǔ)的管理由響應(yīng)的軟件進(jìn)行專業(yè)化的管理，無(wú)另需專人維護(hù)，管理簡(jiǎn)單；

（3）成本低廉。即應(yīng)用較少的硬件資源，就可達(dá)到費(fèi)用高額的專用存儲(chǔ)設(shè)備的性能；

（4）容災(zāi)性強(qiáng)。即不受停電和升級(jí)等的外部因素影響，可提供不間斷服務(wù)和數(shù)據(jù)快速恢復(fù)；

（5）災(zāi)難防范。一旦災(zāi)難發(fā)生,異地備份數(shù)據(jù)自動(dòng)啟動(dòng)恢復(fù)，容災(zāi)性更高。

目前，關(guān)于云存儲(chǔ)的實(shí)際應(yīng)用案例還是比較多的，例如：亞馬遜公司的云存儲(chǔ)S3，就是一個(gè)很好的例子，它是云存儲(chǔ)解決方案可行性應(yīng)用的先驅(qū)，其云存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)速率可根據(jù)用戶的數(shù)據(jù)量和用戶需求而定[5]；美國(guó)國(guó)會(huì)圖書館與DuraSpace公司的DuraCloud項(xiàng)目也是一個(gè)很不錯(cuò)的數(shù)字圖書館云存儲(chǔ)案例[6][7]，它為廣大的數(shù)字圖書館用戶提供了一個(gè)可實(shí)現(xiàn)的有效保存與訪問(wèn)的解決方案；此外，百度公司的“百度云”[8]、杭州格暢科技的“格子云 2.0”[9]等都是不錯(cuò)的公共云存儲(chǔ)設(shè)施。這些具體的云存儲(chǔ)，為我們提供了可行的云環(huán)境，使構(gòu)建符合自身特點(diǎn)的數(shù)字圖書館云存儲(chǔ)成為了可能。

3 云存儲(chǔ)的基本構(gòu)架

3.1 構(gòu)建依據(jù)

計(jì)算機(jī)硬盤驅(qū)動(dòng)器，相對(duì)云存儲(chǔ)而言，在應(yīng)用的過(guò)程中，還是存在較高的故障率。為了數(shù)據(jù)的安全，通過(guò)評(píng)估不同的復(fù)制機(jī)制，多種級(jí)別的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的可擴(kuò)展性和容錯(cuò)性，我們選用了云存儲(chǔ)的構(gòu)架，該構(gòu)架通過(guò)結(jié)合私有云和公共云來(lái)創(chuàng)建混合的云存儲(chǔ)環(huán)境。

目前，常用的、穩(wěn)定的、開(kāi)源的而且免費(fèi)云環(huán)境管理工具有：Open Nebula[10]、Eucalyptus[11]和 OpenStack[12]等。在此選擇 OpenStack作為構(gòu)架的原型，同時(shí)，這個(gè)原型的目標(biāo)是設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展和兼容性高的分布式存儲(chǔ)構(gòu)架。此外，應(yīng)用的云存儲(chǔ)環(huán)境本身是免費(fèi)的、通用的和開(kāi)源的構(gòu)建工具。綜上所述，這種體系結(jié)構(gòu)也是數(shù)字圖書館可以采用構(gòu)建云存儲(chǔ)環(huán)境時(shí)，可行的資金和技術(shù)解決方案。

3.2 云存儲(chǔ)構(gòu)架

本文構(gòu)建的云環(huán)境下的數(shù)字圖書館云存儲(chǔ)構(gòu)架，如圖1所示，其中相關(guān)的核心的組件和模塊描述如下。

（1）虛擬機(jī)（Virtual Machine）：縮寫為VM，指通過(guò)軟件模擬的具有完整硬件系統(tǒng)功能的、運(yùn)行在一個(gè)完全隔離環(huán)境中的完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。通過(guò)虛擬機(jī)軟件，可以在一臺(tái)物理計(jì)算機(jī)上模擬出二臺(tái)或多臺(tái)虛擬的計(jì)算機(jī)，這些虛擬機(jī)完全就像真正的計(jì)算機(jī)那樣進(jìn)行工作，例如可以安裝操作系統(tǒng)、安裝應(yīng)用程序、訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)資源等等。為了創(chuàng)建合適的數(shù)字圖書館云存儲(chǔ)虛擬機(jī)，分析了諸如KVM和XEN等不同的開(kāi)源虛擬機(jī)代碼[13]。相關(guān)分析數(shù)據(jù)顯示KVM的性能要高于XEN，所以，選擇KVM作為主虛擬機(jī)，虛擬機(jī)包括Apache Web服務(wù)器，一個(gè)PHP模塊，基本的工具DISOC Web應(yīng)用程序等，每個(gè)虛擬機(jī)能夠通過(guò)數(shù)據(jù)訪問(wèn)模塊透明地訪問(wèn)磁盤池。

（2）虛擬機(jī)管理器模塊（Virtual Machine Manager Module）：縮寫為VMMM，是VMM 實(shí)現(xiàn)的中樞，所有其他 VMM 組件通過(guò)它進(jìn)行交互和通信，它運(yùn)行命令、傳輸文件并控制其他 VMM 組件和所有虛擬主機(jī)及 VMM 庫(kù)服務(wù)器的通信。

（3）數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)模塊（Data Access Module）：縮寫為DAM，主要是負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的訪問(wèn)，簡(jiǎn)單的說(shuō)法就是實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)表的Select（查詢），Insert（插入），Update（更新），Delete（刪除）等操作。虛擬機(jī)所需的虛擬磁盤空間通過(guò)數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口模塊（Data Access Module Interface，以下縮寫為DAM-I）獲得，并通過(guò)DAM-I調(diào)用DAM，DAM則負(fù)責(zé)整個(gè)云存儲(chǔ)服務(wù)器上的文件分配、檢索及存儲(chǔ)。

（4）負(fù)載均衡模塊（Load Balancer Module）：縮寫為L(zhǎng)BM，將負(fù)載（工作任務(wù)）進(jìn)行平衡、分?jǐn)偟蕉鄠€(gè)操作單元上進(jìn)行執(zhí)行，例如Web服務(wù)器、FTP服務(wù)器、企業(yè)關(guān)鍵應(yīng)用服務(wù)器和其它關(guān)鍵任務(wù)服務(wù)器等，從而共同完成工作任務(wù)。這里主要是指分配負(fù)載在不同虛擬機(jī)所組成的實(shí)例化物理服務(wù)器的私有云。

（5）負(fù)載均衡器（Load Manager）：縮寫為L(zhǎng)M，這里它是負(fù)責(zé)隨時(shí)監(jiān)視發(fā)生在私有云上的負(fù)載狀況。

（6）分布式云存儲(chǔ)（Distributed Storage on the Cloud）：縮寫為DISOC，這是一個(gè)基于Web的網(wǎng)絡(luò)文件云存儲(chǔ)系統(tǒng)，它是云存儲(chǔ)構(gòu)架的實(shí)例。

4 關(guān)鍵復(fù)制技術(shù)及測(cè)試環(huán)境構(gòu)建

4.1 云存儲(chǔ)關(guān)鍵復(fù)制技術(shù)

在云存儲(chǔ)服務(wù)的部署過(guò)程中，數(shù)據(jù)的高可用性是一項(xiàng)十分重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)。選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)復(fù)制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高可用性最為有效的方式。在云存儲(chǔ)的構(gòu)架中，數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)模塊 DAM為我們提供了不同級(jí)別的數(shù)據(jù)可用性組件，其關(guān)鍵技術(shù)有以下幾種復(fù)制技術(shù)：無(wú)復(fù)制、總復(fù)制、鏡像和IDA復(fù)制。

（1）無(wú)復(fù)制：數(shù)據(jù)文件只有原始的版本存在于云中的磁盤中，并遵循磁盤循環(huán)的分配策略；同時(shí)，受自身的最小服務(wù)器容錯(cuò)需求的影響，該策略規(guī)定，一個(gè)文件將被分割并分配到不同的存儲(chǔ)虛擬機(jī)上。由于所有的數(shù)據(jù)都僅只有一份，雖然它的硬件資源消耗最小，但是該復(fù)制技術(shù)的數(shù)據(jù)可用性和容錯(cuò)水平是所有技術(shù)中最低的。

（2）總復(fù)制：與無(wú)復(fù)制技術(shù)相反，數(shù)據(jù)文件在每臺(tái)服務(wù)器中都有相應(yīng)的拷貝，且均可用。雖然，它是數(shù)據(jù)級(jí)別可用性最高的方法，但是，其代價(jià)是它占據(jù)了最高的磁盤空間消耗，通常不被大家采用。

（3）鏡像：數(shù)據(jù)文件在存儲(chǔ)的過(guò)程中，DAM將實(shí)時(shí)的產(chǎn)生一個(gè)數(shù)據(jù)備份，而這個(gè)備份被分塊放置不同的存儲(chǔ)虛擬機(jī)上。它是一種較為簡(jiǎn)單的復(fù)制技術(shù)方法，可以確保在資源消耗不高的同時(shí)，也具有較高數(shù)據(jù)的可用性。

（4）IDA復(fù)制：基于數(shù)據(jù)分片備份容錯(cuò)算法的復(fù)制技術(shù)，也是文章中采用的數(shù)據(jù)復(fù)制技術(shù)，其基本思想是將一個(gè)長(zhǎng)度為L(zhǎng) 的原始文件F分成n個(gè)分塊Fi ( 1≦i≦n)，每個(gè)分塊的長(zhǎng)度為L(zhǎng) /m，從Fi中任取m個(gè)分塊都能還原文件F。從空間上看，n個(gè)分塊Fi的總和是原來(lái)文件的n/m倍(n/m≧1)。IDA復(fù)制技術(shù)，有點(diǎn)類似于獨(dú)立磁盤冗余陣列（RAID 5），一旦發(fā)生磁盤故障，它不要重新復(fù)制整個(gè)文件到文件服務(wù)器上，而只需要復(fù)制文件K個(gè)損壞的片段（k＜m）至云存儲(chǔ)上即可，它是一種塊級(jí)的條帶化的存儲(chǔ)技術(shù)，能根據(jù)不同的策略選擇2到n存儲(chǔ)服務(wù)器的分布式環(huán)境中的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)重建。故而，它較之其它的復(fù)制技術(shù)，具有更高的數(shù)據(jù)可用性和更少的資源消耗。

4.2 測(cè)試環(huán)境構(gòu)建

在測(cè)試相關(guān)的數(shù)據(jù)之前，需要搭建現(xiàn)實(shí)的云存儲(chǔ)環(huán)境[14]，其基本的云構(gòu)建如圖2所示。本地的私有云，選用8臺(tái)相同配置的聯(lián)想商用計(jì)算機(jī)構(gòu)成；同時(shí)，在構(gòu)建和測(cè)試混合的云存儲(chǔ)環(huán)境中，通過(guò) DAM-I負(fù)責(zé)透明的訪問(wèn)外部公共云存儲(chǔ)平臺(tái)，其中選用公共云存儲(chǔ)商的公共云存儲(chǔ)設(shè)施是:百度公司的“百度云”和杭州格暢科技的“格子云2.0”。

DAM數(shù)據(jù)訪問(wèn)云存儲(chǔ)和單個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備的性能比較時(shí)，采用集中式的版本進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)訪問(wèn)模塊只需訪問(wèn)云存儲(chǔ)的主節(jié)點(diǎn)虛擬機(jī)或是單個(gè)文件服務(wù)器。在測(cè)試私有云和混合云的性能時(shí)，運(yùn)用分布式的版本，8臺(tái)分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)采用分布式的處理。

在測(cè)試云存儲(chǔ)的工作負(fù)載時(shí)，運(yùn)用云存儲(chǔ)原型中的并發(fā)客戶端程序，來(lái)進(jìn)行多并發(fā)的文件上傳和文件下載請(qǐng)求測(cè)試。在私有云的環(huán)境中，將并發(fā)數(shù)設(shè)定為100個(gè)、150個(gè)和200個(gè)，進(jìn)行測(cè)試；在公共云的性能時(shí)，如果測(cè)試的并發(fā)數(shù)過(guò)多，會(huì)被公共云服務(wù)商認(rèn)為是惡意的攻擊行為，所以，此項(xiàng)測(cè)試的并發(fā)數(shù)設(shè)置為10個(gè)、15個(gè)和20個(gè)。通過(guò)詳細(xì)的測(cè)試，能夠準(zhǔn)確的分析不同數(shù)據(jù)復(fù)制技術(shù)之間的數(shù)據(jù)處理能力。

針對(duì)測(cè)試的項(xiàng)目，選用以下兩個(gè)主要指標(biāo)數(shù)據(jù)作為測(cè)試的指標(biāo)。一是響應(yīng)時(shí)間，即用戶上傳或下載文件開(kāi)始到文件加載或下載完成的時(shí)間；二是服務(wù)時(shí)間，即 DAM組件讀取文件時(shí)從找到文件開(kāi)始到讀取文件完成所需的時(shí)間。測(cè)試的行為選取的操作是：文件上傳和文件下載。

5 實(shí)證測(cè)試與分析

在構(gòu)建完成所需的云存儲(chǔ)現(xiàn)實(shí)環(huán)境后，本文對(duì)以下幾項(xiàng)相關(guān)性能做出測(cè)試。其中測(cè)試的工具選取開(kāi)源 Web性能測(cè)試工具Autobench[15][16]。通過(guò)，生成動(dòng)態(tài)的網(wǎng)頁(yè)請(qǐng)求數(shù)據(jù)，模擬服務(wù)器上的數(shù)據(jù)處理時(shí)間。

5.1 單臺(tái)服務(wù)器和云存儲(chǔ)的性能對(duì)比

本項(xiàng)測(cè)試的對(duì)象是單個(gè)服務(wù)器和由多個(gè)服務(wù)器組成的云存儲(chǔ)環(huán)境之間的性能對(duì)比。在測(cè)試圖中，橫軸表示評(píng)價(jià)時(shí)間，即不同客戶端對(duì)存儲(chǔ)設(shè)備的請(qǐng)求時(shí)間；縱軸表示響應(yīng)時(shí)間，即獲得請(qǐng)求后發(fā)送到存儲(chǔ)服務(wù)后的平均響應(yīng)時(shí)間，其性能的測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

通過(guò)分析不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)開(kāi)始處理請(qǐng)求時(shí)，當(dāng)負(fù)載較低時(shí)，單臺(tái)服務(wù)器比云存儲(chǔ)具有更快的響應(yīng)性能；然而，一旦負(fù)載加重，云存儲(chǔ)就表現(xiàn)較好的響應(yīng)時(shí)間。特別是在測(cè)試的最后，可以清楚的看到，單臺(tái)服務(wù)器已經(jīng)無(wú)法完成客戶端的測(cè)試請(qǐng)求，然而出乎意料，云存儲(chǔ)卻提供能完成工作量更好的響應(yīng)時(shí)間。

5.2 私有云存儲(chǔ)的性能測(cè)試

本項(xiàng)測(cè)試的是不同復(fù)制技術(shù)下自建的私有云存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)性能，具體如圖 4所示。通過(guò)分析不難得出，雖然無(wú)復(fù)制的響應(yīng)時(shí)間和服務(wù)時(shí)間總是最短的，但是，由于在上面的介紹中說(shuō)到，這種技術(shù)沒(méi)有備份數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)遇到故障時(shí)，數(shù)據(jù)安全性最低。而 IDA復(fù)制在所有的復(fù)制技術(shù)中，其的數(shù)據(jù)可用性、響應(yīng)時(shí)間、服務(wù)時(shí)間和容錯(cuò)能力上較其他的復(fù)制技術(shù)，具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，值得重點(diǎn)考慮。全復(fù)制技術(shù)和鏡像復(fù)制技術(shù)，資源消耗資源相對(duì) IDA復(fù)制較高，響應(yīng)及服務(wù)時(shí)間也較長(zhǎng)。

5.3 IDA復(fù)制技術(shù)在不同公共云存儲(chǔ)的性能對(duì)比

由于在上面的分析中，分別對(duì)比了單臺(tái)服務(wù)器和云存儲(chǔ)的性能和不同復(fù)制技術(shù)在私有云環(huán)境的存儲(chǔ)性能，且性能的數(shù)據(jù)反映了云存儲(chǔ)和 IDA復(fù)制具有良好的性能。故而，本項(xiàng)測(cè)試選用的是混合云存儲(chǔ)環(huán)境下 IDA復(fù)制技術(shù)在不同公共云存儲(chǔ)的性能對(duì)比。同時(shí)，選用的公共云服務(wù)平臺(tái)是：百度的“百度云”平臺(tái)和杭州格暢科技的“格子云2.0”平臺(tái)，進(jìn)行相關(guān)的對(duì)比分析。

同樣，DAM訪問(wèn)相應(yīng)的存儲(chǔ)環(huán)境，具體的分析數(shù)據(jù)，仍然選用文件上傳和文件下載的響應(yīng)和服務(wù)時(shí)間作為參考，其具體的測(cè)試結(jié)果如圖5所示。在測(cè)試的過(guò)程中，執(zhí)行IDA復(fù)制的 DAM模塊從公共云獲得文件的片段，同時(shí)建立與私有云之間的聯(lián)系，在測(cè)試的結(jié)果中不難發(fā)現(xiàn)，在該云環(huán)境的 IDA復(fù)制模式下，“百度云”和“格子云 2.0”雖然表現(xiàn)了相似的性能，但是，“百度云”還是比“格子云 2.0”略勝一籌。其原因可能跟百度的API程序比較成熟或者百度的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境有關(guān)。

6 結(jié)論

組件故障、數(shù)據(jù)丟失、人為操作失誤、自然災(zāi)害、攻擊和管理失誤等因素，是數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期存儲(chǔ)的最大威脅，會(huì)給數(shù)據(jù)的保存帶來(lái)不小的難題。云存儲(chǔ)技術(shù)作為現(xiàn)今科技時(shí)代圖書館重要的技術(shù)手段之一，為大數(shù)據(jù)環(huán)境和極端條件下的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，提供了有力、可靠和安全的數(shù)據(jù)保障。本文云構(gòu)架方式、開(kāi)源構(gòu)架工具、IDA復(fù)制技術(shù)、Web數(shù)據(jù)測(cè)試工具以及公共云平臺(tái)等都是免費(fèi)的、成熟的、開(kāi)源的云存儲(chǔ)解決方案，大家可以根據(jù)上述的云存儲(chǔ)的相關(guān)性能，采用或研究適合自身業(yè)務(wù)系統(tǒng)、應(yīng)用系統(tǒng)的云存儲(chǔ)方式構(gòu)建自身的云平臺(tái)，也希望本文能給廣大云計(jì)算研究人員提供些許幫助。

在以后的工作中，將進(jìn)一步的從以下兩個(gè)方面來(lái)改進(jìn)：（1）根據(jù)不同云存儲(chǔ)的性能對(duì)比，在實(shí)際具體的應(yīng)用系統(tǒng)的實(shí)施中，確立更加科學(xué)的云存儲(chǔ)構(gòu)架的選型和應(yīng)用。（2）在實(shí)際的云存儲(chǔ)應(yīng)用中，根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)出現(xiàn)的問(wèn)題，改進(jìn)云存儲(chǔ)的相關(guān)流程，提高云存儲(chǔ)的安全性和存儲(chǔ)效率。

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