云計(jì)算環(huán)境下的大數(shù)據(jù)可靠存儲(chǔ)關(guān)鍵技術(shù)概述

楊靜

摘要：呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的大數(shù)據(jù)需要被可靠存儲(chǔ)，而云計(jì)算環(huán)境下的大規(guī)模分布式存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)，極大地提升了數(shù)據(jù)丟失或失效的幾率，該文從云端數(shù)據(jù)中心拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)容災(zāi)技術(shù)的相關(guān)策略及系統(tǒng)節(jié)能減耗等三個(gè)方面進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述，為大數(shù)據(jù)的可靠存儲(chǔ)技術(shù)研究提供了一定的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：云計(jì)算；大數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)容災(zāi)

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）32-7574-02

1 概述

當(dāng)代云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)數(shù)量少則幾十萬(wàn)多則上百萬(wàn)，在規(guī)模如此龐大的海量存儲(chǔ)系統(tǒng)中，節(jié)點(diǎn)失效或磁盤損毀已然成為一種常態(tài)，此外，由于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或者傳輸線路故障等原因?qū)е碌臄?shù)據(jù)丟失或短時(shí)不可用現(xiàn)象也常有發(fā)生。如果用戶或企業(yè)不能隨時(shí)隨地存取自己所需的數(shù)據(jù)，甚至發(fā)生數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象，將大大影響客戶滿意度，甚至給企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失，因此，必須采取有效措施及相關(guān)技術(shù)策略來(lái)保證云端數(shù)據(jù)的可靠存儲(chǔ)。

2 云端數(shù)據(jù)中心拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

云端數(shù)據(jù)中心是大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的基礎(chǔ)平臺(tái)，數(shù)據(jù)的可靠性及訪問(wèn)效率與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。按節(jié)點(diǎn)功能類型的不同，可將數(shù)據(jù)中心節(jié)點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分成三種類型[1]：①以server（服務(wù)器）為為中央節(jié)點(diǎn)的星型結(jié)構(gòu)；②以 switch（交換機(jī)）為中央節(jié)點(diǎn)的星型結(jié)構(gòu)；③混合結(jié)構(gòu)。三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)如下：

以server為中央節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)將多臺(tái)server通過(guò)傳輸介質(zhì)直接互連起來(lái)，在這種結(jié)構(gòu)中，server兼任switch的角色，一方面承擔(dān)數(shù)據(jù)的加工處理工作，另一方面承擔(dān)分組的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)工作，以server為中心的結(jié)構(gòu)增加了服務(wù)器之間的網(wǎng)絡(luò)帶寬，擺脫了對(duì)交換機(jī)的過(guò)度依賴，提高了吞吐量；但是server之間的鏈路帶寬的不均衡增加了布網(wǎng)的復(fù)雜度。

以switch為中央節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)將各臺(tái)server通過(guò)switch進(jìn)行互連，switch和server各司其職，switch負(fù)責(zé)分組的路由轉(zhuǎn)發(fā)，server負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)加工，這種結(jié)構(gòu)布網(wǎng)簡(jiǎn)單，操作方便，可擴(kuò)展性強(qiáng)，在現(xiàn)代企業(yè)數(shù)據(jù)中心應(yīng)用較廣泛；但以交換機(jī)為中心的結(jié)構(gòu)存在底層server利用率低、switch資源浪費(fèi)較為嚴(yán)重、網(wǎng)絡(luò)帶寬容量有限、靈活性差等缺點(diǎn)。

混合結(jié)構(gòu)是以上兩種結(jié)構(gòu)的一種擴(kuò)展，其設(shè)計(jì)融合了這兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)并有效避開了各自的缺陷。

3 云端數(shù)據(jù)容災(zāi)技術(shù)

容災(zāi)技術(shù)是云端大數(shù)據(jù)可靠存儲(chǔ)的一種關(guān)鍵技術(shù)，良好的容災(zāi)策略不但能有效提升大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)的可靠性，還有助于提升系統(tǒng)的訪問(wèn)效率。容災(zāi)策略一般都采用冗余備份技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，以確保當(dāng)出現(xiàn)某種突發(fā)狀況導(dǎo)致存儲(chǔ)系統(tǒng)中的文件、數(shù)據(jù)、片段丟失或者嚴(yán)重?fù)p壞時(shí)，系統(tǒng)可準(zhǔn)確而快速地訪問(wèn)冗余數(shù)據(jù)來(lái)維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[2]。一般來(lái)說(shuō)，容災(zāi)技術(shù)按策略的不同主要分兩種：①?gòu)?fù)制冗余策略；②糾刪編碼冗余策略。

3.1 復(fù)制冗余策略

復(fù)制冗余策略為系統(tǒng)中的每一個(gè)數(shù)據(jù)都建立一個(gè)或多個(gè)副本，并把若干個(gè)副本分散存儲(chǔ)在不同的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上，當(dāng)遇到某個(gè)數(shù)據(jù)損毀或失效不能正常使用時(shí)，可通過(guò)訪問(wèn)最近的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)來(lái)獲取與原件完全一致的副本數(shù)據(jù)[3]?；趶?fù)制的冗余策略主要關(guān)注2個(gè)方面的問(wèn)題：（1）副本數(shù)量設(shè)置；（2）數(shù)據(jù)放置方法。

3.1.1副本數(shù)量設(shè)置

副本系數(shù)設(shè)置主要采取兩種方式： ①靜態(tài)設(shè)置副本數(shù)量，目前主流的分布式文件系統(tǒng)Hadoop的HDFS、谷歌的GFS都采用3副本策略，這種靜態(tài)設(shè)置方法操作簡(jiǎn)單，但靈活性差；②隨機(jī)動(dòng)態(tài)設(shè)置副本數(shù)量，即系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)的訪問(wèn)頻率、出錯(cuò)概率及網(wǎng)絡(luò)狀況等動(dòng)態(tài)因素隨機(jī)地確定副本系數(shù)，動(dòng)態(tài)地刪除或添加副本，這種動(dòng)態(tài)機(jī)制能大大增加存儲(chǔ)空間的利用率，但動(dòng)態(tài)計(jì)算過(guò)程增加了系統(tǒng)的開銷；

3.1.2數(shù)據(jù)放置方法

巧妙的數(shù)據(jù)放置方法能通過(guò)提高并行訪問(wèn)量來(lái)提升云端大規(guī)模數(shù)據(jù)的訪問(wèn)效率，目前，數(shù)據(jù)放置方法一般采用順序放置和隨機(jī)放置[4]。

①順序放置方法把數(shù)據(jù)副本按順序分布存儲(chǔ)在不同節(jié)點(diǎn)上，使得排列數(shù)目相對(duì)較少，針對(duì)系統(tǒng)的隨機(jī)失效有一定的防護(hù)性，順序放置方法技術(shù)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)和維護(hù)，但在具體應(yīng)用時(shí)，因失效具有很強(qiáng)的相關(guān)性，局部的網(wǎng)絡(luò)故障或節(jié)點(diǎn)失效就有可能導(dǎo)致整個(gè)機(jī)架的數(shù)據(jù)不可訪問(wèn)。

②隨機(jī)放置方法是在可放置節(jié)點(diǎn)中隨機(jī)地選擇一系列節(jié)點(diǎn)來(lái)存放數(shù)據(jù)副本，此方法能夠降低關(guān)聯(lián)對(duì)系統(tǒng)可靠性帶來(lái)的負(fù)面影響，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)、計(jì)算能力各不相同、數(shù)據(jù)的訪問(wèn)熱度也不盡一致，往往達(dá)不到理想的均衡負(fù)載效果。

3.2糾刪編碼冗余策略

3.2.2 LDPC編碼

LDPC碼是從蒙特卡洛及圖論演進(jìn)而成的編譯碼技術(shù)，因其稀疏檢驗(yàn)矩陣（少量元素是1，其余部分全是0）特性，被研究者廣泛用于設(shè)計(jì)復(fù)雜度低的解碼算法，LDPC碼可以有效提升系統(tǒng)的容災(zāi)能力，但是構(gòu)造不規(guī)則碼字的難度也相應(yīng)成倍地增加。

3.2.3陣列編碼

陣列碼的編譯碼過(guò)程只涉及基礎(chǔ)的二進(jìn)制異或運(yùn)算，技術(shù)實(shí)現(xiàn)相對(duì)容易，而且在采用同等編譯碼的前提下，陣列碼比RS碼更能有效地提高系統(tǒng)的可靠性，與此同時(shí)保持其計(jì)算域不變大，陣列碼技術(shù)一直是大數(shù)據(jù)可靠存儲(chǔ)關(guān)鍵技術(shù)的研究熱點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用于磁盤陣列及網(wǎng)格存儲(chǔ)系統(tǒng)中。

3.2.4 RS編碼

RS碼是一種高效的糾錯(cuò)碼，既可以糾正突發(fā)錯(cuò)誤，又可以糾正隨機(jī)錯(cuò)誤，在通信領(lǐng)域中有極其廣泛的應(yīng)用，近年來(lái)，隨著大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)的快速、多元化發(fā)展，有研究者對(duì)RS編碼行了改造，并將其應(yīng)用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)領(lǐng)域以提高系統(tǒng)的容錯(cuò)性。

4 云端系統(tǒng)節(jié)能減耗技術(shù)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是各種云計(jì)算服務(wù)賴以施展的基礎(chǔ)，在云計(jì)算環(huán)境下，底層數(shù)據(jù)中心節(jié)點(diǎn)的規(guī)模龐大，使得數(shù)據(jù)存儲(chǔ)成本極高，主要源于添置各種網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)施（大型服務(wù)器、交換機(jī)、路由器等）以及支付各種存儲(chǔ)設(shè)備的高額電能消耗等。高漲的能耗開銷不但增加了系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)及維護(hù)成本，更催化了大氣溫室效應(yīng)，嚴(yán)重破壞了自然界的生態(tài)環(huán)境，因此，不論從服務(wù)商盈利的角度，還是從環(huán)境保護(hù)的角度出發(fā)，節(jié)能減耗技術(shù)都顯得尤為必要。

當(dāng)前，分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)的節(jié)能減耗技術(shù)主要集中在兩個(gè)方面：①硬件節(jié)能策略，主要致力于降低存儲(chǔ)系統(tǒng)中的硬件設(shè)備能耗；②軟件節(jié)能策略，通過(guò)使用一些專業(yè)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)資源的有效分配及使用。

參考文獻(xiàn)：

[1] Popa L， Ratnasamy S， Iannaccone G，et al. A Cost Comparison of Data Center Network Architectures[Z]. 2010.

[2] 吳朱華.云計(jì)算核心技術(shù)剖析[M].北京：人民郵電出版社，2011.

[3] 郭仁東.網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)容災(zāi)備份技術(shù)及其應(yīng)用淺析[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2012（31）.

[4] 王意潔，孫偉東，周松等.云計(jì)算環(huán)境下的分布式存儲(chǔ)關(guān)鍵技術(shù)[J].軟件學(xué)報(bào)，2012，23（4）：962-986.

[5] 萬(wàn)武南.分布式安全存儲(chǔ)系統(tǒng)糾刪碼技術(shù)的研究[D].北京：中國(guó)科學(xué)院研究生院，2006：97-105.

摘要：呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的大數(shù)據(jù)需要被可靠存儲(chǔ)，而云計(jì)算環(huán)境下的大規(guī)模分布式存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)，極大地提升了數(shù)據(jù)丟失或失效的幾率，該文從云端數(shù)據(jù)中心拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)容災(zāi)技術(shù)的相關(guān)策略及系統(tǒng)節(jié)能減耗等三個(gè)方面進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述，為大數(shù)據(jù)的可靠存儲(chǔ)技術(shù)研究提供了一定的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：云計(jì)算；大數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)容災(zāi)

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）32-7574-02

1 概述

當(dāng)代云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)數(shù)量少則幾十萬(wàn)多則上百萬(wàn)，在規(guī)模如此龐大的海量存儲(chǔ)系統(tǒng)中，節(jié)點(diǎn)失效或磁盤損毀已然成為一種常態(tài)，此外，由于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或者傳輸線路故障等原因?qū)е碌臄?shù)據(jù)丟失或短時(shí)不可用現(xiàn)象也常有發(fā)生。如果用戶或企業(yè)不能隨時(shí)隨地存取自己所需的數(shù)據(jù)，甚至發(fā)生數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象，將大大影響客戶滿意度，甚至給企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失，因此，必須采取有效措施及相關(guān)技術(shù)策略來(lái)保證云端數(shù)據(jù)的可靠存儲(chǔ)。

2 云端數(shù)據(jù)中心拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

云端數(shù)據(jù)中心是大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的基礎(chǔ)平臺(tái)，數(shù)據(jù)的可靠性及訪問(wèn)效率與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。按節(jié)點(diǎn)功能類型的不同，可將數(shù)據(jù)中心節(jié)點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分成三種類型[1]：①以server（服務(wù)器）為為中央節(jié)點(diǎn)的星型結(jié)構(gòu)；②以 switch（交換機(jī)）為中央節(jié)點(diǎn)的星型結(jié)構(gòu)；③混合結(jié)構(gòu)。三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)如下：

以server為中央節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)將多臺(tái)server通過(guò)傳輸介質(zhì)直接互連起來(lái)，在這種結(jié)構(gòu)中，server兼任switch的角色，一方面承擔(dān)數(shù)據(jù)的加工處理工作，另一方面承擔(dān)分組的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)工作，以server為中心的結(jié)構(gòu)增加了服務(wù)器之間的網(wǎng)絡(luò)帶寬，擺脫了對(duì)交換機(jī)的過(guò)度依賴，提高了吞吐量；但是server之間的鏈路帶寬的不均衡增加了布網(wǎng)的復(fù)雜度。

以switch為中央節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)將各臺(tái)server通過(guò)switch進(jìn)行互連，switch和server各司其職，switch負(fù)責(zé)分組的路由轉(zhuǎn)發(fā)，server負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)加工，這種結(jié)構(gòu)布網(wǎng)簡(jiǎn)單，操作方便，可擴(kuò)展性強(qiáng)，在現(xiàn)代企業(yè)數(shù)據(jù)中心應(yīng)用較廣泛；但以交換機(jī)為中心的結(jié)構(gòu)存在底層server利用率低、switch資源浪費(fèi)較為嚴(yán)重、網(wǎng)絡(luò)帶寬容量有限、靈活性差等缺點(diǎn)。

混合結(jié)構(gòu)是以上兩種結(jié)構(gòu)的一種擴(kuò)展，其設(shè)計(jì)融合了這兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)并有效避開了各自的缺陷。

3 云端數(shù)據(jù)容災(zāi)技術(shù)

容災(zāi)技術(shù)是云端大數(shù)據(jù)可靠存儲(chǔ)的一種關(guān)鍵技術(shù)，良好的容災(zāi)策略不但能有效提升大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)的可靠性，還有助于提升系統(tǒng)的訪問(wèn)效率。容災(zāi)策略一般都采用冗余備份技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，以確保當(dāng)出現(xiàn)某種突發(fā)狀況導(dǎo)致存儲(chǔ)系統(tǒng)中的文件、數(shù)據(jù)、片段丟失或者嚴(yán)重?fù)p壞時(shí)，系統(tǒng)可準(zhǔn)確而快速地訪問(wèn)冗余數(shù)據(jù)來(lái)維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[2]。一般來(lái)說(shuō)，容災(zāi)技術(shù)按策略的不同主要分兩種：①?gòu)?fù)制冗余策略；②糾刪編碼冗余策略。

3.1 復(fù)制冗余策略

復(fù)制冗余策略為系統(tǒng)中的每一個(gè)數(shù)據(jù)都建立一個(gè)或多個(gè)副本，并把若干個(gè)副本分散存儲(chǔ)在不同的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上，當(dāng)遇到某個(gè)數(shù)據(jù)損毀或失效不能正常使用時(shí)，可通過(guò)訪問(wèn)最近的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)來(lái)獲取與原件完全一致的副本數(shù)據(jù)[3]。基于復(fù)制的冗余策略主要關(guān)注2個(gè)方面的問(wèn)題：（1）副本數(shù)量設(shè)置；（2）數(shù)據(jù)放置方法。

3.1.1副本數(shù)量設(shè)置

副本系數(shù)設(shè)置主要采取兩種方式： ①靜態(tài)設(shè)置副本數(shù)量，目前主流的分布式文件系統(tǒng)Hadoop的HDFS、谷歌的GFS都采用3副本策略，這種靜態(tài)設(shè)置方法操作簡(jiǎn)單，但靈活性差；②隨機(jī)動(dòng)態(tài)設(shè)置副本數(shù)量，即系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)的訪問(wèn)頻率、出錯(cuò)概率及網(wǎng)絡(luò)狀況等動(dòng)態(tài)因素隨機(jī)地確定副本系數(shù)，動(dòng)態(tài)地刪除或添加副本，這種動(dòng)態(tài)機(jī)制能大大增加存儲(chǔ)空間的利用率，但動(dòng)態(tài)計(jì)算過(guò)程增加了系統(tǒng)的開銷；

3.1.2數(shù)據(jù)放置方法

巧妙的數(shù)據(jù)放置方法能通過(guò)提高并行訪問(wèn)量來(lái)提升云端大規(guī)模數(shù)據(jù)的訪問(wèn)效率，目前，數(shù)據(jù)放置方法一般采用順序放置和隨機(jī)放置[4]。

①順序放置方法把數(shù)據(jù)副本按順序分布存儲(chǔ)在不同節(jié)點(diǎn)上，使得排列數(shù)目相對(duì)較少，針對(duì)系統(tǒng)的隨機(jī)失效有一定的防護(hù)性，順序放置方法技術(shù)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)和維護(hù)，但在具體應(yīng)用時(shí)，因失效具有很強(qiáng)的相關(guān)性，局部的網(wǎng)絡(luò)故障或節(jié)點(diǎn)失效就有可能導(dǎo)致整個(gè)機(jī)架的數(shù)據(jù)不可訪問(wèn)。

②隨機(jī)放置方法是在可放置節(jié)點(diǎn)中隨機(jī)地選擇一系列節(jié)點(diǎn)來(lái)存放數(shù)據(jù)副本，此方法能夠降低關(guān)聯(lián)對(duì)系統(tǒng)可靠性帶來(lái)的負(fù)面影響，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)、計(jì)算能力各不相同、數(shù)據(jù)的訪問(wèn)熱度也不盡一致，往往達(dá)不到理想的均衡負(fù)載效果。

3.2糾刪編碼冗余策略

3.2.2 LDPC編碼

LDPC碼是從蒙特卡洛及圖論演進(jìn)而成的編譯碼技術(shù)，因其稀疏檢驗(yàn)矩陣（少量元素是1，其余部分全是0）特性，被研究者廣泛用于設(shè)計(jì)復(fù)雜度低的解碼算法，LDPC碼可以有效提升系統(tǒng)的容災(zāi)能力，但是構(gòu)造不規(guī)則碼字的難度也相應(yīng)成倍地增加。

3.2.3陣列編碼

陣列碼的編譯碼過(guò)程只涉及基礎(chǔ)的二進(jìn)制異或運(yùn)算，技術(shù)實(shí)現(xiàn)相對(duì)容易，而且在采用同等編譯碼的前提下，陣列碼比RS碼更能有效地提高系統(tǒng)的可靠性，與此同時(shí)保持其計(jì)算域不變大，陣列碼技術(shù)一直是大數(shù)據(jù)可靠存儲(chǔ)關(guān)鍵技術(shù)的研究熱點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用于磁盤陣列及網(wǎng)格存儲(chǔ)系統(tǒng)中。

3.2.4 RS編碼

RS碼是一種高效的糾錯(cuò)碼，既可以糾正突發(fā)錯(cuò)誤，又可以糾正隨機(jī)錯(cuò)誤，在通信領(lǐng)域中有極其廣泛的應(yīng)用，近年來(lái)，隨著大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)的快速、多元化發(fā)展，有研究者對(duì)RS編碼行了改造，并將其應(yīng)用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)領(lǐng)域以提高系統(tǒng)的容錯(cuò)性。

4 云端系統(tǒng)節(jié)能減耗技術(shù)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是各種云計(jì)算服務(wù)賴以施展的基礎(chǔ)，在云計(jì)算環(huán)境下，底層數(shù)據(jù)中心節(jié)點(diǎn)的規(guī)模龐大，使得數(shù)據(jù)存儲(chǔ)成本極高，主要源于添置各種網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)施（大型服務(wù)器、交換機(jī)、路由器等）以及支付各種存儲(chǔ)設(shè)備的高額電能消耗等。高漲的能耗開銷不但增加了系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)及維護(hù)成本，更催化了大氣溫室效應(yīng)，嚴(yán)重破壞了自然界的生態(tài)環(huán)境，因此，不論從服務(wù)商盈利的角度，還是從環(huán)境保護(hù)的角度出發(fā)，節(jié)能減耗技術(shù)都顯得尤為必要。

當(dāng)前，分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)的節(jié)能減耗技術(shù)主要集中在兩個(gè)方面：①硬件節(jié)能策略，主要致力于降低存儲(chǔ)系統(tǒng)中的硬件設(shè)備能耗；②軟件節(jié)能策略，通過(guò)使用一些專業(yè)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)資源的有效分配及使用。

參考文獻(xiàn)：

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[5] 萬(wàn)武南.分布式安全存儲(chǔ)系統(tǒng)糾刪碼技術(shù)的研究[D].北京：中國(guó)科學(xué)院研究生院，2006：97-105.

摘要：呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的大數(shù)據(jù)需要被可靠存儲(chǔ)，而云計(jì)算環(huán)境下的大規(guī)模分布式存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)，極大地提升了數(shù)據(jù)丟失或失效的幾率，該文從云端數(shù)據(jù)中心拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)容災(zāi)技術(shù)的相關(guān)策略及系統(tǒng)節(jié)能減耗等三個(gè)方面進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述，為大數(shù)據(jù)的可靠存儲(chǔ)技術(shù)研究提供了一定的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：云計(jì)算；大數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)容災(zāi)

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）32-7574-02

1 概述

當(dāng)代云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)數(shù)量少則幾十萬(wàn)多則上百萬(wàn)，在規(guī)模如此龐大的海量存儲(chǔ)系統(tǒng)中，節(jié)點(diǎn)失效或磁盤損毀已然成為一種常態(tài)，此外，由于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或者傳輸線路故障等原因?qū)е碌臄?shù)據(jù)丟失或短時(shí)不可用現(xiàn)象也常有發(fā)生。如果用戶或企業(yè)不能隨時(shí)隨地存取自己所需的數(shù)據(jù)，甚至發(fā)生數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象，將大大影響客戶滿意度，甚至給企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失，因此，必須采取有效措施及相關(guān)技術(shù)策略來(lái)保證云端數(shù)據(jù)的可靠存儲(chǔ)。

2 云端數(shù)據(jù)中心拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

云端數(shù)據(jù)中心是大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的基礎(chǔ)平臺(tái)，數(shù)據(jù)的可靠性及訪問(wèn)效率與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。按節(jié)點(diǎn)功能類型的不同，可將數(shù)據(jù)中心節(jié)點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分成三種類型[1]：①以server（服務(wù)器）為為中央節(jié)點(diǎn)的星型結(jié)構(gòu)；②以 switch（交換機(jī)）為中央節(jié)點(diǎn)的星型結(jié)構(gòu)；③混合結(jié)構(gòu)。三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)如下：

以server為中央節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)將多臺(tái)server通過(guò)傳輸介質(zhì)直接互連起來(lái)，在這種結(jié)構(gòu)中，server兼任switch的角色，一方面承擔(dān)數(shù)據(jù)的加工處理工作，另一方面承擔(dān)分組的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)工作，以server為中心的結(jié)構(gòu)增加了服務(wù)器之間的網(wǎng)絡(luò)帶寬，擺脫了對(duì)交換機(jī)的過(guò)度依賴，提高了吞吐量；但是server之間的鏈路帶寬的不均衡增加了布網(wǎng)的復(fù)雜度。

以switch為中央節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)將各臺(tái)server通過(guò)switch進(jìn)行互連，switch和server各司其職，switch負(fù)責(zé)分組的路由轉(zhuǎn)發(fā)，server負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)加工，這種結(jié)構(gòu)布網(wǎng)簡(jiǎn)單，操作方便，可擴(kuò)展性強(qiáng)，在現(xiàn)代企業(yè)數(shù)據(jù)中心應(yīng)用較廣泛；但以交換機(jī)為中心的結(jié)構(gòu)存在底層server利用率低、switch資源浪費(fèi)較為嚴(yán)重、網(wǎng)絡(luò)帶寬容量有限、靈活性差等缺點(diǎn)。

混合結(jié)構(gòu)是以上兩種結(jié)構(gòu)的一種擴(kuò)展，其設(shè)計(jì)融合了這兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)并有效避開了各自的缺陷。

3 云端數(shù)據(jù)容災(zāi)技術(shù)

容災(zāi)技術(shù)是云端大數(shù)據(jù)可靠存儲(chǔ)的一種關(guān)鍵技術(shù)，良好的容災(zāi)策略不但能有效提升大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)的可靠性，還有助于提升系統(tǒng)的訪問(wèn)效率。容災(zāi)策略一般都采用冗余備份技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，以確保當(dāng)出現(xiàn)某種突發(fā)狀況導(dǎo)致存儲(chǔ)系統(tǒng)中的文件、數(shù)據(jù)、片段丟失或者嚴(yán)重?fù)p壞時(shí)，系統(tǒng)可準(zhǔn)確而快速地訪問(wèn)冗余數(shù)據(jù)來(lái)維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[2]。一般來(lái)說(shuō)，容災(zāi)技術(shù)按策略的不同主要分兩種：①?gòu)?fù)制冗余策略；②糾刪編碼冗余策略。

3.1 復(fù)制冗余策略

復(fù)制冗余策略為系統(tǒng)中的每一個(gè)數(shù)據(jù)都建立一個(gè)或多個(gè)副本，并把若干個(gè)副本分散存儲(chǔ)在不同的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上，當(dāng)遇到某個(gè)數(shù)據(jù)損毀或失效不能正常使用時(shí)，可通過(guò)訪問(wèn)最近的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)來(lái)獲取與原件完全一致的副本數(shù)據(jù)[3]?；趶?fù)制的冗余策略主要關(guān)注2個(gè)方面的問(wèn)題：（1）副本數(shù)量設(shè)置；（2）數(shù)據(jù)放置方法。

3.1.1副本數(shù)量設(shè)置

副本系數(shù)設(shè)置主要采取兩種方式： ①靜態(tài)設(shè)置副本數(shù)量，目前主流的分布式文件系統(tǒng)Hadoop的HDFS、谷歌的GFS都采用3副本策略，這種靜態(tài)設(shè)置方法操作簡(jiǎn)單，但靈活性差；②隨機(jī)動(dòng)態(tài)設(shè)置副本數(shù)量，即系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)的訪問(wèn)頻率、出錯(cuò)概率及網(wǎng)絡(luò)狀況等動(dòng)態(tài)因素隨機(jī)地確定副本系數(shù)，動(dòng)態(tài)地刪除或添加副本，這種動(dòng)態(tài)機(jī)制能大大增加存儲(chǔ)空間的利用率，但動(dòng)態(tài)計(jì)算過(guò)程增加了系統(tǒng)的開銷；

3.1.2數(shù)據(jù)放置方法

巧妙的數(shù)據(jù)放置方法能通過(guò)提高并行訪問(wèn)量來(lái)提升云端大規(guī)模數(shù)據(jù)的訪問(wèn)效率，目前，數(shù)據(jù)放置方法一般采用順序放置和隨機(jī)放置[4]。

①順序放置方法把數(shù)據(jù)副本按順序分布存儲(chǔ)在不同節(jié)點(diǎn)上，使得排列數(shù)目相對(duì)較少，針對(duì)系統(tǒng)的隨機(jī)失效有一定的防護(hù)性，順序放置方法技術(shù)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)和維護(hù)，但在具體應(yīng)用時(shí)，因失效具有很強(qiáng)的相關(guān)性，局部的網(wǎng)絡(luò)故障或節(jié)點(diǎn)失效就有可能導(dǎo)致整個(gè)機(jī)架的數(shù)據(jù)不可訪問(wèn)。

②隨機(jī)放置方法是在可放置節(jié)點(diǎn)中隨機(jī)地選擇一系列節(jié)點(diǎn)來(lái)存放數(shù)據(jù)副本，此方法能夠降低關(guān)聯(lián)對(duì)系統(tǒng)可靠性帶來(lái)的負(fù)面影響，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)、計(jì)算能力各不相同、數(shù)據(jù)的訪問(wèn)熱度也不盡一致，往往達(dá)不到理想的均衡負(fù)載效果。

3.2糾刪編碼冗余策略

3.2.2 LDPC編碼

LDPC碼是從蒙特卡洛及圖論演進(jìn)而成的編譯碼技術(shù)，因其稀疏檢驗(yàn)矩陣（少量元素是1，其余部分全是0）特性，被研究者廣泛用于設(shè)計(jì)復(fù)雜度低的解碼算法，LDPC碼可以有效提升系統(tǒng)的容災(zāi)能力，但是構(gòu)造不規(guī)則碼字的難度也相應(yīng)成倍地增加。

3.2.3陣列編碼

陣列碼的編譯碼過(guò)程只涉及基礎(chǔ)的二進(jìn)制異或運(yùn)算，技術(shù)實(shí)現(xiàn)相對(duì)容易，而且在采用同等編譯碼的前提下，陣列碼比RS碼更能有效地提高系統(tǒng)的可靠性，與此同時(shí)保持其計(jì)算域不變大，陣列碼技術(shù)一直是大數(shù)據(jù)可靠存儲(chǔ)關(guān)鍵技術(shù)的研究熱點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用于磁盤陣列及網(wǎng)格存儲(chǔ)系統(tǒng)中。

3.2.4 RS編碼

RS碼是一種高效的糾錯(cuò)碼，既可以糾正突發(fā)錯(cuò)誤，又可以糾正隨機(jī)錯(cuò)誤，在通信領(lǐng)域中有極其廣泛的應(yīng)用，近年來(lái)，隨著大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)的快速、多元化發(fā)展，有研究者對(duì)RS編碼行了改造，并將其應(yīng)用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)領(lǐng)域以提高系統(tǒng)的容錯(cuò)性。

4 云端系統(tǒng)節(jié)能減耗技術(shù)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是各種云計(jì)算服務(wù)賴以施展的基礎(chǔ)，在云計(jì)算環(huán)境下，底層數(shù)據(jù)中心節(jié)點(diǎn)的規(guī)模龐大，使得數(shù)據(jù)存儲(chǔ)成本極高，主要源于添置各種網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)施（大型服務(wù)器、交換機(jī)、路由器等）以及支付各種存儲(chǔ)設(shè)備的高額電能消耗等。高漲的能耗開銷不但增加了系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)及維護(hù)成本，更催化了大氣溫室效應(yīng)，嚴(yán)重破壞了自然界的生態(tài)環(huán)境，因此，不論從服務(wù)商盈利的角度，還是從環(huán)境保護(hù)的角度出發(fā)，節(jié)能減耗技術(shù)都顯得尤為必要。

當(dāng)前，分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)的節(jié)能減耗技術(shù)主要集中在兩個(gè)方面：①硬件節(jié)能策略，主要致力于降低存儲(chǔ)系統(tǒng)中的硬件設(shè)備能耗；②軟件節(jié)能策略，通過(guò)使用一些專業(yè)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)資源的有效分配及使用。

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