天地一體化網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的云存儲技術(shù)探討

趙錦園+陳小鳳+馬小鵬+邵勝敏

摘 要： 首先由ISI（Integral Satcom Initiative）提出的衛(wèi)星通信系統(tǒng)架構(gòu)引出分布式存儲在天地一體化網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的作用；然后通過對天地一體化網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的一體化綜合信息系統(tǒng)按三種資源進(jìn)行了抽象，進(jìn)一步說明統(tǒng)一存儲資源、數(shù)據(jù)管理和檢索相關(guān)服務(wù)對提高天基信息系統(tǒng)效能的重要性。通過對幾類典型的分布式存儲技術(shù)進(jìn)行了對比，根據(jù)天地一體化網(wǎng)絡(luò)的特點提出無中心的分布式存儲架構(gòu)。對云存儲系統(tǒng)的總體架構(gòu)和服務(wù)模式進(jìn)行了說明，針對天基信息系統(tǒng)特點提出構(gòu)建天地一體化網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的云存儲系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)點。

關(guān)鍵詞： 一體化； 天基； 分布式； 云存儲

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1006-8228（2016）12-13-04

Abstract： The function of distributed storage technology in space-ground integrated network is introduced in this paper， which is based on the satellite communication system architecture presented by ISI （Integral Satcom Initiative）. The integrated information system in space-ground integrated network is abstracted into 3 resources in order to illustrate the importance of unified storage， data management and data retrieval services for enhancing the performance of space-based information system. A Non-central distributed storage architecture is proposed according to the characteristics of space-ground integrated network by comparing several typical distributed storage technologies. Then a general framework and service model of cloud storage system are described， and the key technologies of cloud storage system in space-ground integrated network are put forward according to the characteristics of space-based information system.

Key words： integration； space-based； distributed； cloud-storage

0 引言

“天地一體化網(wǎng)絡(luò)”是21世紀(jì)科學(xué)技術(shù)的重大課題之一。根據(jù)歐洲衛(wèi)星通信領(lǐng)域ISI技術(shù)聯(lián)盟2008年提出的衛(wèi)星通信系統(tǒng)構(gòu)想，衛(wèi)星通信系統(tǒng)由空中部分節(jié)點單元和地面部分節(jié)點單元構(gòu)成。其中，空中部分節(jié)點單元包括靜止軌道衛(wèi)星、同步軌道衛(wèi)星、中/低軌衛(wèi)星、高空平臺、無人機(jī)等，地面部分節(jié)點單元包括大容量的固定/可移動站、地面中繼和分布式天線系統(tǒng)等。這個系統(tǒng)中的各種不同的節(jié)點可實現(xiàn)非常豐富的功能集合，空中節(jié)點可以提供從簡單的透明轉(zhuǎn)發(fā)，到極端復(fù)雜的星上存儲轉(zhuǎn)發(fā)和星上數(shù)據(jù)處理能力，通過連接各個空中節(jié)點，也可提供數(shù)據(jù)中繼和分布式存儲能力[1]。

隨著數(shù)字技術(shù)和傳感器的發(fā)展，面對TB級和PB級的海量異構(gòu)數(shù)據(jù)，要準(zhǔn)確及時地找到用戶需要的數(shù)據(jù)和信息，對時空信息加工與處理的自動化、智能化和實時性提出了更高的要求。同時，為了適應(yīng)空間網(wǎng)絡(luò)的時延大、誤碼高、鏈路頻繁通斷等特點，且為網(wǎng)絡(luò)動態(tài)重構(gòu)提供支撐，對空間網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的分布式存儲提出了新的要求。

1 天地一體化網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的綜合信息系統(tǒng)

天地一體化網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的綜合信息系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

每個節(jié)點單元對外提供三種資源，分別是傳感資源、計算資源和存儲資源（即數(shù)據(jù)資源），作為系統(tǒng)中一個資源節(jié)點，在系統(tǒng)的統(tǒng)一管理下工作[2]。通過資源發(fā)現(xiàn)、資源管理和資源重組為系統(tǒng)重構(gòu)提供基礎(chǔ)支撐；智能搜索引擎基于大數(shù)據(jù)存儲與管理服務(wù)實現(xiàn)智能化的主動搜索和被動搜索，為業(yè)務(wù)層的信息交換、數(shù)據(jù)分析與挖掘提供高效手段。

2 分布式存儲系統(tǒng)

按適合存儲的數(shù)據(jù)類型，可將分布式存儲系統(tǒng)[3]分為四類：分布式數(shù)據(jù)庫、分布式鍵值系統(tǒng)、分布式表格系統(tǒng)和分布式文件系統(tǒng)。分布式數(shù)據(jù)庫（如Oracle RAC）適用于存儲結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，采用二維表格組織數(shù)據(jù)，支持多表關(guān)聯(lián)和嵌入式查詢等復(fù)雜操作。分布式鍵值系統(tǒng)（如Taobao Tair）適用于存儲關(guān)聯(lián)關(guān)系簡單但檢索性能要求高的半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，通常只支持基于主鍵的操作，單存儲節(jié)點上的技術(shù)實現(xiàn)與傳統(tǒng)的哈希表類似。分布式表格系統(tǒng)（如Google Bigtable）以表格為單位組織數(shù)據(jù)，不僅支持基于主鍵的操作，還支持范圍查找。分布式文件系統(tǒng)（如MoooseFS，GlusterFS，LusterFS和HDFS）是物理存儲資源通過網(wǎng)絡(luò)連接的文件系統(tǒng)，特別適用于存儲視頻圖像等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)對象，同時也可作為分布式表格系統(tǒng)和分布式數(shù)據(jù)庫的底層存儲。

綜合考慮天地一體化網(wǎng)絡(luò)的特點以及天地一體化綜合信息系統(tǒng)應(yīng)用需求，本文推薦天地一體化網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的底層存儲架構(gòu)借鑒GlusterFS的設(shè)計思想。

3 自主可控的云存儲系統(tǒng)

云存儲技術(shù)以分布式存儲技術(shù)為基礎(chǔ)，一方面高效地整合和管理網(wǎng)絡(luò)存儲資源，另一方面為業(yè)務(wù)層提供友好的數(shù)據(jù)讀寫和檢索服務(wù)接口。主要功能有以下。

⑴ 提供基于海量數(shù)據(jù)的存儲管理能力，實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的多機(jī)并行存儲和管理。

⑵ 支持存儲虛擬化，能夠?qū)⒍嗯_存儲設(shè)備的存儲空間整合為存儲資源池，實現(xiàn)存儲空間的動態(tài)劃分。

⑶ 系統(tǒng)采用Scale-Out架構(gòu)，支持通過動態(tài)的增加設(shè)備單元，實現(xiàn)容量及性能的并行擴(kuò)展。

⑷ 支持iSCSI、CIFS、NFS，多臺數(shù)據(jù)服務(wù)節(jié)點可組成集群并行提供存儲服務(wù)，單個數(shù)據(jù)服務(wù)節(jié)點故障時，其他節(jié)點可接替其服務(wù)。

⑸ 具備多種安全備份手段。支持磁盤鏡像、文件副本等冗余備份，單個設(shè)備故障時不影響系統(tǒng)使用。

⑹ 提供基于Web的云存儲服務(wù)，能夠?qū)?shù)據(jù)文件進(jìn)行高效管理，支持?jǐn)?shù)據(jù)文件快速查詢定位，支持RESTfull API接口。

⑺ 云存儲服務(wù)支持共享數(shù)據(jù)和用戶私有空間。

3.1 云存儲總體架構(gòu)

自主可控的云存儲系統(tǒng)的總體技術(shù)架構(gòu)框架如圖2所示。

自主可控云存儲平臺支持在不同規(guī)模的自主存儲陣列機(jī)群上的動態(tài)部署，并支持系統(tǒng)動態(tài)重構(gòu)、存儲及數(shù)據(jù)資源的安全統(tǒng)一管理、自適應(yīng)多級備份及恢復(fù)、按需安全存儲服務(wù)等。由安全云存儲服務(wù)、安全交換服務(wù)、海量數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)管理組成。其中：安全數(shù)據(jù)云存儲服務(wù)是滿足用戶多種需求的云存儲服務(wù)，關(guān)注的重點在于服務(wù)的安全、使用的方便和性能高效，提供對象存儲服務(wù)、文件存儲服務(wù)、基于塊的卷存儲服務(wù)三種服務(wù)內(nèi)容；安全數(shù)據(jù)交換服務(wù)包括提供安全的手段提供支持異地多中心的數(shù)據(jù)訂閱和分發(fā)、高速數(shù)據(jù)遷移等功能，提供完成統(tǒng)一的消息接口以及消息訂閱分發(fā)機(jī)制，提供安全又高效的數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出，提供異地多中心間的可靠的數(shù)據(jù)交互服務(wù)；海量數(shù)據(jù)管理實現(xiàn)海量異構(gòu)數(shù)據(jù)（結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化）的統(tǒng)一管理，支持?jǐn)?shù)據(jù)的快速檢索、并行訪問，支持?jǐn)?shù)據(jù)的快速加解密，支持?jǐn)?shù)據(jù)的多機(jī)備份；系統(tǒng)管理提供包括用戶管理、空間管理、資源管理、密鑰管理在內(nèi)的系統(tǒng)管理功能，實現(xiàn)強(qiáng)身份認(rèn)證、用戶及資源隔離分配、多級權(quán)限管理等管理功能。

自主可控存儲陣列包括存儲操作系統(tǒng)軟件和存儲陣列硬件。自主存儲操作系統(tǒng)軟件基于面向存儲進(jìn)行優(yōu)化和定制的操作系統(tǒng)內(nèi)核，集成自主可控的存儲功能軟件包括卷管理、存儲虛擬化、存儲接口、快照、存儲加密等軟件，提供統(tǒng)一存儲管理和安全的存儲服務(wù)。

安全防護(hù)及審計針對云存儲操作系統(tǒng)，提供防火墻、入侵監(jiān)測、病毒查殺、審計日志、監(jiān)控報警等功能，能夠針對外部攻擊、病毒攻擊，提供防護(hù)并提供監(jiān)測報警手段。

安全機(jī)制通過針對云存儲系統(tǒng)的統(tǒng)一安全架構(gòu)和策略，并將其貫穿整個云存儲平臺，將多安全級強(qiáng)制訪問控制、加密、審計等安全機(jī)制融入到平臺的相關(guān)存儲訪問、數(shù)據(jù)存儲、存儲備份各環(huán)節(jié)中。

3.2 云存儲服務(wù)

采用云存儲系統(tǒng)，可以使應(yīng)用層不再需要關(guān)心數(shù)據(jù)放在哪里、怎么管理，以及如何進(jìn)行數(shù)據(jù)安全防護(hù)，通過統(tǒng)一的云存儲服務(wù)接口為應(yīng)用層用戶提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

云存儲系統(tǒng)內(nèi)部實現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理、數(shù)據(jù)備份、分布式集群管理、數(shù)據(jù)加密和安全防護(hù)。根據(jù)不用的應(yīng)用需要可提供虛擬卷服務(wù)、結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)管理服務(wù)、云盤服務(wù)，支持CIFS、NAS、iSCSI接口協(xié)議，支持基于HTTP協(xié)議的網(wǎng)盤讀寫，提供云存儲API（支持REST風(fēng)格、JSON風(fēng)格或定制化）。

4 天地一體化環(huán)境下的云存儲關(guān)鍵技術(shù)

與地面信息系統(tǒng)相比較，天基信息系統(tǒng)具有其特有的動態(tài)特征[5]。

由于衛(wèi)星空間位置的時變性，使得資源網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋾S衛(wèi)星空間位置的變化而產(chǎn)生一定的時變性，資源的使用也具有時間窗口特性。

天基信息系統(tǒng)的建設(shè)是一個長期過程，系統(tǒng)資源的數(shù)量、性能和資源類型在不斷更新變化。還有就是從維護(hù)的角度看，一旦某個衛(wèi)星資源失效或故障很難修復(fù)的，也會導(dǎo)致系統(tǒng)資源組成變化。

因不同用戶對天基信息系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)需求差異較大且會發(fā)生變化，其系統(tǒng)資源動態(tài)變化將直接導(dǎo)致系統(tǒng)提供的應(yīng)用服務(wù)在變化。

因此，需要采用一種具有高度動態(tài)開放性的體系架構(gòu)來適應(yīng)系統(tǒng)資源和應(yīng)用服務(wù)的動態(tài)變化。構(gòu)建天地一體化網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的云存儲系統(tǒng)，關(guān)鍵技術(shù)點有以下六點。

⑴ 數(shù)據(jù)分布：如何將數(shù)據(jù)的多個副本分布到多個節(jié)點，以及分布后如何實現(xiàn)跨節(jié)點的讀寫操作；

⑵ 數(shù)據(jù)一致性：在異常情況下，如何保證不同副本的數(shù)據(jù)一致性；

⑶ 容錯和動態(tài)自適應(yīng)：如何檢測到節(jié)點故障，并自動將故障節(jié)點上的數(shù)據(jù)和服務(wù)遷移到網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點；

⑷ 負(fù)載均衡：系統(tǒng)運(yùn)行過程和新增節(jié)點過程中如何實現(xiàn)自動負(fù)載均衡，數(shù)據(jù)遷移過程如何保證不影響服務(wù)正常運(yùn)行；

⑸ 事務(wù)和并發(fā)控制：如何實現(xiàn)分布式事務(wù)和多用戶并發(fā)控制；

⑹ 高效能和低開銷：如何在高效能和低開銷間平衡，在空間有效資源環(huán)境下如何以低開銷保證綜合信息系統(tǒng)的高效能。

5 結(jié)束語

綜上所述，構(gòu)建面向天地一體化網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的自主可控云存儲系統(tǒng)是提高天地一體化綜合信息系統(tǒng)效能的基礎(chǔ)。鑒于天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的理論基礎(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)組成、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、路由技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等都不同于地面因特網(wǎng)[4]，雖然可以借鑒地面通用云存儲系統(tǒng)高性能高可靠可擴(kuò)展的設(shè)計思想，但云存儲技術(shù)在天地一體化網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的應(yīng)用還面臨眾多挑戰(zhàn)。

另外，天地一體化網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)安全的機(jī)密性、完整性、可用性十分重要，存儲系統(tǒng)如何實現(xiàn)自主可控，如自主可控軟硬件，甚至從芯片開始到操作系統(tǒng)、開發(fā)環(huán)境/工具、應(yīng)用程序的國產(chǎn)化要求已是目前武器裝備對存儲系統(tǒng)的迫切要求。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1] 閔士權(quán).天基綜合信息網(wǎng)構(gòu)想[J].航天器工程，2013.22（5）：

1-14

[2] 楊小牛，楊志邦，賴蘭劍等.下一代信號情報偵察體系架構(gòu)：大

數(shù)據(jù)概念的應(yīng)用[J].中國電子科學(xué)研究院學(xué)報，2013.8（1）：1-7

[3] 楊傳輝.大規(guī)模分布式存儲系統(tǒng)原理解析與架構(gòu)實踐[M].機(jī)

械工業(yè)出版社，2013.

[4] 胡源，姜會林等，天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)國外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[C].

“天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)”高峰論壇論文集，2013.

[5] 趙陽.易先清.羅雪山等.一種動態(tài)開放性天基信息系統(tǒng)應(yīng)用

體系研究[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2008.30（6）：5-9