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.     

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。     

云存储系统的分区编码冗余方法研究

文章根据云存储的结构特点,将数据存储区域划分本地副本区、本地编码区、远端编码区。本地编码区和远端编码区采用确定型网络编码来实现数据的冗余备份。将解码过程的所有系数矩阵进行三角分解并保存为查找表,采用查表方法辅助方程组求解,减少计算量。实验结果表明,当单个存储结点的可用性在0.7至0.99之间、数据可用性目标为99.99999%时,采取数据分片数为8的方案,该方法的平均每字符运算次数低于3次,比副本冗余方法节省50%以上的存储空间.分区编码冗余方法解码速度快,能够显著提高云存储系统的可用性和存储效率.     

一种分布式非结构化数据副本管理模型

针对云存储系统中数据副本管理的延时响应等问题,提出一种面向非结构化数据的分布式副本管理模型.该模型采用机架选举算法,通过提高每个机架能源利用率的方法降低系统整体能耗,为绿色数据中心提供技术保障.运用多路线性散列算法,将数据副本动态均匀地分布到不同机架的不同节点中,以提高系统性能、平衡负载和资源利用率.仿真实验结果证明,与传统的全局映射法相比,该模型可以达到较高的存储与负载平衡,具有良好的扩展性和可用性.     

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。     

Elsa:一种面向跨区域架构的无协调分布式键值存储系统

作为具备高性能和高可伸缩性的分布式存储解决方案,键值存储系统近年来被广泛采用,例如Redis、MongoDB、Cassandra等.分布式存储系统中广泛使用的多副本机制一方面提高了系统吞吐量和可靠性,但同时也增加了系统协调和副本一致性的额外开销.对于跨域分布式系统来说,远距离的副本协调开销甚至可能成为系统的性能瓶颈,降低系统的可用性和吞吐量.提出分布式键值存储系统Elsa,这是一种面向跨区域架构的无协调键值存储系统. Elsa在保证高性能和高可拓展性的基础上,采用无冲突备份数据结构(CRDT)技术来无协调的保证副本间的强最终一致性,降低了系统节点间的协调开销.在阿里云上构建了跨4数据中心8节点的跨区域分布式环境,进行了大规模分布式性能对比实验,实验结果表明:在跨域的分布式环境下,对于高并发争用的负载, Elsa系统的性能具备明显的优势,最高达到MongoDB集群的7.37倍, Cassandra集群的1.62倍.     

基于纠删码的HDFS存储方案

HDFS 文件系统通过多副本备份的方式解决数据损坏或丢失的问题,但是随着存储系统内容增多,在数据量级很大的时候,这种容灾方案消耗的额外存储空间是实际存储内容的数倍,不利于系统资源长期积累。文章提出使用纠删码编/解码文件代替 HDFS 的副本备份容灾策略,在保证数据安全性的前提下大大提高了存储空间利用率,降低存储额外消耗。     

云存储系统中基于分簇的数据复制策略

云存储技术已经成为当前互联网中共享存储和数据服务的基础技术,云存储系统普遍利用数据复制来提高数据可用性,增强系统容错能力和改善系统性能。提出了一种云存储系统中基于分簇的数据复制策略,该策略包括产生数据复制的时机判断、复制副本数量的决定以及如何放置复制所产生的数据副本。在放置数据副本时,设计了一种基于分簇的负载均衡副本放置方法。相关的仿真实验表明,提出的基于分簇的负载均衡副本放置方法是可行的,并且具有良好的性能。     

一种面向数据可用性和存储可靠性动态要求的自适应纠删码存储策略设计

为了满足指数级增长的大数据存储需求,现代的分布式存储系统需要提供大容量的存储空间以及快速的存储服务.因此在主流的分布式存储系统中,均应用了纠删码技术以节约数据中心的磁盘成本,保证数据的可靠性,并且满足应用程序和客户端的快速存储需求.在实际应用中数据往往重要程度并不相同,对数据可用性要求不一,且不同磁盘的故障率和可靠性动态不一的特点,对于传统RAID存储方式包括基于纠删码的存储系统提出了新的挑战.本文提出了一种面向数据可用性和磁盘可靠性动态要求的灵活自适应纠删码存储设计On-demand ARECS(On-demand Availability and Reliability Oriented Adaptive Erasure Coded Storage System),根据存储后端数据可用性和磁盘可靠性的多个维度进行设计,综合确定纠删码编码策略和存储节点选择,从而减少存储冗余度和存储延迟,同时提高数据可用性和存储可靠性.我们在Tahoe-LAFS开源分布式文件系统中进行了实验,实验结果验证了我们的理论分析,在保证具有多样性要求的数据可用性和磁盘可靠性的前提下,明显减少了数据冗余度和存储延迟.     

基于纠删码的云计算存储备份及恢复策略

如何保障云存储系统中数据的可靠性是云计算领域的热点问题。副本备份技术是保障数据可靠性的重要手段,但是存在占用存储空间大、存储效率低等问题。纠删码能够提供优化的数据冗余度,以防止数据丢失,恰当地使用纠删码可以提高空间的利用效率并获得较好的数据保护效果,在通讯方面已经得到广泛应用。将纠删码引入云存储系统中,代替副本备份策略,以提高云存储系统的性能。实验表明该方案可以有效提高数据可靠性和空间利用率。     

DAC: Improving storage availability with Deduplication-Assisted Cloud-of-Clouds

With the increasing popularity and rapid development of the cloud storage technology, more and more users are beginning to upload their data to the cloud storage platform. However, solely depending on a particular cloud storage provider has a number of potentially serious problems, such as vendor lock-in, availability and security. To address these problems, we propose a Deduplication-Assisted primary storage system in Cloud-of-Clouds (short for DAC) in this paper. DAC eliminates the redundant data blocks in the cloud computing environment and distributes the data among multiple independent cloud storage providers by exploiting the data reference characteristics. In DAC, the data blocks are stored in multiple cloud storage providers by combing the replication and erasure code schemes. To better utilize the advantages of both replication and erasure code schemes and exploit the reference characteristics in data deduplication, the high referenced data blocks are stored with the replication scheme while the other data blocks are stored with the erasure code scheme. The experiments conducted on our lightweight prototype implementation show that DAC improves the performance and cost efficiency significantly, compared with the existing schemes.     

存储网格中数据高可靠获取的新编码方案*

为了保证存储网格中数据的高可获取性,提出了一种对数据资源进行RS编码和LT编码级联的新方法,使RS码和LT码互相促进,同时实现纠删和纠错,这是单独采用两种编码都无法达到的。仿真结果表明,RS-LT级联编码可提高LT码译码成功概率,能够以较小的系统代价大幅度提高数据的可获取性。     

面向农业科学数据的分布式存储方法研究

随着农业科技的飞速发展,农业科学数据以几何级数快速膨胀。面对持续增长的农业数据资源,如何有效地存储和管理海量的农业数据成为一个研究热点。借助Hadoop分布式存储框架的优势,提出了一种面向农业科学数据的分布式存储方法,该方法采用了“中心控制节点--数据节点”的存储体系,通过报文通信技术和混合式索引分布策略,实现了对海量数据的高并发式存储和检索。实验结果证明,该方法适用于各种类型的农业科学数据进行存储管理。     

无线传输中一种基于节能的多位纠错算法

在分析基于循环冗余校验码纠正单比特错误和基于CRC/BCH混合编码方法的基础上,提出了一种多位纠错算法,在一定的信噪比范围内分析了算法的纠错性能和对吞吐量的改善情况,算法降低了传输数据的误码率和误帧率,提高了系统的吞吐量.对纠错算法的能耗进行了分析比较,与ARQ方案,BCH纠错方案的能耗进行了对比,在一定的范围内算法有较高的能量利用率.     

监控视频云存储系统

非结构化数据呈爆炸态势增长, 传统存储技术在吞吐能力可扩展性及易管理性等方面急需改进, 通过分析安保视频数据存储的问题, 设计一种云计算架构下的安保视频监控存储系统, 基于框架技术搭建了对等架构的云计算环境, 并对其中的云存储策略进行了设计和建模. 实现在廉价不可信节点上存储海量私有化只读视频数据, 并提供高效可靠地访问. 仿真结果显示, 系统的存储性能可靠度高且易于扩展, 可提供效能较高的视频云存储服务.     

基于模糊预测的数据复制优化模型的研究

云数据处理系统中广泛采用了多数据副本复制技术,以防止数据丢失,如果数据复制的份数或位置不当,就会引起数据的可用性小于用户期望的数据可用性或存储空间的浪费（如复制份数过多）。针对该问题,经研究提出了一种基于模糊预测的数据复制优化模型,该模型由模糊预测模块和复制优化模块组成。模糊预测模块以节点信息（CPU信息、节点带宽信息、内存信息和硬盘信息）作为输入,预测出节点的可用性;复制优化模块把节点的可用性和用户期望的数据可用性作为输入,计算出在满足用户期望情况下数据复制的份数和位置。提出的复制优化模型能根据云数据存储系统中数据节点可用性实现动态的优化数据复制,能获得较高的存储性价比。模拟实验中基于模糊预测的数据复制优化模型策略需要的存储空间分别是Hadoop策略的42．62％,42．84％,但文件的平均可用性可达到88．69％,90．54％,表明提出的基于模糊预测的复制模型实现了在节省存储空间的同时保证了文件可用性。     

基于纠删码的细粒度云存储调度方案

针对云存储系统中数据获取时延长以及数据下载不稳定的问题,提出了一种基于存储节点负载信息和纠删码技术的调度方案。首先,利用纠删码对文件进行编码存储以降低每份数据拷贝的大小,同时利用多个线程并发下载以提高数据获取的速度;其次,通过分析大量存储节点的负载信息确定影响时延的性能指标并对现有的云存储系统架构进行优化,设计了一种基于负载信息的云存储调度算法LOAD-ALGORITHM;最后,利用开源项目OpenStack搭建了一个云计算平台,根据真实的用户请求数据在云平台上进行部署和测试。实验结果表明,相比于现有的工作,调度算法在数据获取时延方面最高能减少15%的平均时延,在数据下载稳定性方面最高能降低40%的时延波动。该调度方案在真实的云平台环境下能有效地提高数据获取速度和稳定性,降低数据获取时延,达到更好的用户体验。     

云计算环境下的分布存储关键技术

云计算作为下一代计算模式,在科学计算和商业计算领域均发挥着重要作用,受到当前学术界和企业界的广泛关注.云计算环境下的分布存储主要研究数据在数据中心上的组织和管理,作为云计算环境的核心基础设施,数据中心通常由百万级以上节点组成,存储其上的数据规模往往达到PB级甚至EB级,导致数据失效成为一种常态行为,极大地限制了云计算的应用和推广,增加了云计算的成本.因此,提高可扩展性和容错性、降低成本,成为云计算环境下分布存储研究的若干关键技术.针对如何提高存储的可扩展性、容错性以及降低存储的能耗等目标,从数据中心网络的设计、数据的存储组织方式等方面对当前分布存储的关键技术进行了综述.首先,介绍并对比了当前典型的数据中心网络结构的优缺点;其次,介绍并对比了当前常用的两种分布存储容错技术,即基于复制的容错技术和基于纠删码的容错技术;第三,介绍了当前典型的分布存储节能技术,并分析了各项技术的优缺点;最后指出了当前技术面临的主要挑战和下一步研究的方向.     

面向云存储的非结构化数据存取

非结构化数据呈爆炸态势增长,现有存储技术在I/O吞吐能力、可扩展性及易管理性等方面亟待改进。存储系统以云存储和可靠性理论为基础,建立了非结构化数据的分布式存储模型,并设计了可靠度函数。采用分布式关系数据库管理系统(RDBMS)作为存储底层,将非结构化数据直接存储于数据表中,实现了非结构化数据和元数据的分离式存储和统一管理,进而提升了存储系统性能。相对于集中式存储,新系统具有较高的可用性。仿真结果显示,存储系统可靠度高且易于扩展。该分布式存储系统可应用于动态开放计算环境,提供效能较高的云存储服务。