飛行器自主保障系統(tǒng)海量數(shù)據(jù)存儲設計與研究

曾 發(fā) 麻雨欣 梁 君 曾貴明 榮 剛

(1.中國運載火箭技術研究院研發(fā)中心，北京 100076； 2.航天材料及工藝研究所，北京 100076)

1 引言

某飛行器長期在軌運行，為對其上各設備進行健康管理、故障預測和分析，在地面設立自主保障信息系統(tǒng)，接收健康診斷的數(shù)傳數(shù)據(jù)和遙測數(shù)據(jù)，并在全壽命周期內存儲，其中，原碼數(shù)據(jù)每天約為0.186TB，經(jīng)解碼后，數(shù)據(jù)約為2TB，總數(shù)據(jù)將達1PB，且包含大量非格式化的圖片和視頻文件，重復執(zhí)行任務時，數(shù)據(jù)隨任務次數(shù)等量增加，存儲系統(tǒng)需要擴容使用，現(xiàn)有單塊磁盤或磁盤陣列的存儲方案，在存儲容量、讀寫速度、數(shù)據(jù)安全性和存儲擴展性上，都無法滿足要求。本文針對該飛行器自主保障系統(tǒng)海量數(shù)據(jù)及其應用特點，設計一種采用完全對稱架構和改進哈希算法的數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)架構

2.1 總體架構

本文設計的數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)，類似于亞馬遜公司的AWS S3[1]架構，采用去中心化扁平對稱結構，通過軟件定義虛擬化存儲，物理層面使用普通服務器+磁盤陣列來構建冗余可擴展的分布式存儲集群，數(shù)據(jù)寫入、數(shù)據(jù)讀出等應用服務器和存儲集群通過光纖交換機相連，飛行器自主保障原碼數(shù)據(jù)通過測發(fā)控系統(tǒng)經(jīng)光纖交換機寫入，故障推理原碼數(shù)據(jù)經(jīng)光纖交換機讀出，再將推理過程數(shù)據(jù)和結果數(shù)據(jù)經(jīng)光纖交換機寫入。自主保障系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲總體架構見圖1。

圖1 數(shù)據(jù)存儲總體架構Fig.1 Overall architecture of data storage

2.2 數(shù)據(jù)組織結構

本文采用無中心節(jié)點和扁平化的數(shù)據(jù)組織結構，將數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)劃分為三層邏輯結構：賬戶、容器和對象，如圖2所示。賬戶表示一個存儲區(qū)域，并對應一個飛行器分系統(tǒng)用戶，若一個分系統(tǒng)切換到另一個分系統(tǒng)下，將看到屬于另一個存儲區(qū)域的容器和對象。本文根據(jù)該飛行器分系統(tǒng)劃分，設為不同的賬戶，如GNC分系統(tǒng)用戶、遙感分系統(tǒng)用戶、電源分系統(tǒng)用戶、熱控分系統(tǒng)用戶、遙測分系統(tǒng)用戶、綜合電子分系統(tǒng)、結構分系統(tǒng)等。容器是存儲對象的存儲空間，其內部扁平，沒有目錄概念，所有對象直接隸屬于其對應容器；每個飛行器分系統(tǒng)可擁有多個容器；容器內對象數(shù)目沒有限制。對象作為存儲對象，由對象元信息、用戶數(shù)據(jù)和文件名組成，并由容器內唯一的文件名標識，其生命周期從上傳磁盤到被刪除為止，整個周期內，對象信息不可變更。

圖2 數(shù)據(jù)組織結構Fig.2 Structure of data organization

2.3 存儲架構

本文設計的數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)通過軟件定義存儲服務，采用完全對稱架構，其軟件邏輯組成見圖3，硬件部署如圖4所示，主要包括四個組成部分：代理服務組件、存儲服務組件、存儲一致性服務組件和哈希環(huán)，其中代理服務組件、哈希環(huán)部署在代理服務器上，存儲服務組件和存儲一致性服務組件部署在用于數(shù)據(jù)存儲的物理存儲服務器上。

圖3 軟件邏輯組成Fig.3 Logic composition of Software

圖4 硬件部署Fig.4 Devices deployment

2.3.1 代理服務組件

代理服務組件負責系統(tǒng)其余組件間的相互通信, 并提供系統(tǒng)對外接口的服務進程。對飛行器每個分系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲請求，代理服務組件在哈希環(huán)中查詢賬戶、容器或對象的位置，并相應轉發(fā)請求。若某個物理存儲服務器不可用，代理服務組件將查詢哈希環(huán)中可用物理服務器，將存儲請求轉發(fā)過去。代理服務組件對用戶提供Rest-ful API接口和TCP/IP協(xié)議規(guī)范，其部署所在服務器相當于一臺對外提供通信交互服務的HTTP服務器。

2.3.2 存儲服務組件

存儲服務組件提供存儲服務器磁盤陣列上的存儲服務，包括三類存儲服務模塊：賬戶服務模塊、容器服務模塊和對象服務模塊。賬戶服務模塊處理對賬戶請求，使用SQLite數(shù)據(jù)庫文件保存賬戶相關信息。容器服務模塊負責處理對象列表和跟蹤統(tǒng)計對象總數(shù)、容器使用情況，同樣使用SQLite數(shù)據(jù)庫文件保存容器相關信息。對象服務模塊負責處理對對象的請求，直接操作對象，讀寫存儲對象。存儲服務組件組成及工作機制見圖5。

圖5 存儲服務組件組成及工作機制Fig.5 Composition and working mechanism of storage service components

2.3.3 存儲一致性服務組件

存儲一致性服務組件用來查找并解決由數(shù)據(jù)損壞和硬件故障引起的錯誤，保證對象的最終一致性，主要有三個服務模塊：審計服務模塊、更新服務模塊和副本服務模塊。審計服務模塊檢測每臺物理服務器上的賬號、容器和對象完整性，發(fā)現(xiàn)損壞后將數(shù)據(jù)移動到隔離區(qū)域，再由副本服務模塊用一個完好副本替代。更新服務模塊分別更新賬戶列表和對象列表，若賬戶服務模塊和容器服務模塊繁忙，則待其正常后再更新。副本服務模塊保持數(shù)據(jù)合理副本數(shù)，并確認存放位置是否正確，保證各物理服務器面臨故障時保持數(shù)據(jù)一致性。存儲一致性服務組件組成見圖6，工作機制見圖7。

圖6 一致性服務組件組成Fig.6 Composition of consistency service components

圖7 一致性工作機制Fig.7 Working mechanism for consistency

2.3.4 哈希環(huán)

本存儲系統(tǒng)引入哈希環(huán)，記錄存儲對象與物理位置間的映射關系，哈希環(huán)分布于所有代理服務器，是整個數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)核心，存取對象都需哈希環(huán)參與。哈希環(huán)包括賬戶哈希環(huán)、容器哈希環(huán)、對象哈希環(huán)，查詢賬戶、容器、對象信息時，需查詢集群中各自的哈希環(huán)信息，并用分區(qū)、設備、節(jié)點和副本等信息維護映射。哈希環(huán)中同一個節(jié)點包含3個副本。每個節(jié)點的位置由哈希環(huán)來維護，并存儲在映射中。系統(tǒng)初始化時創(chuàng)建哈希環(huán)，此后增減存儲節(jié)點都要更新哈希環(huán)中信息，重新達到平衡，以保證最少遷移文件數(shù)量。

本文將哈希算法進行改進，哈希環(huán)采用分區(qū)、設備、浮動虛擬節(jié)點、權重和副本來維護映射信息，相關概念見下文。

3 存儲工作機理

一個優(yōu)秀數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)需滿足如下幾項要求：增減存儲節(jié)點遷移數(shù)據(jù)少；數(shù)據(jù)存儲安全；數(shù)據(jù)訪問安全；存儲資源分配均衡。本文設計的數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)存儲工作機理主要采用以下幾個概念來滿足這些要求。

3.1 改進哈希算法

本數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)在普通哈希算法[2～3]的基礎上，采用引入浮動虛擬節(jié)點的一致性哈希算法，以在改變物理節(jié)點數(shù)量時盡量少改變已存在鍵值和物理節(jié)點間的映射關系，減少數(shù)據(jù)遷移量。該算法便于構建冗余可擴展分布式數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)，適應自主保障數(shù)據(jù)存儲特點。該算法分六個步驟：

(1)每個物理節(jié)點設置2X倍個虛擬節(jié)點，并形成一對多映射；

(2)計算每個虛擬節(jié)點哈希值，并將其分配到1個0～232的圓環(huán)上；

(3)計算存儲對象哈希值，并將其分配到(2)中圓環(huán)上，算法與(2)相同；

(4)從數(shù)據(jù)映射到的位置起順時針查找，將其保存到找到的第1個虛擬節(jié)點，若超過232仍未找到，則保存到第1個虛擬節(jié)點；

(5)將虛擬節(jié)點反射到物理節(jié)點，確定對象存儲的物理位置；

(6)根據(jù)每個物理節(jié)點負載特性，浮動調整X值，以調整虛擬節(jié)點數(shù)。

為簡化分析，先設每個物理節(jié)點對應1個虛擬節(jié)點，假設在這個環(huán)形哈希空間中存在4個節(jié)點，分別為節(jié)點1～節(jié)點4，若增加1個節(jié)點5，根據(jù)上述算法，得出節(jié)點5被映射在節(jié)點3和節(jié)點4之間，則僅需將從節(jié)點3順時針到節(jié)點5之間的數(shù)據(jù)進行遷移，其分布如圖8所示，圖中節(jié)點是虛擬節(jié)點，也是物理節(jié)點。

圖8 一致性哈希環(huán)結構Fig.8 Structure of Consistent Hash Ring

為提高存儲系統(tǒng)擴展性能，進一步減少增減節(jié)點引起的數(shù)據(jù)遷移量，先將每個物理節(jié)點的虛擬節(jié)點個數(shù)設置為25倍數(shù)值，使每個物理節(jié)點對應多個虛擬節(jié)點，即增加圖8中哈希環(huán)的節(jié)點數(shù)。通過兩層映射，將對象與相應物理節(jié)點聯(lián)系起來，先將對象映射到虛擬節(jié)點，再將虛擬節(jié)點映射到物理節(jié)點，建立對象與相應物理節(jié)點的多對多映射關系。對象與虛擬節(jié)點的映射關系由一致性哈希算法實現(xiàn)，虛擬節(jié)點與物理節(jié)點的映射關系主要遵循多個副本應分布在不同物理節(jié)點的原則，并由哈希環(huán)文件中的Partition Assignment List二維數(shù)組實現(xiàn)。引入虛擬節(jié)點后的映射關系和哈希環(huán)結構如圖9所示。

圖9 引入虛擬節(jié)點后的映射關系和哈希環(huán)結構Fig.9 Mapping relation and structure of Hash Ring after introducing virtual nodes

實際運行時，因設備性能差異和忙閑隨機性等，各物理節(jié)點負載動態(tài)變化，且大小不一，為實現(xiàn)不同物理節(jié)點間負載均衡，將每個物理節(jié)點的虛擬節(jié)點個數(shù)設置為24～26倍浮動數(shù)值，再在某時間間隔內，根據(jù)各個虛擬節(jié)點訪問量反饋值進行動態(tài)調整，并設置闕值決定是否調整。

當飛行器重復執(zhí)行任務、等量增加數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)再增設物理節(jié)點時，采用改進哈希算法，可減少已有物理節(jié)點的數(shù)據(jù)遷移量。

3.2 副本

若數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中沒有冗余副本，一旦發(fā)生故障就可能永久丟失，存儲安全性得不到保障。本存儲系統(tǒng)不采用傳統(tǒng)的RAID磁盤陣列保護數(shù)據(jù)安全方式，而引入數(shù)據(jù)副本概念，理論依據(jù)源于NWR策略[4,5]，其中：N為同1個數(shù)據(jù)的副本份數(shù)；W為更新1個數(shù)據(jù)需更新成功的份數(shù)；R為讀取1個數(shù)據(jù)需讀取的副本份數(shù)。該策略中，為保證某個數(shù)據(jù)不同時被不同事務讀和寫，要求W+R>N；為保證兩個事務不能并發(fā)寫某個數(shù)據(jù)，要求W>N/2。本數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)設置1份數(shù)據(jù)有3份副本，即N=3，并取W=2，R=2，可知符合NWR策略，系統(tǒng)無單點故障，可保證數(shù)據(jù)存儲安全。

3.3 分區(qū)

若所有物理節(jié)點都布置在一個機柜或一個機房時，一旦發(fā)生掉電、斷網(wǎng)、怠機等故障，都將造成自主保障系統(tǒng)中飛行器各分系統(tǒng)用戶無法讀寫。因此在哈希環(huán)中引入分區(qū)概念，把集群的物理節(jié)點分配到各個分區(qū)中，其中：同一個虛擬節(jié)點的副本不放在同一物理節(jié)點，也不放在同一分區(qū)；分區(qū)大小根據(jù)自主保障應用需求和硬件基礎自定義，如一個機房或一個機柜、一臺服務器甚至一塊磁盤。根據(jù)該飛行器測發(fā)控系統(tǒng)特點，存儲設備分別布設在發(fā)射場、測控站，構建多個分區(qū)。通過分區(qū)機制，對存儲設備的物理位置進行隔離，可滿足分區(qū)容忍性[6]，確保數(shù)據(jù)讀寫安全。

3.4 權重

哈希環(huán)引入權重的目的是解決未來飛行器任務增加，自主保障系統(tǒng)添加存儲能力更大的物理節(jié)點時，可分配到更多的虛擬節(jié)點，其權重大小與物理節(jié)點容量大小成正比，以此實現(xiàn)存儲資源均衡分配。如40TB容量的物理節(jié)點，其虛擬節(jié)點數(shù)為20TB物理節(jié)點的兩倍，可設置40TB節(jié)點的權重為4000，而10TB節(jié)點的權重為2000。系統(tǒng)運行后，每個物理節(jié)點的權重，需根據(jù)其分配的全部虛擬節(jié)點訪問量反饋值動態(tài)修正，動態(tài)調整其虛擬節(jié)點個數(shù)，特別是增減物理節(jié)點時，各個權重需更大幅度修正。

4 設計結果與測試

4.1 原理樣機

本文設計的該飛行器自主保障系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲原理樣機如圖10所示，由圖可見其存儲原理及算法。

圖10 飛行器自主保障系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲原理樣機Fig.10 Prototype of data storage for autonomous logistics system of some aerocraft

系統(tǒng)存儲容量為1000TB，將存儲集群分為5個分區(qū)，1個分區(qū)為1個節(jié)點，每個分區(qū)為1臺服務器，每臺物理服務器上安裝112塊1.8TB容量7.2K轉速的SAS磁盤，2塊磁盤以RAID1構建操作系統(tǒng)盤，其余磁盤全部作為存儲盤。每臺服務器虛擬成2臺服務器，其中1臺為存儲代理服務器，1臺為數(shù)據(jù)存儲服務器，作為存儲節(jié)點。系統(tǒng)采用完全對稱的架構，每臺服務器硬件和軟件配置完全一樣，并安裝代理服務組件、對象服務組件、容器服務組件和賬戶服務組件等全部存儲服務軟件，以確保其角色完全對等。出于安全和性能考慮，在業(yè)務前部署1臺負載均衡服務器，但不屬于數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)。

圖10中分別有執(zhí)行存儲和讀取文件的數(shù)據(jù)流，操作同一個對象，即飛行器上有效載荷CCD拍攝的1個10GB原碼圖片文件Satelite.png。存儲時，有效載荷分系統(tǒng)用PUT寫指令通過負載均衡隨機挑選1臺代理服務器，將寫請求轉發(fā)到后者，其代理服務組件通過查詢本地哈希環(huán)文件，選擇3個不同分區(qū)中的存儲服務器存儲該圖片，然后同時將其發(fā)送到這3個存儲節(jié)點，存儲服務組件通過預設置的文件切割程序，將其分為21段，每段500MB，并行發(fā)送到某個分區(qū)下有效載荷分系統(tǒng)所屬容器中。該過程需滿足NWR策略，即3份副本至少寫成功2份，再給有效載荷分系統(tǒng)返回圖片存儲成功消息。下載時，有效載荷分系統(tǒng)用GET讀指令通過負載均衡隨機挑選1臺代理服務器，其代理服務組件中的哈希環(huán)文件查詢到該圖片存儲在哪3個節(jié)點，再同時向后端查詢，至少有2個節(jié)點回信可提供該圖片，最后代理服務器選擇其中1個節(jié)點下載該圖片。

4.2 性能測試

本數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)性能測試針對請求響應、吞吐量、負載均衡3個指標進行，并對算法改進前后進行對比，每個物理存儲節(jié)點的配置見表1，測試數(shù)據(jù)大小介于1KB～5GB之間，隨機選取飛行器自主保障系統(tǒng)中各分系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

表1 物理節(jié)點配置Tab.1 Configuration of the physical nodes

表2為哈希算法改進前后集群的用戶請求響應對比情況，可看出，在訪問量不大時，哈希算法改進前后的響應時間基本一致，訪問量逐漸增加后，哈希算法改進后的響應時間略長，因為對象動態(tài)復制過程需要一定時間，隨該過程完成，響應時間就明顯短于哈希算法改進前。

表2 哈希算法改進前后對請求響應的影響Tab.2 Influence on request response before and after improving Hash algorithm

表3為哈希算法改進前后集群的吞吐量對比情況，可看出，在訪問量不大時，訪問量逐漸增加后，哈希算法改進前后的吞吐量基本一致，都保持增長，訪問量繼續(xù)增加后，哈希算法改進前的吞吐量開始下降，而哈希算法改進后的吞吐量繼續(xù)增長，明顯大于改進前。

表4為哈希算法改進前后集群的負載均衡度對比情況，可看出，改進后的均衡度遠比改進前的均衡度小，說明采用改進算法后比改進前能更好保持集群的負載均衡，因為對訪問量大的物理節(jié)點，其虛擬節(jié)點數(shù)動態(tài)減小，訪問量減小使其負載減輕，對訪問量小的物理節(jié)點，其虛擬節(jié)點數(shù)動態(tài)增加，訪問量增大使其負載加大，而物理節(jié)點加入或退出集群時，虛擬節(jié)點的訪問頻率影響其到物理節(jié)點之間的映射關系，過度負載和過度空閑物理節(jié)點間虛擬節(jié)點的調整有助于提高集群負載均衡。

表3 哈希算法改進前后對吞吐量的影響Tab.3 Influence on throughput before and after improving Hash algorithm

表4 算法改進前后對負載均衡度的影響Tab.4 Influence on load balancing before and after improving Hash algorithm

由上面測試可知，哈希算法改進后的對象存儲在用戶訪問的響應時間、吞吐量和負載均衡3個性能指標都有所優(yōu)化，特別是吞吐量和負載均衡有明顯提高。

4.3 性能優(yōu)勢

結合完全對稱架構的固有優(yōu)點和上述性能測試結果顯示，本文設計的海量數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)，性能上具有如下幾個優(yōu)勢：

(1)數(shù)據(jù)存儲完全均勻隨機分布，并引入副本概念，默認存儲3個副本，無一個單點，可靠地保證了系統(tǒng)安全性。

(2)采用各節(jié)點角色對等的完全對稱架構，可無限擴充存儲容量，只需簡單新增磁盤或存儲服務器，自動完成數(shù)據(jù)遷移，各節(jié)點重新達到平衡。

(3)可將數(shù)據(jù)切細，并行地存儲到不同磁盤上，讀寫速度快，數(shù)據(jù)可靠性高，采用改進哈希算法后，讀寫速度明顯提高，負載均衡更好。

5 結束語

針對某飛行器自主保障系統(tǒng)海量數(shù)據(jù)及其應用特點，設計了一種海量數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)，通過軟件定義虛擬化存儲，采用完全對稱架構和改進哈希算法，具有很高存儲安全性、容量無限擴展性和良好讀寫速度，很好滿足了該飛行器自保系統(tǒng)海量數(shù)據(jù)存儲需求。