面向武警云災(zāi)備的數(shù)據(jù)同步技術(shù)研究綜述

武警8710部隊通信科　段志剛武警警官學(xué)院　吳耕銳　薄　鳥

面向武警云災(zāi)備的數(shù)據(jù)同步技術(shù)研究綜述

武警8710部隊通信科段志剛武警警官學(xué)院吳耕銳薄鳥

1　引言

近年來，云計算作為一種新的集群計算模式，為人們提供了一種市場空間巨大、全新的信息化服務(wù)［1］-［6］。盡管云計算與云存儲帶來極大的便利，諸多用戶依然選擇分布式計算系統(tǒng)，主要原因是在云計算及云存儲中，沒有采取有效的措施保護用戶數(shù)據(jù)的可用性和完整性。換而言之，數(shù)據(jù)災(zāi)備問題是眾多用戶選擇云存儲的最大障礙，而用戶數(shù)據(jù)的安全最大程度依賴于數(shù)據(jù)備份后的完整性和可用性。

傳統(tǒng)的分布式系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)災(zāi)難備份已經(jīng)不能適應(yīng)新環(huán)境下的災(zāi)備需求，云災(zāi)備服務(wù)擁有投入成本低、資源共享的巨大優(yōu)勢，這些優(yōu)勢為云災(zāi)備提供了強大的生命力，云計算環(huán)境下數(shù)據(jù)同步問題成為災(zāi)難備份發(fā)展的一個重大瓶頸。

數(shù)據(jù)同步是云環(huán)境下實時動態(tài)備份的關(guān)鍵技術(shù)，研究一種適用的數(shù)據(jù)同步技術(shù)成為云環(huán)境下災(zāi)難備份的迫切需求。因此，研究適用于云環(huán)境下的數(shù)據(jù)同步技術(shù)對于降低網(wǎng)絡(luò)通信量、實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時同步、縮減數(shù)據(jù)重復(fù)率以節(jié)省存儲空間具有重大的理論意義和緊迫的現(xiàn)實意義。

2　研究現(xiàn)狀

針對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的數(shù)據(jù)同步問題，學(xué)術(shù)界的眾多學(xué)者和專家已經(jīng)有了深入的研究?；趶V域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下時刻伴隨著數(shù)據(jù)同步，例如遠程數(shù)據(jù)的備份、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的同步、共享等。最直接的方法是用源數(shù)據(jù)覆蓋舊數(shù)據(jù)，但是源數(shù)據(jù)和被覆蓋數(shù)據(jù)之間往往存在較小的差異，因此會占用不必要的網(wǎng)絡(luò)流量，特別是具有較高相似性的集群存儲系統(tǒng)以及存儲密度較大的云環(huán)境下，往往會造成大量網(wǎng)絡(luò)流量資源的浪費。目前，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下數(shù)據(jù)同步工作的研究主要有Rsync、FileGee（基于Windows平臺的數(shù)據(jù)文件同步）［7］，TAPER和 GrahanConmode提出的T.Suel［8］同步算法以及LBFS算法等。另外，在數(shù)據(jù)同步系統(tǒng)的開發(fā)與實踐中，IMB、HP、DELL等著名的IT企業(yè)占據(jù)了其重要的地位。

吳昊［9］在共享內(nèi)存體系結(jié)構(gòu)下，為解決鎖同步導(dǎo)致的并發(fā)性能瓶頸，提出了一種基于硬件CAS（比較交換）原語的無鎖同步算法。該算法實現(xiàn)了多核多線程環(huán)境下共享變量的非阻塞同步操作，有效的避免由于鎖競爭造成的程序串行化問題。

張鳳琴［10］等人鑒于目前數(shù)據(jù)同步領(lǐng)域存在的不足，通過對WCF技術(shù)的分析和研究，構(gòu)建了一個數(shù)據(jù)同步模型，該模型實現(xiàn)了分布式環(huán)境下多個數(shù)據(jù)中心之間的高效實時同步。文獻［10］以實時數(shù)據(jù)檢索機制的設(shè)計作為切入點，提出了結(jié)合一致性哈希算法的數(shù)據(jù)存儲方案。對于數(shù)據(jù)同步的研究，目前研究主要側(cè)重于數(shù)據(jù)復(fù)制策略以及數(shù)據(jù)壓縮算法，通過計算得出數(shù)據(jù)源端和目標(biāo)數(shù)據(jù)的差異部分，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸差異數(shù)據(jù)來更新目標(biāo)數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)達到一致。

遠程同步往往缺少監(jiān)控機制，不能實時的進行數(shù)據(jù)同步，針對此類問題，李貞［11］設(shè)計了基于Rsync算法的遠程同步系統(tǒng)，并引入了Inotify機制，進行文件的實時監(jiān)控。文獻［12］基于云平臺的數(shù)據(jù)同步需求，設(shè)計了以Rsync算法為基礎(chǔ)的同步系統(tǒng)。

云環(huán)境下數(shù)據(jù)同步面臨的另一個挑戰(zhàn)是同步帶來的大量數(shù)據(jù)冗余，針對數(shù)據(jù)冗余的問題，眾多學(xué)者開始研究重復(fù)數(shù)據(jù)刪除技術(shù)［12-14］。為在較少的數(shù)據(jù)冗余前提下保持數(shù)據(jù)的高可靠性，Bhagwat等人提出了基于副本的重復(fù)數(shù)據(jù)刪除策略［15］，根據(jù)數(shù)據(jù)chunk的共享度在存儲系統(tǒng)內(nèi)存放數(shù)目不同的數(shù)據(jù)副本，以增強數(shù)據(jù)刪重系統(tǒng)的可靠性。

為了保證存儲系統(tǒng)在較高可靠性的前提下縮減數(shù)據(jù)量，眾多學(xué)者利用糾錯編碼技術(shù)進行數(shù)據(jù)的刪重。Data Domain開發(fā)的DDFS［16］和HP開發(fā)的D2D4000［17］利用RAID-6編碼技術(shù)實現(xiàn)了磁盤損壞后的數(shù)據(jù)恢復(fù)。Liu等人為提高存儲系統(tǒng)可靠性，設(shè)計了重復(fù)數(shù)據(jù)刪除系統(tǒng)R-ADMAD［18］，將不定長的數(shù)據(jù)塊打包成定長的數(shù)據(jù)塊，并運用ECC編碼進行校驗。

3　研究展望

1）數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院蛿?shù)據(jù)中心的安全訪問控制在遠程數(shù)據(jù)同步的整個過程中也是一個至關(guān)重要的方面。如何實現(xiàn)服務(wù)器接收請求的口令協(xié)定，是今后深入研究的問題之一。

2）云環(huán)境下的實時同步方案的設(shè)計中，首先，存在文件系統(tǒng)實時監(jiān)控的可移植性行問題。在HDFS會同時存儲一個文件的三個副本，在集群系統(tǒng)內(nèi)部的副本之間的數(shù)據(jù)同步方法，將是未來進一步研究優(yōu)化的方向。

3）集群式重復(fù)數(shù)據(jù)刪除重點需要解決的兩個問題是磁盤的索引瓶頸和節(jié)點之間的孤島效應(yīng)。如何盡可能降低全局的消重策略的誤判率提高刪除效率，在誤判率可以接受的范圍內(nèi)進行重復(fù)數(shù)據(jù)的刪除是下一步工作研究的主要方向，有效地清除磁盤碎片是重復(fù)數(shù)據(jù)刪除中的又一個研究難點。

［1］Shamim S M，Sarker A，Bahar A N，et al.A Review on Mobile Cloud Computing［J］.International Journal of Computer Applications， 2015，113（16）：4-9.

［2］Crago S P，Walters J P.Heterogeneous Cloud Computing：The Way Forward［J］. Computer，2015， 48（1）：59-61.

［3］IBM Cloud Computing ［EB/OL］. http：//www.ibm.com/ibm/cloud.

［4］吳朱華.云計算核心技術(shù)剖析［M］.北京：人民郵電出版社，2011.5.

［5］陸嘉恒等.分布式系統(tǒng)與云計算［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2011.5.

［6］Sookhak M，Gani A，Talebain H， et al.Remote Data Auditing in Cloud Computing Environments： A Survey，Taxonomy，and Open Issues［J］. Acm Computing Surveys， 2015.

［7］Pierce B C，Vouillon J.Unison：A File Synchronizer and Its Specification［C］// Proceedings of the 4th International Symposium on Theoretical Aspects of Computer SoftwareSpringer-Verlag，2001.

［8］陳煌.基于差異同步的云存儲研究和實踐［D］.華東理工大學(xué)，2015.

［9］張青鳳，張鳳琴，王磊.多數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)同步模型研究與設(shè)計［J］.微型機與應(yīng)用，2013.

［10］傅穎勛，羅圣美，舒繼武.一種云存儲環(huán)境下的安全網(wǎng)盤系統(tǒng)［J］.軟件學(xué)報，2014，08：1831-1843.

［11］張海峰.基于Rsync的異構(gòu)環(huán)境數(shù)據(jù)同步機制研究［D］.成都：電子科技大學(xué)，2013.

［12］劉西崗.基于rsync算法的云平臺文件同步系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［D］.成都：電子科技大學(xué)， 2013.

［13］敖莉.舒繼武，李明強.重復(fù)數(shù)據(jù)刪除技術(shù)［J］.軟件學(xué)報，2010（05）：916-929..

［14］Muthitacharoen A，Chen B，Mazières D.A Low-bandwidth Network File System［J］.Acm Sigops Operating Systems Review， 2001.35（5）：174-187.

［15］Bolosky W J，Corbin S，Goebel D，et al.Single instance storage in Windows? 2000［C］//In Proceedings of the 4th USENIX Windows Systems Symposium （WinsSys 20002000.

［16］Bobbarjung D R，Jagannathan S，Dubnicki C.Improving duplicate elimination in storage systems［J］.Acm Transactions on Storage，2006，2（4）：424-448.

［17］付印金.肖儂.劉芳.重復(fù)數(shù)據(jù)刪除關(guān)鍵技術(shù)研究進展［J］.計算機研究與發(fā)展，2012（1）：12-20.

［18］Zhu B，Li K，Patterson H.Avoiding the disk bottleneck in the data domain deduplication file system［C］//Proceedings of the 6th USENIX Conference on File and Storage TechnologiesUSENIX Association， 2008.

吳耕銳（1985—），福建漳州人，現(xiàn)供職于武警警官學(xué)院信息工程系，研究方向：信息化。

薄鳥（1986—），女，陜西西安人，現(xiàn)供職于武警警官學(xué)院數(shù)學(xué)與物理系，研究方向：固體物理。

未來對數(shù)據(jù)同步中的關(guān)鍵技術(shù)研究將主要集中在以下幾個方面：

段志剛（1977—），男，江西景德鎮(zhèn)人，現(xiàn)供職于武警8710部隊通信修理所，助理工程師，主要研究武警通信與信息化。