“分布式”存儲結構研究

方勝吉

摘 要：“分布式”存儲就其本質來講是一種資源分配策略，就是利用一定規(guī)模的計算機形成網(wǎng)絡群，然后共同調配群中的資源，包括軟硬件、信息等。它融合了傳統(tǒng)的計算機和網(wǎng)絡技術，如分布式計算、網(wǎng)格計算、并行計算、虛擬化等。只要通過瀏覽器或其他WEB服務就可以直接訪問的一種新的IT服務模式，它通過互聯(lián)網(wǎng)來提供資源，而這種資源是動態(tài)且易擴展的。

關鍵詞：分布式 網(wǎng)絡 存儲

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）10（c）-0124-02

1 “分布式”存儲的分類

（1）基礎架構服務（IaaS）：指由供應商提供的硬件資源服務，用戶使用租用的方式從供應商處獲取硬件資源完成自己的應用部署，用戶不需要購買硬件設備，而節(jié)省相關費用。而對硬件資源的虛擬化是基礎架構服務的關鍵技術，它包括對服務器、存儲以及網(wǎng)絡的虛擬化。

（2）軟件服務（SaaS）：軟件服務是指供應商提供軟件平臺，并負責安裝、升級和維護[1]，用戶只需通過網(wǎng)絡來租用軟件即可。這種方式在服務器性能較高的情況下，基本能夠實現(xiàn)對所有軟件的虛擬化。

（3）平臺服務（PaaS）：PaaS是對SaaS的進一步深化，PaaS不僅提供軟件應用服務，還提供開發(fā)環(huán)境、數(shù)據(jù)庫等，為用戶提供一個可以自己開發(fā)應用程序的軟硬件資源平臺，在平臺上用戶開發(fā)完成自己的程序后可以通過服務器發(fā)布在網(wǎng)絡上。

2 存儲設備的常見連接方式

2.1 直接連接存儲（DAS）

DAS作為一種存儲結構，是以服務器為中心的，其他的存儲設備通過I/O總線與服務器連接，客戶端要想對數(shù)據(jù)進行訪問，必須經(jīng)過服務器的轉發(fā)，再利用I/O總線從相應的存儲設備中得到。DAS本身是硬件的堆疊，以服務器為中心，并寄生在服務器或客戶端上，其速度受到客戶連接數(shù)的影響。

2.2 網(wǎng)絡連接存儲（NAS）

NAS不是基于“數(shù)據(jù)塊”級的，而是基于“文件”級的以數(shù)據(jù)為中心的存儲結構[2]。NAS是將軟硬件有機結合，通過其自身的簡化實時操作系統(tǒng)直接向網(wǎng)絡上的用戶提供文件級共享服務的存儲設備。但在實際應用中NAS文件訪問速度較低，進行數(shù)據(jù)備份時，對LAN的帶寬消耗極大，對資源的整合和管理較弱。

2.3 存儲區(qū)域網(wǎng)絡存儲（SAN）

SAN是以光纖網(wǎng)為中心[3]，在服務器和存儲系統(tǒng)之間，在Fibre Channe1等互聯(lián)協(xié)議的作用下，直接進行數(shù)據(jù)傳遞的存儲網(wǎng)絡系統(tǒng)。SAN的應用服務器和存儲設備間的數(shù)據(jù)交換，主要使用Block I/0方式。SAN主要有兩種類型：分為FC SAN和IP SAN。

3 網(wǎng)絡文件系統(tǒng)與分布式文件系統(tǒng)

在分布式文件系統(tǒng)中，最早形成的就是網(wǎng)絡文件系統(tǒng)，它將存儲服務器和網(wǎng)絡客戶端連接，存儲服務器當中存放元數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，使用增加協(xié)議棧方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)和命令的傳遞。常用的網(wǎng)絡文件系統(tǒng)有NFS、CIFS等。

在NFS上可以實現(xiàn)異構系統(tǒng)間的文件共享。同時NFS使用的是客戶機/服務器模型，使它在局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)上都可以運行。但是，當面臨海量數(shù)據(jù)的處理時，處理能力是有限的。

常見的分布式文件系統(tǒng)主要有下面幾類。

（1）基于共享存儲設備的集群文件系統(tǒng)。

所謂基于共享存儲設備的集群文件系統(tǒng)，重點是對存儲設備的共享。在集群中，像SAN、NAS這樣的存儲設備將其存儲空間共享給所有服務器，所有服務器共同使用存儲設備上的同一個分區(qū)，這樣一來，當集群中的節(jié)點訪問系統(tǒng)時，就如同訪問本地文件系統(tǒng)一樣。而在集群中還設置了統(tǒng)一的調度和鎖存機制，為服務器提供統(tǒng)一的命名空間。

基于共享存儲設備的集群文件系統(tǒng)，有一個共同的特性，那就是都對共享存儲設備有極強的依賴性，這就對存儲設備的性能提出了較高的要求，同時也受到存儲設備性能的限制，這種集群文件系統(tǒng)下，節(jié)點自身的存儲資源無法被充分利用。

（2）P2P。

P2P是一種對等的分布式網(wǎng)絡，在P2P網(wǎng)絡中，參與者之間實現(xiàn)部分硬件資源的共享，通過網(wǎng)絡來提供服務和內容，對等點之間不需要服務器，而直接能夠互訪[4]。在此網(wǎng)絡中，節(jié)點既提供資源又使用資源，也就是說每個節(jié)點既是服務器也是客戶機。因此，P2P這種對等的分布式網(wǎng)絡打破了傳統(tǒng)的C/S模式。

常見的P2P網(wǎng)絡一般可分為3類[5]。

①集中目錄式結構：在這種結構當中要設置一個中心服務器，它的主要作用是提供網(wǎng)絡中必要的服務，比如索引和路由、安全檢驗等。中心服務器協(xié)助網(wǎng)絡中兩節(jié)點完成連接后，將不再起作用，而節(jié)點間可以跨過服務器直接通訊。其優(yōu)點是：網(wǎng)絡結構簡單，通過中心索引服務器便于節(jié)點管理。缺點是：對中心服務器依賴性強，網(wǎng)絡環(huán)境受其性能限制。

②分散式結構：在這種結構里沒有中心服務器，節(jié)點間分散連接，通過對等網(wǎng)絡協(xié)議形成網(wǎng)絡，用戶自定義自己的網(wǎng)絡環(huán)境。優(yōu)點是：網(wǎng)絡規(guī)模理論上可以無限擴展。缺點是：沒有管理者，安全性較差，節(jié)點很難被發(fā)現(xiàn)。

③混合式結構：在集中目錄式結構基礎上引入了超級節(jié)點，它的作用是輔助服務器對節(jié)點進行管理，減輕中心服務器的壓力。這種結構在提高了網(wǎng)絡的穩(wěn)定性和可擴展性的同時也增加了網(wǎng)絡管理的難度。

（3）Google GFS。

GFS是美國谷歌公司開發(fā)的分布式文件系統(tǒng)，主要是為了解決海量數(shù)據(jù)存儲問題而研發(fā)設計的。GFS對運行環(huán)境要求不高，它可以通過廉價的普通PC為用戶提供高性能的服務，同時它還有極強的容錯功能。GFS與傳統(tǒng)的分布式文件系統(tǒng)相比，在繼承了傳統(tǒng)的分布式文件系統(tǒng)優(yōu)點的同時又對其做了創(chuàng)造性的改進，具體表現(xiàn)在如下幾方面。

①GFS認為硬件錯誤是正常的，關鍵是在硬件出現(xiàn)故障時怎樣保證數(shù)據(jù)存儲的安全，同時還能提供不間斷的存儲服務。這是GFS最核心的問題。

②GFS最終的設計目的就是為了解決海量數(shù)據(jù)的存儲。

③在GFS中，以重新寫入的方式修改文件，不是覆蓋原數(shù)據(jù)。

④GFS向應用程序提供透明的訪問接口，在訪問文件系統(tǒng)時無需重新編譯。

由于GFS沒有開源，通過國內外相關的文獻綜述我們了解到，GFS集群采用Master/Slave結構，部署在普通PC機上。集群當中有一個Master節(jié)點和多個Chunk節(jié)點，GFS的工作過程是這樣的，對于要存儲到他上面的文件，GFS首先要把它分解成一樣大小的Chunk，然后通過Master給每一個Chunk分配一個唯一標識，通過本地服務器將每一個Chunk保存到本地硬盤并根據(jù)Chunk的標識和大小來進行讀寫操作。為了保證安全性，每個Chunk都會被復制到不同的數(shù)據(jù)塊服務器，一般情況下要復制三份，用戶也可以根據(jù)實際情況更改配置文件。在Master節(jié)點上存儲管理的是文件系統(tǒng)的元數(shù)據(jù)信息，元數(shù)據(jù)信息主要有命名空間、文件和Chunk的對應關系、Chunk的存儲位置等。除此之外，Master還要實現(xiàn)對元數(shù)據(jù)的檢查、操作日志記錄以及回放功能。工作機在Master的指揮下完成對數(shù)據(jù)的存儲、遷移和計算工作。在這種結構中，Master機器工作極為繁重，且只有一臺機器，留下了單點隱患。

參考文獻

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[2] 薛萬宇，宋余慶，王恒，等.一種醫(yī)學圖像數(shù)據(jù)庫存儲方案設計與實現(xiàn)[J].微計算機信息，2008，24（3）：177-179.

[3] 徐磊，王英，張耀軍.基于DICOM標準的醫(yī)學圖像存儲與訪問的研究[J].醫(yī)療裝備，2005，18（11）：1-4.

[4] 楊曉月，董方敏，劉勇，等.一種DICOM醫(yī)學圖像數(shù)據(jù)存儲管理的設計方案[J].電腦知識與技術：學術交流，2007，1（3）：53-54，135.

[5] 韓磊，張虹.基于DICOM的醫(yī)學圖像存儲模型設計與實現(xiàn)[J].計算機時代，2006（10）：30-32.