异构环境下纠删码的数据修复方法综述*

在大规模云存储系统中,由于磁盘或网络故障造成的存储节点失效事件频发,系统需要数据冗余技术以保证数据的可靠性和可用性。纠删码,相对于副本方式而言,能大大提高存储空间的利用率,但纠删码在冗余数据修复方面的代价较副本方式高很多。目前针对纠删码的冗余数据修复研究大都无差别对待每个存储节点,然而实际分布式存储系统中,节点通常存在带宽资源、计算资源、存储容量资源等方面的差异性,这些资源的异构性对冗余数据修复性能影响很大。本文指出影响修复性能的关键因素,选取带宽开销、磁盘访问开销、修复时间、参与修复的节点数量和修复代价作为修复性能的评价标准;分析了现有研究方法如何降低这五种开销,重点讨论了这些方法的优缺点;阐述当前异构分布式存储系统中纠删码修复技术的研究现状;最后指出纠删码数据修复技术中尚未解决的一些难题和未来纠删码修复技术可能的发展方向。     

基于简单再生码的带宽感知的分布式存储节点修复优化

分布式存储系统为保证可靠性会采用一定存储冗余策略如多副本策略、纠删码策略.纠删码相对于副本具有存储开销小的优点,但节点修复网络开销大.针对修复网络开销优化,业界提出再生码与以简单再生码为代表的局部可修复码,显著降低了修复网络开销.然而,现有基于编码的分布式容错存储方案大都假设节点处于星型逻辑网络结构中,忽略了实际的物理网络拓扑结构和带宽信息.为实现拓扑感知的容错存储优化,相关研究在纠删码和再生码修复过程结合网络链路带宽能力,建立树型修复路径,进一步提高了修复效率.但由于编码和修复过程的差异性,上述工作并不适合于简单再生码修复.针对该问题,本文结合实际物理网络拓扑结构,将链路带宽能力引入到简单再生码的修复过程中,对带宽感知的简单再生码修复优化技术开展研究.论文建立了带宽感知节点修复时延模型,提出了基于最优瓶颈路径和最优修复树的并行修复树构建算法.并通过实验对所提算法性能进行了评估.实验结果表明,与星型修复方式相比,论文所提算法有效地降低了节点修复时延,提高了修复效率.     

分布式存储系统中的低修复成本纠删码

纠删码技术是分布式存储系统中典型的数据容错方法,与多副本技术相比,能够以较低的存储开销提供较高的数据可靠性;然而,纠删码修复成本过高的特点限制了其应用。针对现有纠删码修复成本高、编码复杂和灵活性差的问题,提出一种编码简单的低修复成本的纠删码——旋转分组修复码（RGRC）。RGRC首先将多个条带组合成条带集,然后利用条带之间的关联关系对条带集内的数据块进行分层旋转编码,以此得到相应的冗余块。RGRC大幅度地减少了单节点修复过程中所需要读取和传输的数据量,从而能节省大量的网络带宽资源。同时RGRC在解决单节点修复成本高的问题时,依然保留着较高的容错能力,且为满足分布式存储系统的不同需求,可以灵活地权衡系统的存储开销和修复成本。在分布式存储系统中进行的对比实验分析结果展示,与其他常用的RS（Reed-Solomon）码、LRC（Locally Repairable Codes）、basic-Pyramid、DLRC（Dynamic Local Reconstruction Codes）、pLRC（proactive Locally Repairable Codes）、GRC（Group Repairable Codes）、UFP-LRC（Unequal Failure Protection based Local Reconstruction Codes）相比,RGRC只需要增加少量的存储开销,就能降低单节点修复14%~61%的修复成本,同时减少14%~58%的修复时间。     

分布式存储系统中的低修复成本纠删码

纠删码技术是分布式存储系统中典型的数据容错方法，与多副本技术相比，能够以较低的存储开销提供较高的数据可靠性；然而，纠删码修复成本过高的特点限制了其应用。针对现有纠删码修复成本高、编码复杂和灵活性差的问题，提出一种编码简单的低修复成本的纠删码——旋转分组修复码（RGRC）。RGRC首先将多个条带组合成条带集，然后利用条带之间的关联关系对条带集内的数据块进行分层旋转编码，以此得到相应的冗余块。RGRC大幅度地减少了单节点修复过程中所需要读取和传输的数据量，从而能节省大量的网络带宽资源。同时RGRC在解决单节点修复成本高的问题时，依然保留着较高的容错能力，且为满足分布式存储系统的不同需求，可以灵活地权衡系统的存储开销和修复成本。在分布式存储系统中进行的对比实验分析结果展示，与其他常用的RS（Reed-Solomon）码、LRC（Locally Repairable Codes）、basic-Pyramid、DLRC（Dynamic Local Reconstruction Codes）、pLRC（proactive Locally Repairable Codes）、GRC（Group Repairable Codes）、UFP-LRC（Unequal Failure Protection based Local Reconstruction Codes）相比，RGRC只需要增加少量的存储开销，就能降低单节点修复14%~61%的修复成本，同时减少14%~58%的修复时间。     

基于简单再生码的分段编码方案

简单再生码将可容多错的RS纠删码与简单的异或运算相结合,在达到容忍任意n－k个节点故障可靠性的基础上,可以实现对单个失效节点的高效快速修复。对简单再生码的失效节点修复过程进行改进,提出一种新的基于简单再生码的分段编码方案,将f个具有相同下标的编码块分成两段,将每段中的编码块进行异或操作,生成一个新的校验块。对该方案的存储开销、磁盘读取的开销以及修复带宽开销进行性能分析和仿真实验,结果表明提出的基于简单再生码的分段编码方案在增加少量存储开销的同时,其修复带宽和磁盘读取的开销性能有了很大程度的优化,进一步验证了改进方案的正确性和有效性。     

分布式存储系统中的预测式纠删码研究

纠删码消耗的存储空间较少,获得的数据可靠性较高,因此被分布式存储系统广泛采用。但纠删码在修复数据时较高的修复成本限制了其应用。为了降低纠删码的修复成本,研究人员在分组码和再生码上进行了大量的研究。由于分组码和再生码属于被动容错方式,对于一些容易出现失效的节点,采用主动容错的方式能更好地降低修复成本,维护系统的可靠性,因此,提出了一种主动容错的预测式纠删(Proactive basic-Pyramid,PPyramid)码。PPyramid码利用硬盘故障预测方法来调整basic-Pyramid码中冗余块和数据块之间的关联,将预测出的即将出现故障的硬盘划分到同一小组,使得在修复数据时,所有的读取操作在小组内进行,从而减少读取数据块的个数,节省修复成本。在基于Ceph搭建的分布式存储系统中,在修复多个硬盘故障时,将PPyramid码与其他常用的纠删码进行对比。实验结果表明,相比basic-Pyramid码,PPyramid码能降低6.3%~34.9%的修复成本和减少7.6%~63.6%的修复时间,相比LRC码、pLRC码、SHEC码、DLRC码,能降低8.6%~52%的修复成本和减少10.8%~52.4%的修复时间。同时,PPyramid码构造灵活,具有很强的实际应用价值。     

分布式存储系统中的纠删码容错方法研究

HRC码是一种具有存储效率高、计算复杂度低等优点的纠删码,但其存在编解码计算开销大、实现较为复杂等不足。通过对HRC码的译码算法进行优化,提出一种新型的纠删码HRCSD。采用内外层分层结构,内部的冗余由HRC码的编码结构组成,外层采用偏移复制策略,将原始信息进行旋转存储,能够实现并行读写。实验结果表明,与三副本技术和S~2-RAID纠删码相比,HRCSD纠删码具有容错性能高、修复开销低等优势,可满足大规模分布式存储系统的容错需求。     

图因子分解的故障节点快速修复

为了提高分布式存储系统中故障节点的修复效率, 提出一种新的部分重复(fractional repetition, FR)码的构造算法. 该算法利用完全图的因子分解进行构造, 称为CGFBFR (complete graph factorization based FR)码. 该算法首先对完全图进行因子分解, 分解完成以后确定完全图的因子分解个数, 根据需要存储数据块的重复度来选择完全图的因子个数, 将完全图选中的因子所有顶点当做分布式存储系统中需要存储的数据块, 然后对选中因子图的边进行标记, 标记的边当做分布式数据节点进行存储. 最后根据选中的因子的顶点和边生成编码矩阵, 在分布式存储系统中按照编码矩阵中的数据对数据块分别进行存储. 实验仿真结果显示, 本文提出的一种新的部分重复码构造算法, 与分布式存储系统中的里所(reed-solomon, RS)码、简单再生码(simple regenerating codes, SRC)以及最新的循环可变部分重复(variable fractional repetition, VFR)码相比, 在系统修复故障节点时, 能够快速地修复故障节点, 有效降低了故障节点的修复带宽开销、修复局部性、修复复杂度, 而且构造过程简单, 同时可以灵活选择构造参数, 广泛适用于分布式存储系统中.     

自适应可分解部分重复码的扩展构造

部分重复(Fractional Repetition, FR)码能够实现精确无编码修复,修复复杂度低且修复带宽成本小。在动态分布式存储系统中,要求FR码的节点存储开销和数据块重复度会随机动态变化。为了使FR码更灵活地适应动态分布式存储系统,该文提出利用超图实现自适应可分解FR码的扩展构造方法。具体地,建立超图中边和顶点与FR码中节点和数据块的对应关系,通过增加或删除超图中对应边和顶点,实现超图的扩展构造,进而得到存储系统规模和存储文件规模变化时自适应可分解FR码的扩展构造。基于这种方法,能够扩展构造出给定参数范围内所有自适应可分解FR码,列举了存储节点数20以内的所有参数。自适应可分解FR码与常见的简单再生码(Simple Regenerating Codes, SRC)和RS(Reed-Solomon)码相比,在修复局部性和修复带宽开销方面具有一定优势。     

基于之字形解码算法优化的高效低存储ZD码

ZD码(ZigZag-decodable codes)是基于之字形解码算法设计生成的一类纠删码, 它仅需要少量的计算即可修复存储系统中的故障数据, 但需要存储相对其他纠删码更多的冗余数据以保证系统的高可靠性. 为了降低ZD码产生的存储开销, 本文通过分析当前在存储系统中使用的之字形解码的思想, 提出了一种优化的之字形解码算法. 新的解码算法能够更充分利用校验数据中的信息来完成数据修复. 基于新的解码算法, 本文相应的提出了一种新的ZD码编码方案, 由于新算法更高的信息利用率, 新的编码方案能够用更少的存储开销来满足存储系统的高可靠性. 实验结果表明, 本文提出的ZD码编码方案具有最优的存储开销, 且编解码性能远高于目前广泛使用的RS码.     

基于多级网络编码的多副本云数据存储

云数据存储的快速发展对数据的可用性提出了较高要求.目前,主要采用纠删码计算数据编码块进行分布式冗余数据存储来保证数据的可用性.虽然这种数据编码技术保证了存储数据的安全性并减少了额外的存储空间,但在损坏数据恢复时会产生较大的计算和通信开销.提出一种基于多级网络编码的多副本生成和损坏数据恢复算法.算法基于多级网络编码对纠删码的编码矩阵进行改进形成多级编码矩阵,利用其级联性生成多级编码(hierarchical coding,HC码)来构成多副本数据,使得各副本之间存在编码关系.在损坏数据恢复时,利用数据所有者提供的数据编码信息和云存储中保存的数据块直接计算进行恢复,从而避免从云存储中远程下载数据.理论分析和实验表明,所提算法在相同的存储空间下显著减少了损坏数据恢复时的通信开销并提高了数据的可用性.     

基于节点共边的异构部分重复码构造

为了满足分布式存储系统的动态存储和异构存储, 本文提出一种基于节点共边的异构部分重复码(heterogeneous fractional repetition codes based on node common edge, HFRC-NCE)的构造算法. 具体地, 将MDS码编码后的数据块分为冷数据块和热数据块, 结...     

云文件系统中纠删码技术的研究与实现

云文件系统凭借高性能、高扩展、高可用、易管理等特点,成为云存储和大数据的基础和核心。云文件系统一般采用完全副本技术来提升容错能力,提高数据资源的使用效率和系统性能。但完全副本的存储开销随着副本数目的增加呈线性增长,存储副本时造成额外的写带宽和数据管理开销。纠删码在没有增加过量的存储空间的基础上,通过合理的冗余编码来保证数据的高可靠性和可用性。研究了纠删码技术在云文件系统中的应用,从纠删码类型、编码对象、编码时机、数据更改、数据访问方式和数据访问性能等六个方面,对云文件系统中纠删码的设计进行了探究,以增强云文件系统的存储模型。在此基础上,设计并实现了纠删码原型系统,并通过实验证明了纠删码能有效地保障云文件系统的数据可用性,并且节省存储空间。     

Robust Redundancy Scheme for the Repair Process: Hierarchical Codes in the Bandwidth-Limited Systems

High performance computing can be well supported by the Grid or cloud computing systems. However, these systems have to overcome the failure risks, where data is stored in the “unreliable” storage nodes that can leave the system at any moment and the nodes’ network bandwidth is limited. In this case, the basic way to assure data reliability is to add redundancy using either replication or erasure codes. As compared to replication, erasure codes are more space efficient. Erasure codes break data into blocks, encode these blocks and distribute them into different storage nodes. When storage nodes permanently or temporarily abandon the system, new redundant blocks must be created to guarantee the data reliability, which is referred to as repair. Later when the churn nodes rejoin the system, the blocks stored in these nodes can reintegrate the data group to enhance the data reliability. For “classical” erasure codes, generating a new block requires to transmit a number of k blocks over the network, which brings lots of repair traffic, high computation complexity and high failure probability for the repair process. Then a near-optimal erasure code named Hierarchical Codes, has been proposed that can significantly reduce the repair traffic by reducing the number of nodes participating in the repair process, which is referred to as the repair degree d. To overcome the complexity of reintegration and provide an adaptive reliability for Hierarchical Codes, we refine two concepts called location and relocation, and then propose an integrated maintenance scheme for the repair process. Our experiments show that Hierarchical Code is the most robust redundancy scheme for the repair process as compared to other famous coding schemes.     

减少重建数据量的冗余编码技术研究

为防止硬件故障或机器宕机导致的数据丢失,冗余编码技术被广泛应用于分布式存储系统中来保证数据的可靠性。然而,传统的冗余编码技术,如里德-所罗门码,存在着重建数据量大的问题。副本技术在重建丢失数据时只需要读取和传输丢失的数据,而冗余编码需要读取和传输更大的数据量,从而消耗更多的磁盘I/O带宽和网络带宽。因此,基于冗余编码的分布式存储系统在重建数据时将消耗更长的时间,从而将整个系统长时间暴露在一种降级的模式下,进而增加了发生永久性数据丢失的风险。为解决这个问题,减少重建数据量的冗余编码技术不断被提出,然而只有这些冗余编码与传统的里德-所罗门码的比较,缺少它们在存储系统的综合比较。系统地从减少重建数据量等几个重要方面研究了这些减少重建数据量的冗余编码技术,从而为实际系统中采用合适的编码提供重要参考和依据。