CN101645038A - 基于彼特森的网络存储结构的数据存储方法 - Google Patents

基于彼特森的网络存储结构的数据存储方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于彼特森的网络存储结构的数据存储方法，该方法是在广域网络环境下将10个存储节点按照彼特森图的方式形成强结构规则图的网络结构，并利用多台网络主机的磁盘存储能力，借鉴多种可靠性等级的单机RAID技术的实现方式，实现网络环境下多种可靠性等级的网络冗余磁盘阵列NRAID支持的数据存储；所述的强结构规则图的网络结构，以进入的任意一个存储节点作为控制节点，其他9个存储节点作为该控制节点的邻居节点，其中，3个为一跳邻居节点，6个为两跳邻居节点；所述的控制节点，用于存储数据的元数据信息，并发出访问数据的信息；所述的邻居节点，用于提供数据存储服务。本发明将彼特森图的特殊性质与RAID技术相结合，提高了网络条件下数据存储的可靠性。

Description

基于彼特森的网络存储结构的数据存储方法
技术领域
本发明涉及信息网络技术领域，特别涉及一种基于彼特森的网络存储结构的数据存储方法。
背景技术
目前信息技术领域已经从面向计算为中心的架构，转向以存储为中心的架构。这样的转变是随着互联网络的逐步发展壮大而日益产生的海量信息产生的，海量信息面临着处理、存储、共享等问题。
在数据存储过程中，为了解决单块磁盘的数据可靠性和性能问题，人们提出了RAID技术。RAID是“Redundant Array of Independent Disk”的缩写，中文意思是独立冗余磁盘阵列。冗余磁盘阵列技术诞生于1987年，由美国加州大学伯克利分校提出。
简单地解释RAID磁盘阵列，就是将N台硬盘通过RAID Controller(分硬件、软件)结合成虚拟单台大容量的硬盘使用，其特色是N台硬盘同时读取，读取速度得以加快，同时可提供容错性，所以RAID是当成平时主要访问数据的存储而不是数据备份的。
目前的RAID磁盘阵列技术用于单机内嵌控制器的方式，或者外部的单独磁盘阵列硬件，或者在操作系统中置入软RAID控制器的方式，这三种实现方法普遍局限于单机或局域网络范围内，可以应对单块磁盘的故障，但不能应对整机硬件或软件出现故障的情况。
另外，图2是Peterson图的组成节点编号示意图。如图2所示，Peterson图是由10个节点组成的固定结构，其特点是每个节点的度等于3，任何两个节点之间的距离不大于2，其用于并行计算领域，具有非常高的可靠性。
发明内容
本发明的目的在于，在广域网络环境下构建基于Peterson图结构的数据存储方法，由存储节点构成的强结构规则图结构，除控制节点外，在其他节点间使用RAID风格的磁盘条带技术，从而提供一种基于彼特森的网络存储结构的数据存储方法，该方法在强结构下广域网中使用NRAID结构，既具有传统RAID的数据可靠性和高性能，又能避免单点问题。
在20世纪80年代后期，随着分布式系统的日益成熟，同样由加州大学伯克利分校提出一种无服务器网络文件系统(xFS)，本发明的目的正是在这种系统中的多台机器的硬盘之间使用了RAID风格的磁盘条带技术，我们称之为NRAID(NetworkRedundent Array Independent Disk)，即网络冗余磁盘阵列NRAID，网络冗余磁盘阵列NRAID在网络环境中进行网络可靠性存储。这个系统的使用环境限定在对等的工作站之间，这类似于目前比较流行的对等系统。在此后在网络环境下使用RAID的方式基本上与xFS相同，其他的广域存储系统基本上都是分布式文件系统。
上述NRAID技术是在局域网络环境下使用到磁盘条带技术，主要是为了加快数据读取速度(这点类似于本发明中的NRAID0)，没有数据的校验等可靠性保证；分布式文件系统为了提高文件的可靠性，采用的是一份数据多次冗余存储的方法，普遍存在存储利用率较低的问题，其可靠性依赖于现有的存储系统(如DAS、NAS或SAN)。
本发明将RAID技术网络化，首先，解决的是常规RAID系统单地点放置，容易出现该点出现断电等故障，数据就不能使用的问题；第二，利用Peterson图的强结构特征，可以保障存储点间的数据通道连通性，同时保障时延等指标在容许范围之内；第三，Peterson图中的每个节点均作为控制器点，共10个控制器点，这样就不存在常规RAID控制器单点问题。
为了实现上述目的，本发明的一种基于彼特森的网络存储结构的数据存储方法，其特征在于，该方法是在广域网络环境下将10个存储节点按照彼特森图的方式形成强结构规则图结构，并利用多台网络主机的磁盘存储能力，借鉴多种可靠性等级的单机RAID技术的实现方式，实现网络环境下多种可靠性等级的网络冗余磁盘阵列NRAID支持的数据存储；
所述的强结构规则图结构，以进入的任意一个存储节点作为控制节点，其他9个存储节点作为该控制节点的邻居节点，其中，3个为一跳邻居节点，6个为两跳邻居节点；所述的控制节点，用于存储数据的元数据信息，并发出访问数据的信息；所述的邻居节点，用于提供数据存储服务。
所述的每个存储节点的存储形式包括：直接附接存储、网络附接存储或存储区域网络。所述的直接附接存储采用单盘方式或者RAID方式。
所述的网络冗余磁盘阵列NRAID技术可以采用6个级别的网络冗余磁盘阵列NRAID0～NRAID5中的任意一种。下面针对每级网络冗余磁盘阵列提供相应的网络冗余磁盘阵列实现方法：
1)所述的数据存储方法采用网络冗余磁盘阵列NRAID0；所述的网络冗余磁盘阵列NRAID0为无差错控制的带区组，除控制节点外，有两个以上的邻居节点，数据分成数据块保存在不同存储节点上，可以同时读取。
该网络冗余磁盘阵列实现方法将不同的数据分布在不同存储节点上，所以数据吞吐率大大提高，存储节点的负载也比较平衡。如果刚好所需要的数据在不同的存储节点上效率最好。它不需要计算校验码，实现容易。它的缺点是它没有数据差错控制，如果一个存储节点中的数据发生错误，即使其它存储节点上的数据正确也无济于事了。因此，不应该将它用于对数据稳定性要求高的场合。同时，NRAID0可以提高数据传输速率，比如所需读取的文件分布在两个存储节点上，这两个存储节点可以同时读取，那么原来读取同样文件的时间被缩短为1/2。在所有的级别中，NRAID0的速度是最快的，但是NRAID0没有冗余功能，如果一个存储节点(物理)损坏，则所有的数据都无法使用。
2)所述的数据存储方法采用网络冗余磁盘阵列NRAID1；所述的网络冗余磁盘阵列NRAID1为镜像结构，所述的控制节点同时对两个存储节点进行读操作和对两个存储节点进行写操作，该两个存储节点中一为主存储节点，另一为镜像存储节点。
该网络冗余磁盘阵列实现方法是镜像结构，所以在一个存储节点出现问题时，可以使用镜像，提高系统的容错能力，即当主存储节点损坏时，镜像存储节点就可以代替主存储节点工作，镜像存储节点相当于一个备份存储节点，可想而知，这种存储节点模式的安全性是非常高的，NRAID1的数据安全性在所有的NRAID级别上来说是最好的。而且，它比较容易设计和实现，每读一次存储节点只能读出一块数据，也就是说数据块传送速率与单独的存储的读取速率相同。因为NRAID1的校验十分完备，因此对系统的处理能力有很大的影响，通常的RAID1功能由软件实现，而这样的实现方法在服务器负载比较重的时候会大大影响服务器效率。当您的系统需要极高的可靠性时，如进行数据统计，那么使用NRAID1比较合适。而且NRAID1技术支持“热替换”，即不断电的情况下对故障存储节点进行更换，更换完毕只要从镜像存储节点上恢复数据即可。但是其存储节点空间的利用率却只有50％，是所有NRAID级别中最低的。
3)所述的数据存储方法采用网络冗余磁盘阵列NRAID2；所述的网络冗余磁盘阵列NRAID2为带海明码校验的数据条带结构，该结构将数据条块化分布于不同的存储节点上，条块化的数据的单位为位或字节，然后使用一定的编码技术来提供错误检查及恢复，该编码技术需要多个节点存放检查及恢复信息。
由于海明码的特点，它可以在数据发生错误的情况下将错误校正，以保证输出的正确。它的数据传送速率相当高，如果希望达到比较理想的速度，那最好提高保存校验码ECC码的存储节点的速度，对于控制节点的设计来说，输出数据的速率与存储节点组中速度最慢的相等。
4)所述的数据存储方法采用网络冗余磁盘阵列NRAID3；所述的网络冗余磁盘阵列NRAID3为带奇偶校验码的并行传送结构；
每个控制节点存储其n(n大于等于3，小于等于9)个邻居节点的地址信息和存储数据的交叉存放规则信息，其中，n-1个邻居节点用于存储数据，第n个邻居节点作为冗余奇偶校验信息的专用存储节点；
所述的控制节点读写元数据操作之后，并行地从n个邻居节点上读取数据和校验信息，由读取端合并数据并进行验证。
这种校验码只能查错不能纠错，它访问数据时一次处理一个带区，这样可以提高读取和写入速度。校验码在写入数据时产生并保存在另一个存储节点上。需要实现时要使用控制节点的三个直接邻接存储节点，写入速率与读出速率都很高，因为校验位比较少，因此计算时间相对而言比较少。
NRAID3使用单个节点存放奇偶校验信息，如果一个存储节点失效，奇偶节点及其他数据存储节点可以重新产生数据；如果奇偶节点失效，则不影响数据使用。NRAID3对于大量的连续数据可提供很好的传输率，但对于随机数据，奇偶节点会成为写操作的瓶颈。利用单独的校验节点来保护数据虽然没有镜像的安全性高，但是存储利用率得到了很大的提高，为(N-1)/N。
5)所述的数据存储方法采用网络冗余磁盘阵列NRAID4；所述的网络冗余磁盘阵列NRAID4为带奇偶校验码的独立存储节点结构；
每个控制节点存储其n(n大于等于3，小于等于9)邻居节点的地址信息和存储数据的交叉存放规则信息，其中，n-1个邻居节点用于存储数据，第n个邻居节点作为冗余奇偶校验信息的专用存储节点；
所述的控制节点读写元数据操作之后，按照存储节点进行数据块的访问，每次访问一个存储节点，最后，由读取端从n个邻居节点上读取数据和校验信息，合并数据并进行验证。这种校验码同样只能查错不能纠错。
所述的读取端可以是控制节点，也可以是读取客户端。
6)所述的数据存储方法采用网络冗余磁盘阵列NRAID5；所述的网络冗余磁盘阵列NRAID5为分布式奇偶校验的独立存储节点结构，其奇偶校验码存在于所有存储节点上，并且分布在不同的存储节点上，以数据的校验位来保证数据的安全，将数据段的校验位交叉存放于各个存储节点上。
任何一个存储节点损坏，都可以根据其它存储节点上的校验位来重建损坏的数据。
NRAID5也是以数据的校验位来保证数据的安全，但它不是以单独存储节点来存放数据的校验位，而是存储的利用率为(N-1)/N。NRAID-5的优点是提供了冗余性(支持一个存储节点掉线后仍然正常运行)，空间利用率较高((N-1)/N)，读写速度较快(N-1倍)。但当一个存储节点宕掉之后，运行效率大幅下降。
与目前的结构和方法相比，本发明具有下列优点：将Peterson图的特殊性质与RAID技术相结合，利用Peterson图的强结构特征，可以保障存储点间的数据通道连通性，同时保障时延等指标在容许范围之内；而且，Peterson图中的每个节点均作为控制器点，共10个控制器点，这样就不存在常规RAID控制器单点问题。本发明从单个节点看的结构都是相同的，得到的性能相似，任何单个节点上执行的算法就是相同的，从而实现网络RAID，提高了网络条件下数据存储的可靠性，可用于广域数据存储。
附图说明
图1为基于Peterson图的存储网络结构示意图。
图2为Peterson图节点编号示意图。
图3为北京市区Peterson存储结构。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明提供的基于Peterson图的网络冗余磁盘阵列(NRAID)实现方法作进一步阐述。
本发明的目的在于提供基于Peterson图的网络冗余磁盘阵列实现方法。其中Peterson存储网络10个存储节点形成，这样构成的存储网络结构如图1所示；其中网络冗余磁盘阵列共分6级(NRAID 0～NRAID 5)，针对每级网络冗余磁盘阵列提供相应的网络冗余磁盘阵列实现方法；其中每个存储节点带有自身的存储，可以是DAS(直接附接存储，可以是单盘方式和RAID方式)、NAS(网络附接存储)和SAN(存储区域网络)。
为达到上述发明目的，本发明的Peterson存储网络的存储节点标号如图2所示，其中每个节点的邻居节点(1跳邻居3个，2跳邻居6个)是通过测试或人工配置的方式确定的，一旦确定，就不能改变，这类似于传统RAID中的盘片初始化过程。其中每个节点是与其邻居的控制节点，即访问数据的信息由该节点发出，其他邻居节点提供数据存储服务，该节点存储数据的元数据信息(如数据条带化之后条带存储在哪里的信息)。
实施例
下面结合应用场景说明基于Peterson图的网络冗余磁盘阵列(NRAID)实现方法。如图3所示，本发明提供的一个应用场景：假定在X(比如，北京)城市某存储服务运行公司根据市区、郊县部署10个存储节点，节点之间带宽均为＞500Mbps的良好链路连接的，这10个节点配置成Peterson图结构，其编号按图2所示。
该Peterson图各节点的节点度以及各节点间的距离如下表1和表2所示。
表1：节点度
  节点编号   节点度
  1   3
  2   3
  3   3
  4   3
  5   3
  6   3
  7   3
  8   3
  9   3
  10   3
表2：节点间距离
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   10
  1   0   1   2   2   1   1   2   2   2   2
  2   1   0   1   2   2   2   1   2   2   2
  3   2   1   0   2   2   2   2   1   2   2
  4   2   2   1   0   1   2   2   2   1   2
  5   1   2   2   1   0   2   2   2   2   1
  6   1   2   2   2   2   0   2   1   1   2
  7   2   1   2   2   2   2   0   2   1   1
  8   2   2   1   2   2   1   2   0   2   1
  9   2   2   2   1   2   1   1   2   0   2
  10   2   2   2   2   1   2   1   1   2   0
下面选取一个节点的3个直接邻居节点存储数据，以NRAID0、NRAID3为例说明本实施中的网络冗余磁盘阵列实现方法。4-9个邻居节点存储数据的情形可类推。
(1)NRAID0
每个节点存储其直接的三个邻居的地址信息，比如节点1存储节点5、6、2的地址信息，根据上文中提到的NRAID0的实现方法，节点1作为控制器，该节点存储数据的条带化分割规则信息，数据按照条带化存储于节点5、6、2上。读写元数据操作由节点1进行，之后可并行地从节点5、6、2上读取数据，并由读取端(可以是节点1，也可以是读取客户端)合并数据。
(2)NRAID3
每个节点存储其直接的三个邻居的地址信息，比如节点1存储节点5、6、2的地址信息，根据上文中提到的NRAID3的实现方法，节点1作为控制器，该节点存储数据的交叉存放规则信息，数据存储于节点5、6，节点2作为冗余奇偶校验信息的专用存储节点。读写元数据操作由节点1进行，之后可并行地从节点5、6、2上读取数据和校验信息，并由读取端(可以是节点1，也可以是读取客户端)合并数据并进行验证。
本实施例虽然选取一个节点的3个直接邻居节点存储数据，以NRAID0、NRAID3为例说明在Peterson图上的网络冗余磁盘阵列实现方法，但其方法是具有代表性的，普通技术人员可据本发明内容类似实现其他四种网络冗余磁盘阵列实现方法。
说明文档中的其他内容针对本专业领域内的普通技术人员，均可进行技术实现，这里不再赘述。

Claims (10)

1、一种基于彼特森的网络存储结构的数据存储方法，其特征在于，该方法是在广域网络环境下将10个存储节点按照彼特森图的方式形成强结构规则图结构，并利用多台网络主机的磁盘存储能力，借鉴多种可靠性等级的单机RAID技术的实现方式，实现网络环境下多种可靠性等级的网络冗余磁盘阵列NRAID支持的数据存储；
所述的强结构规则图结构，以进入的任意一个存储节点作为控制节点，其他9个存储节点作为该控制节点的邻居节点，其中，3个为一跳邻居节点，6个为两跳邻居节点；所述的控制节点，用于存储数据的元数据信息，并发出访问数据的信息；所述的邻居节点，用于提供数据存储服务。
2、如权利要求1所述的基于彼特森的网络存储结构的数据存储方法，其特征在于，所述的每个存储节点的存储形式包括：直接附接存储、网络附接存储或存储区域网络。
3、如权利要求2所述的基于彼特森的网络存储结构的数据存储方法，其特征在于，所述的直接附接存储采用单盘方式或者RAID方式。
4、如权利要求1所述的基于彼特森的网络存储结构的数据存储方法，其特征在于，所述的网络冗余磁盘阵列NRAID采用网络冗余磁盘阵列NRAID0；所述的网络冗余磁盘阵列NRAID0为无差错控制的带区组，除控制节点外，有两个以上的邻居节点，数据分成数据块保存在不同存储节点上，可以同时读取。
5、如权利要求1所述的基于彼特森的网络存储结构的数据存储方法，其特征在于，所述的网络冗余磁盘阵列NRAID采用网络冗余磁盘阵列NRAID1；所述的网络冗余磁盘阵列NRAID1为镜像结构，所述的控制节点同时对两个存储节点进行读操作和对两个存储节点进行写操作，该两个存储节点中一为主存储节点，另一为镜像存储节点。
6、如权利要求1所述的基于彼特森的网络存储结构的数据存储方法，其特征在于，所述的网络冗余磁盘阵列NRAID采用网络冗余磁盘阵列NRAID2；所述的网络冗余磁盘阵列NRAID2为带海明码校验的数据条带结构，该结构将数据条块化分布于不同的存储节点上，条块化的数据的单位为位或字节，然后使用一定的编码技术来提供错误检查及恢复，该编码技术需要多个磁盘存放检查及恢复信息。
7、如权利要求1所述的基于彼特森的网络存储结构的数据存储方法，其特征在于，所述的网络冗余磁盘阵列NRAID采用网络冗余磁盘阵列NRAID3；所述的网络冗余磁盘阵列NRAID3为带奇偶校验码的并行传送结构；
每个控制节点存储其n个邻居节点的地址信息和存储数据的交叉存放规则信息，其中，3≤n≤9，n-1个邻居节点用于存储数据，第n个邻居节点作为冗余奇偶校验信息的专用存储节点；
所述的控制节点读写元数据操作之后，并行地从n个邻居节点上读取数据和校验信息，由读取端合并数据并进行验证。
8、如权利要求1所述的基于彼特森的网络存储结构的数据存储方法，其特征在于，所述的网络冗余磁盘阵列NRAID采用网络冗余磁盘阵列NRAID4；所述的网络冗余磁盘阵列NRAID4为带奇偶校验码的独立存储节点结构；
每个控制节点存储其n个邻居节点的地址信息和存储数据的交叉存放规则信息，其中，3≤n≤9，n-1个邻居节点用于存储数据，第n个邻居节点作为冗余奇偶校验信息的专用存储节点；
所述的控制节点读写元数据操作之后，按照存储节点进行数据块的访问，每次访问一个存储节点，最后，由读取端从n个邻居节点上读取数据和校验信息，合并数据并进行验证。
9、如权利要求7或8所述的基于彼特森的网络存储结构的数据存储方法，其特征在于，所述的读取端可以是控制节点，也可以是读取客户端。
10、如权利要求1所述的基于彼特森的网络存储结构的数据存储方法，其特征在于，所述的网络冗余磁盘阵列NRAID采用网络冗余磁盘阵列NRAID5；所述的网络冗余磁盘阵列NRAID5为分布式奇偶校验的独立存储节点结构，将数据段的校验位交叉存放于各个存储节点上，其奇偶校验码存在于所有存储节点上，并且分布在不同的存储节点上，以数据的校验位来保证数据的安全。
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