航空電子系統(tǒng)的云存儲技術研究

范 超，韓 忠，趙 琳

(沈陽飛機設計研究所揚州協(xié)同創(chuàng)新研究院有限公司,江蘇 揚州 225000)

0 引言

當今的航空電子系統(tǒng)已發(fā)展為分布式綜合化航空電子系統(tǒng)，由專用的大容量存儲模塊負責數(shù)據(jù)的存儲，其他模塊通過機載總線從大容量存儲模塊中獲取或記錄數(shù)據(jù)[1-3]。因此，對于航空電子系統(tǒng)的分布式存儲技術的研究是十分有必要的。

近年來，許多學者對航空電子系統(tǒng)的分布式存儲技術進行了研究。王悅[4]研究了云存儲冗余方案，提出了自適應的數(shù)據(jù)冗余方案，用于提高系統(tǒng)可靠性；王巖等[5]研究了云存儲中動態(tài)副本放置機制，減少了低訪問率副本對系統(tǒng)存儲空間的浪費，提高了系統(tǒng)存儲資源的利用率。但對于提高分布式系統(tǒng)數(shù)據(jù)的訪問速度，確保系統(tǒng)的實時性方面還有待進一步研究。

在航空電子系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的訪問速度直接影響到系統(tǒng)的實時性，并成為考量系統(tǒng)性能的重要指標。航空電子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理模塊需獲取大容量存儲模塊上的配置數(shù)據(jù)、飛行參數(shù)等信息，或?qū)w行日志、故障信息等信息記錄在大容量存儲模塊上，受限于大容量存儲模塊的訪問速度，當訪問的數(shù)據(jù)量較大時，系統(tǒng)的實時性會受到影響。本文針對航空電子系統(tǒng)分布式存儲的特點，分析了傳統(tǒng)分布式文件存儲系統(tǒng)影響訪問速度的因素，并提出了相應的解決方案。

1 分布式數(shù)據(jù)存儲原理

綜合化模塊化航空電子系統(tǒng)由可更換的LRM模塊組成，其中包括網(wǎng)絡交換模塊、圖形圖像模塊、輸入輸出模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、電源模塊和大容量存儲模塊，模塊之間通過高速的機載總線相連。大容量存儲模塊提供數(shù)據(jù)存儲服務，其他模塊通過機載總線訪問存儲在大容量存儲模塊上的數(shù)據(jù)，如圖1所示。

圖1 分布式文件存儲系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Architecture of distributed file storage system

大容量存儲模塊作為服務器，數(shù)據(jù)是完全相同的。由主服務器提供數(shù)據(jù)的訪問服務，其他服務器作為備份，在主服務器故障后，再從其他正常的服務器中選擇一個代替主服務器提供服務。

單服務器的工作模式是只有主服務器能夠響應客戶端的讀請求，主服務器容易受到資源互斥等因素的影響，無法及時響應客戶端的請求；單節(jié)點的吞吐能力是有限的，即使主服務器全力為某個客戶端提供服務，給客戶端提供數(shù)據(jù)的速率也是有限的，會造成讀數(shù)據(jù)的速度慢。

客戶端在寫數(shù)據(jù)時需要將相同的數(shù)據(jù)寫在所有的服務器上。各個服務器由于存儲介質(zhì)的差異，寫數(shù)據(jù)的速度也不相同，寫速度慢的介質(zhì)將成為寫數(shù)據(jù)的瓶頸，會造成寫數(shù)據(jù)的速度慢。

本文針對上述問題，對航空電子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)特點和存儲特點進行了分析，提出了解決方案。

2 航空電子系統(tǒng)云存儲

2.1 存儲特征分析

航空電子系統(tǒng)數(shù)據(jù)內(nèi)容和使用場景是確定的，一種是飛機在地面時，將大數(shù)據(jù)加載到服務器上，供飛機在飛行階段使用，例如地圖數(shù)據(jù)；另一種是將飛行過程中產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)記錄在服務器中，在飛機落地后由技術人員獲取該數(shù)據(jù)用于系統(tǒng)維護，例如總線監(jiān)控數(shù)據(jù)、日志數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)。同一類型的大數(shù)據(jù)在飛行過程中要么讀、要么寫，很少會出現(xiàn)同一類型的數(shù)據(jù)在飛行過程中既讀又寫的情況。

服務器的數(shù)量和讀寫速度是確定的，在同一產(chǎn)品中大容量存儲模塊的數(shù)量是明確的，每個模塊的數(shù)據(jù)的讀寫速度也是確定的。

針對上述特征，為數(shù)據(jù)分配確定的存儲空間，并將其分散部署在不同的大容量存儲模塊上，由客戶端訪問多個大容量存儲模塊，以提高數(shù)據(jù)的訪問速度是可行的。

2.2 存儲模型

航空電子系統(tǒng)的云存儲模型是將客戶端訪問大數(shù)據(jù)的任務分解成多個較小的子程序，各個子程序通過網(wǎng)絡向遠程的服務器請求數(shù)據(jù)的讀寫；每個服務器為任務提供部分數(shù)據(jù)；客戶端的讀寫任務最終將子程序讀寫結(jié)果綜合，向用戶提供最終的讀寫結(jié)果[6-14]。通過云存儲技術，能為航空電子系統(tǒng)提供高速的數(shù)據(jù)存取服務。航空電子系統(tǒng)的云存儲工作原理如圖2所示，由多個服務器同時為用戶提供數(shù)據(jù)訪問服務，具有很高的訪問速率。

圖2 航空電子系統(tǒng)云存儲工作原理Fig.2 Working principle of cloud storage in avionic systems

在云存儲系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)在服務器上的存儲不再以完整的形式存在，而是被劃分成許多的區(qū)塊，并使用鏈條的形式串聯(lián)起來。每個數(shù)據(jù)塊在兩個或者多個服務器上都有存儲，避免單服務器故障導致數(shù)據(jù)丟失，可以由多臺服務器同時為用戶提供數(shù)據(jù)訪問服務，提高了數(shù)據(jù)訪問的速度。云存儲系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲原理如圖3所示，大數(shù)據(jù)的第N個數(shù)據(jù)塊、第N+1個數(shù)據(jù)塊、第N+2個數(shù)據(jù)塊可以在同一臺服務器上，也可在不同的服務器上；只需要獲取到任意服務器上第N個、第N+1個和第N+2個數(shù)據(jù)塊就可以得到完整的數(shù)據(jù)信息；數(shù)據(jù)塊的大小可以是相同的也可以是不同的。在保證大數(shù)據(jù)的一致性時，只需要保證同一個數(shù)據(jù)塊的一致性即可。

圖3 云存儲系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲Fig.3 Principle of data storage in cloud storage system

大數(shù)據(jù)是由許多個小的數(shù)據(jù)塊組成，需要使用數(shù)據(jù)信息表來表示小數(shù)據(jù)塊所在的服務器、數(shù)據(jù)塊長度等信息，如圖4所示。圖4中，文件的第D個數(shù)據(jù)塊映像總共有N個，用N個塊存儲信息表來表示數(shù)據(jù)塊所在的服務器信息、數(shù)據(jù)塊長度等信息。

圖4 數(shù)據(jù)信息Fig.4 Data information

應用程序在訪問數(shù)據(jù)時，先從數(shù)據(jù)信息表中獲取數(shù)據(jù)塊的存儲信息，結(jié)合訪問數(shù)據(jù)的大小、服務器的訪問速度等信息將任務拆分成多個子程序，由子程序分別訪問不同服務器上的數(shù)據(jù)塊，最終將數(shù)據(jù)塊組合成大數(shù)據(jù)返回給應用程序。

航空電子系統(tǒng)云存儲設計的目的如下。

1) 提高分布式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)訪問速度。由多個服務器同時響應軟件的讀寫請求，將傳統(tǒng)的串行操作改為并行操作，提高數(shù)據(jù)的訪問速度。

2) 提高分布式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲的可靠性。避免系統(tǒng)中單個服務器故障導致數(shù)據(jù)丟失。

3) 提高分布式系統(tǒng)存儲資源的利用率。將系統(tǒng)中所有的存儲資源統(tǒng)一管理、統(tǒng)一分配，最大限度地發(fā)揮系統(tǒng)的存儲資源。

航空電子系統(tǒng)的云存儲需要將訪問數(shù)據(jù)的任務分解成多個子程序，并將大數(shù)據(jù)分割成許多小塊部署在不同的服務器上。因此，如何分解任務和數(shù)據(jù)塊、如何管理是系統(tǒng)需要重點解決的問題。

3 航空電子系統(tǒng)云存儲架構(gòu)設計

3.1 數(shù)據(jù)存儲

由于航空電子系統(tǒng)數(shù)據(jù)的確定性，將每種數(shù)據(jù)分解成若干個數(shù)據(jù)塊，用數(shù)據(jù)塊信息表來表示數(shù)據(jù)的類型、存儲位置等信息。依據(jù)服務器的訪問速度和訪問頻次將數(shù)據(jù)塊部署在不同的服務器上。

3.1.1 數(shù)據(jù)塊信息

大數(shù)據(jù)的每一個小數(shù)據(jù)塊都有信息表，將所有數(shù)據(jù)塊信息串聯(lián)起來形成數(shù)據(jù)信息(圖4)，每個塊的信息表如圖5所示。每個數(shù)據(jù)塊的信息包含了數(shù)據(jù)名稱、總塊數(shù)、當前塊號、當前塊大小、服務器的信息、數(shù)據(jù)塊的有效標志和下一個數(shù)據(jù)塊信息的地址。服務器信息表示當前塊所存儲的所有服務器的信息，包括服務器地址、在服務器上的存儲地址及服務器的健康狀態(tài)。

圖5 數(shù)據(jù)信息表Fig.5 Data information sheet

數(shù)據(jù)信息表在所有服務器上都有存儲，在系統(tǒng)加電后客戶端先從服務器上加載數(shù)據(jù)信息表；在系統(tǒng)運行過程中，任務依據(jù)表中的內(nèi)容決定訪問哪些服務器上的哪些數(shù)據(jù)塊；在完成寫操作后，更新本地和所有服務器上的數(shù)據(jù)信息表。

依據(jù)服務器地址和數(shù)據(jù)塊在服務器上的存儲地址可以訪問到當前數(shù)據(jù)塊的內(nèi)容；如果服務器的健康狀態(tài)為故障，則表明服務器上該數(shù)據(jù)塊內(nèi)容丟失；下一個數(shù)據(jù)塊信息的地址為0，表明這是文件的最后一個數(shù)據(jù)塊的信息；數(shù)據(jù)塊在某個服務器上的塊有效標識為無效，則表示服務器上的該數(shù)據(jù)塊內(nèi)容沒有更新；部署在不同服務器上的相同的數(shù)據(jù)塊，寫任務只需要更新其中一個服務器上的數(shù)據(jù)塊；在完成某個數(shù)據(jù)塊的更新后，需要將其所在服務器該數(shù)據(jù)塊的有效標識置有效，其他服務器該數(shù)據(jù)塊的有效標識置無效。

3.1.2 數(shù)據(jù)塊分配

為了避免單服務器故障造成數(shù)據(jù)丟失和提高數(shù)據(jù)的訪問速度，航空電子系統(tǒng)云存儲數(shù)據(jù)塊的分配應遵循以下原則：

1) 同一個數(shù)據(jù)塊必須在兩臺或兩臺以上的服務器上同時部署,避免單臺服務器故障造成服務器的數(shù)據(jù)塊丟失;

2) 數(shù)據(jù)塊在服務器上部署的大小應與服務器的訪問速度成正比,系統(tǒng)運行過程中需要讀的數(shù)據(jù)應較多地部署在讀速度較快的服務器上,需要寫的數(shù)據(jù)應較多地部署在寫速度較快的服務器上;

3) 文件在服務器上部署的大小應與服務器的響應速度成正比，負載重的服務器應部署較少的數(shù)據(jù)塊，反之則部署較多的數(shù)據(jù)塊。

3.2 數(shù)據(jù)訪問

依據(jù)服務器的數(shù)量、服務器數(shù)據(jù)讀寫速度和數(shù)據(jù)塊的存儲特征，將任務進行分解，提高數(shù)據(jù)的訪問速度。

3.2.1 云存儲技術的活動圖

在云存儲系統(tǒng)中，任務訪問同一臺服務器上的數(shù)據(jù)塊是串行的，訪問不同服務器上的數(shù)據(jù)塊是并行的。將任務分解成多個子程序，并行地訪問不同服務器上的數(shù)據(jù)塊，最后將數(shù)據(jù)組裝提交給任務。其子程序的集合為P={P0,P1,P2,…,Pm,Pend}，m為服務器的數(shù)量，P0表示分解任務的子程序，Pend表示將結(jié)果進行綜合返回給應用的子程序，Pi表示從第i個服務器上存取數(shù)據(jù)塊的子程序，?i=1,…,m。將Pi根據(jù)數(shù)據(jù)塊分解為若干個子活動，其子活動集合為Pi={Pi,1,Pi,2,…,Pi,q}，q為當前任務訪問在第i個服務器上的塊號。使用Ta,b表示活動Pa,b結(jié)束的時間，ΔFa,b=Ta,b-Ta,b-1，表示活動Pa,b執(zhí)行的時間。云存儲的活動如圖6所示。

圖6 云存儲活動圖Fig.6 Activity chart of cloud storage

任務執(zhí)行的時間為ΔF0+ΔT+ΔFend，ΔT的算式見式(1)。ΔF0和ΔFend的值變化較小，對整個任務的執(zhí)行時間影響不大;ΔT的值對訪問速度的影響最大,其值受數(shù)據(jù)塊在服務器上的部署關系、服務器的讀寫速度影響很大，服務器的讀寫速度軟件無法更改，因此如何得到最優(yōu)的任務分解方案，成為提高分布式文件系統(tǒng)讀寫速度至關重要的因素。

(1)

3.2.2 云存儲技術的遍歷樹

將數(shù)據(jù)塊在服務器上的部署關系表示為矩陣Xi, j，即

(2)

式中：i表示數(shù)據(jù)塊號；j表示服務器號；Xi, j為0，表示文件的第i個數(shù)據(jù)在服務器j上無部署，Xi, j為1，表示有部署。

服務器的訪問速度為矩陣St, j，即

(3)

矩陣St, j只有兩行，第一行表示服務器的讀速度，第二行表示服務器的寫速度。其中，S1, j表示第j個服務器的讀速度，S2, j表示第j個服務器的寫速度。

所有數(shù)據(jù)塊的大小使用集合L={L1，L2，L3，…，Li}表示，Li表示第i個數(shù)據(jù)塊的大小。

將任務按照服務器的數(shù)量分解成多個子程序，每個子程序負責一臺服務器上數(shù)據(jù)的讀取。同一個數(shù)據(jù)塊只需從一臺服務器上獲取，因此，如何選擇讀取哪個服務器上的數(shù)據(jù)塊以使任務的訪問時間最短，成為最關鍵的因素。采用遍歷樹的方式，求出最優(yōu)的數(shù)據(jù)塊分配(訪問哪些服務器的哪個數(shù)據(jù)塊)方案，使ΔT的值最小，保證讀數(shù)據(jù)的時間最短。

依據(jù)Xi, j，St, j和L使用遍歷算法求出ΔT的最小值。云存儲技術的訪問遍歷樹如圖7所示。

圖7 云存儲技術的訪問遍歷樹Fig.7 Access traversal tree for cloud storage technology

3.2.3 讀寫任務分解

遍歷樹的分支、數(shù)據(jù)塊和服務器組成一個三維矩陣Ai, j,z，Ai, j,z為1，表示遍歷樹中第i個分支訪問第j個數(shù)據(jù)塊，而該數(shù)據(jù)塊部署在第z個服務器上。將三維矩陣Ai, j,z以i為坐標分解成一個集合H={H1，H2，H3，…，Hw}，w為分支的總數(shù)，Hi表示第i個分支數(shù)據(jù)塊和服務器關系所組成的二維矩陣，Hi中每一行元素有且僅有一個為1。

1) 讀任務分解。

使用ΔR={ΔR1，ΔR2，…，ΔRw}表示讀任務分支所產(chǎn)生的ΔT的集合，第i個分支產(chǎn)生的ΔT表示為ΔRi，即

(4)

式中：n表示數(shù)據(jù)塊數(shù)；m表示服務器數(shù)。如果min{ΔR1，ΔR2，…，ΔRw}的值在ΔR集合中對應的下標為r，則二維矩陣Hr(表達式見式(5))表示分布式文件系統(tǒng)訪問時間最短所對應的數(shù)據(jù)塊與服務器的部署關系。

(5)

將讀任務按照服務器數(shù)量進行分解(服務器有m個，則分解為m個子程序)，第i個子程序訪問Hr中第i列不為0對應的數(shù)據(jù)塊。

2) 寫任務分解。

使用ΔW={ΔW1，ΔW2，…，ΔWw}表示寫任務分支所產(chǎn)生的ΔT的集合，第i個分支產(chǎn)生的ΔT表示為ΔWi，即

(6)

式中：n表示數(shù)據(jù)塊數(shù)；m表示服務器數(shù)。如果min{ΔW1，ΔW2，…，ΔWw}的值在ΔW集合中對應的下標為w，則二維矩陣Hw(表達式見式(7))表示分布式文件系統(tǒng)訪問時間最短所對應的數(shù)據(jù)塊與服務器部署關系。

(7)

將寫任務按照服務器數(shù)量進行分解(服務器有m個，則分解為m個子程序)，第i個子程序?qū)慔w中第i列不為0對應的數(shù)據(jù)塊。

3.3 運行流程

3.3.1 服務器運行流程

在系統(tǒng)加電后，服務器創(chuàng)建并同時啟動數(shù)據(jù)塊更新任務和數(shù)據(jù)塊訪問服務任務；數(shù)據(jù)塊更新任務在服務器空閑時檢測本地是否存在未更新的數(shù)據(jù)，如果存在，則從其他服務器上獲取已更新的數(shù)據(jù)塊并向本地服務器的數(shù)據(jù)塊訪問服務任務發(fā)送更新數(shù)據(jù)塊的請求，本地服務器的數(shù)據(jù)塊訪問服務任務響應數(shù)據(jù)塊更新任務的請求，更新數(shù)據(jù)塊并更新數(shù)據(jù)信息表；數(shù)據(jù)塊訪問服務任務則響應客戶端的讀寫請求、其他服務器的讀請求及本地服務器數(shù)據(jù)塊更新任務的寫請求，接收到讀請求時，數(shù)據(jù)塊訪問服務任務負責提供數(shù)據(jù)，接收到寫請求時數(shù)據(jù)塊訪問服務任務負責寫數(shù)據(jù)，并更新數(shù)據(jù)信息表。其運行流程如圖8所示。

圖8 服務器的運行流程Fig.8 The running process of server

3.3.2 客戶端運行流程

系統(tǒng)加電后，客戶端從服務器上獲取數(shù)據(jù)信息表；將數(shù)據(jù)訪問任務分解成多個子程序；每個子程序從服務器上獲取數(shù)據(jù)；在所有子程序完成訪問后，將返回的結(jié)果綜合。其客戶端的運行流程如圖9所示。

圖9 客戶端訪問數(shù)據(jù)流程Fig.9 Data accessing process of client

4 系統(tǒng)驗證與分析

為驗證航空電子系統(tǒng)云存儲的讀寫速度和可靠性，設計了測試用例，并分別在傳統(tǒng)分布式文件系統(tǒng)和云存儲系統(tǒng)中運行，對比測試結(jié)果，云存儲系統(tǒng)的讀寫速度更快，資源利用率更高。

4.1 測試用例的設計

傳統(tǒng)的分布式文件系統(tǒng)和云存儲系統(tǒng)均采用兩臺服務器，機載總線采用了FC網(wǎng)絡，速率為2 Gibit/s。服務器采用nandflash電子盤，其存儲容量為32 GiB。服務器端和客戶端使用vxworks5.5操作系統(tǒng)進行訪問任務的調(diào)度，客戶端的內(nèi)存為2 GiB。云存儲給文件的每個數(shù)據(jù)塊分配的大小為10 MiB，每個數(shù)據(jù)塊部署在不同的兩臺服務器上。傳統(tǒng)的分布式文件系統(tǒng)中兩臺服務器的數(shù)據(jù)是完全一致的。

客戶端生成400 MiB的數(shù)據(jù)并存儲在本地內(nèi)存中，寫任務將400 MiB的數(shù)據(jù)寫到服務器上；過10 min后，客戶端從服務器上將寫入的400 MiB數(shù)據(jù)讀出，與本地內(nèi)存中的400 MiB數(shù)據(jù)進行比較。

4.2 測試結(jié)果

寫測試的結(jié)果如圖10所示，云存儲系統(tǒng)寫400 MiB數(shù)據(jù)的時間約為86.971 s，傳統(tǒng)分布式文件系統(tǒng)寫400 MiB數(shù)據(jù)的時間約為147.809 s，云存儲系統(tǒng)的寫速度約為傳統(tǒng)分布式文件系統(tǒng)的1.7倍。讀測試的結(jié)果如圖11所示，云存儲系統(tǒng)讀400 MiB數(shù)據(jù)的時間約為4.290 s，傳統(tǒng)分布式系統(tǒng)讀400 MiB數(shù)據(jù)的時間約為6.830 s，云存儲系統(tǒng)的讀速度約為傳統(tǒng)分布式文件系統(tǒng)的1.6倍。兩種系統(tǒng)中的讀寫數(shù)據(jù)是一致的。

圖10 寫測試結(jié)果Fig.10 Result of writing test

圖11 讀測試結(jié)果Fig.11 Result of reading test

4.3 分析與結(jié)論

將傳統(tǒng)的分布式文件系統(tǒng)和云存儲系統(tǒng)分析對比，結(jié)合理論分析和測試結(jié)果得出以下結(jié)論。

1) 讀寫速度方面。云存儲系統(tǒng)的訪問速度更快。由于傳統(tǒng)分布式文件系統(tǒng)在訪問文件時是串行的，而云存儲系統(tǒng)訪問文件時是并行的，而且隨著服務器數(shù)量的增加，其并行程度越高，訪問數(shù)據(jù)的速度越快。

2) 可靠性方面。在單服務器故障時，兩種系統(tǒng)都可以保證數(shù)據(jù)的可靠性。傳統(tǒng)的分布式文件系統(tǒng)在所有服務器上文件的映像是完全相同的；而云存儲系統(tǒng)中同一個數(shù)據(jù)塊部署在兩臺或者兩臺以上的服務器中，在系統(tǒng)運行過程中實時同步數(shù)據(jù)。

3) 資源利用率方面。在具有兩臺以上的服務器時，云存儲系統(tǒng)資源利用率更高。傳統(tǒng)的分布式文件系統(tǒng)要求同一個數(shù)據(jù)塊在所有服務器上都有部署，而云存儲系統(tǒng)只要求在兩臺或者兩臺以上的服務器上部署，節(jié)省了存儲空間。

5 結(jié)束語

本文分析了航空電子系統(tǒng)數(shù)據(jù)訪問的特點，研究了云存儲技術，提出了航空電子系統(tǒng)的云存儲架構(gòu)。將訪問數(shù)據(jù)的任務進行多機分解，由多臺遠程服務器協(xié)同工作，為系統(tǒng)提供快速的數(shù)據(jù)訪問服務。通過理論分析和測試驗證，云存儲系統(tǒng)比傳統(tǒng)的分布式文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)的訪問速度更快，資源利用率更高。本文提出了數(shù)據(jù)塊部署的原則，基于特定的數(shù)據(jù)塊部署通過遍歷算法求解最優(yōu)訪問方案，進行讀寫任務分解，并發(fā)訪問服務器，提高數(shù)據(jù)的訪問速度。但本文并未針對數(shù)據(jù)塊的部署策略進行研究，提出相關算法，而數(shù)據(jù)的訪問速度與數(shù)據(jù)塊的部署密切相關，數(shù)據(jù)塊的部署、服務器的負載均衡是下一步研究的重點。