CN102882983B - 一种云存储系统中提升并发访问性能的数据快速存储方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种云存储系统中提升并发访问性能的数据快速存储方法，包括元数据服务器、数据存储服务器以及客户端，所述元数据服务器与客户端之间只进行控制信号的传输，不进行存储数据流的传输；客户端与存储服务器之间进行存储数据流传输；将大于阈值的数据文件均匀分割为各个数据块，分布式存储在每个数据存储服务器上；单个数据文件的读写并发进行。
Description
技术领域
本发明涉及一种云计算平台的计算机软件技术领域，特别是一种云存储系统中提升并发访问性能的数据快速存储方法。
背景技术
现代计算机在社会生活中扮演着非常重要的角色，随着信息技术的发展，越来越大的集群应用系统投入到使用中，不同用户间需要实现统一存储、资源共享，这对数据存储系统提出了新的要求，不同用户可能在同一时间对同一个数据进行访问，探求一种对数据读写并发性以及网络流量的分担协调的机制，对现代大型集群满足多用户、高并发的访问需求具有重要的现实意义。
现有技术的云平台存储都是串行存储方法，无法应对多客户的密集海量存储读写需求。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种云存储系统中提升并发访问性能的数据快速存储方法。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种云存储系统中提升并发访问性能的数据快速存储方法，包括元数据服务器、数据存储服务器以及客户端，所述元数据服务器与客户端之间只进行控制信号的传输，不进行存储数据流的传输；
客户端与存储服务器之间进行存储数据流传输；
将大于阈值的数据文件均匀分割为各个数据块，分布式存储在每个数据存储服务器上；
单个数据文件读写并发进行。
本发明所述方法中，客户端写数据时，数据被分成各个数据块，写每个写数据块根据以下步骤进行操作，并行的向数据存储服务器写数据块：
（1）客户端向元数据服务器发起数据写请求；
（2）元数据服务器根据其管理的数据存储服务器的工作和使用情况，根据负载均衡的方法计算目的数据存储服务器，在目的数据存储服务器上创建新的数据块；
（3）目的数据存储服务器的数据块创建成功，将结果返回给元数据服务器；
（4）元数据服务器备份并同步此数据信息，并将目的存储服务器信息返回给客户端；
（5）客户端根据得到的目的存储服务器信息，向对应目的存储节点发出数据写请求，并向目的存储服务器发送数据；
（6）目的存储节点接收数据并存储到对应数据块，同时也向其他存储服务器备份；
（7）当本地数据写入以及备份完成后，目的存储节点将完成信息返回给客户端；
（8）客户端收到完成信息后，即完成数据的写入。
本发明所述方法中，客户端读数据时，读请求被分成多个读数据块，每个读数据块根据以下步骤进行操作，并行的从数据存储服务器读数据块：
（1）客户端根据读数据文件时的请求偏移量除以数据块的大小得到数据块索引，并向元数据服务器发起数据读请求；
（2）元数据服务器返回该数据块所在的数据存储服务器的列表，数据存储服务器列表包括每个数据存储服务器的地址和序号；
（3）客户端向读写请求数最少的数据存储服务器发送读数据块请求；
（4）数据存储服务器从本地文件系统读出数据块，并返回数据块给客户端。
本发明所述方法中，负载均衡算法为：遍历所有数据存储服务器列表，数据存储服务器列表包括每个数据存储服务器的地址，分别以每个数据存储服务器的空间除以最大数据存储服务器的空间作为每个数据存储服务器的动态加权因子，加权因子取值范围0.0~1.0，加权因子与数据存储服务器的当前权值之和构成新的权值，对所有数据存储服务器权重进行排序，把负载最小的数据存储服务器排列在列表前面，然后返回可用数据存储服务器的地址，其权值减1。
有益效果：本方法从提高作为大量用户数据存储支撑的云存储系统的高速并发访问性能方面出发，提出一种能满足多用户、高并发访问的需求的方法，给现实应用调用提供方便、高性能的存储支撑。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1是云存储系统客户端向系统中快速写数据的流程图。
图2为云存储系统客户端快速读存储数据流程图。
图3为本发明一个具体实施例示意图。
具体实施方式
本发明采用了控制信号流与存储数据流分离的技术，本发明有一种特有的读写机制：客户端在访问云存储系统时，首先访问元数据服务器节点，获取将要与之进行交互的存储服务器信息，然后直接访问这些存储服务器完成数据存取。云存储系统的这种设计方法实现了控制信号流和存储数据流的分离。
客户端与元数据服务器之间只有控制信号流，而无存储数据流，这样就极大地降低了元数据服务器的负载，使之不成为系统性能的一个瓶颈。客户端与存储服务器之间直接传输存储数据流，同时由于数据文件被分成多个数据块进行分布式存储，客户端可以同时访问多个存储服务器，从而使得整个系统的I/O高度并行，系统整体性能得到提高。
通常情况下，系统的整体吞吐率与存储服务器的数量呈正比。
下面详细的介绍一下本发明云存储系统的实际读写过程。云存储系统客户端向系统中写数据的流程如图1所示，包括以下步骤：
1) 云存储系统客户端把数据写请求分成多个块；
2) 云存储系统客户端向元数据服务器发起数据写请求；
3) 元数据服务器根据其管理的数据存储服务器的工作和使用情况，根据负载均衡的方法计算目的数据存储服务器，在目的数据存储服务器上创建一些新的数据块；目的数据存储服务器创建成功，将结果返回给元数据服务器；
4) 元数据服务器备份并同步此数据信息到备份元数据服务器；
5) 元数据服务器将目的存储服务器信息返回给客户端；
6) 客户端根据得到的目的存储服务器信息，向对应目的存储节点发出数据写请求，并向目的存储服务器发送数据；
7) 目的存储节点接收数据并存储到对应数据块，同时也向其他存储服务器备份；
8) 当本地数据写入以及备份完成后，目的存储节点将完成信息返回给客户端，即完成数据的写入；
云存储系统客户端读存储数据流程图2所示，包括以下步骤：
1) 云存储系统客户端把读数据请求分成多个块数据读请求；
2) 云存储系统客户端计算块索引，并向元数据服务器发起数据读请求；
3) 元数据服务器返回该数据库块所在的数据存储服务器的列表；
4) 客户端向读写请求数最少的数据存储服务器发送读数据块请求；
5) 数据存储服务器从本地文件系统读出数据块，并返回数据块给客户端；
总的来说，云存储系统的控制信号流和存储数据流是分离的，一方面降低了元数据服务的负担，使得其处理能力更强，另一方面将数据读写的负担分担到各存储节点，使得系统的整体性能得到了提高，与节点数目成正相关。
本发明采用负载自动均衡技术，云存储系统采用中心服务器模式来管理整个云存储文件系统，所有元数据均保存在元数据服务器上，文件则划分为多个数据块存储在不同的存储服务器上。
元数据服务器维护了一个统一的命名空间，同时掌握整个系统内存储服务器的使用情况，当客户端向元数据服务器发送数据读写的请求时，元数据服务器根据存储服务器的磁盘使用、网络负担等情况，选择负担最轻的存储服务器对外提供服务，自动进行均衡负载。
在云存储系统中，客户端主要进行的是文件的写、读等操作。写时，元数据服务器根据负载均衡算法选择存储服务器集群中当前性能最优的存储服务器节点，如果仅限于此，当遇到高并发读同一文件时，则存储该份文件的存储服务器必然会超载甚至崩溃，解决方案是：元数据服务控制数据存储服务器复制多个副本，元数据服务维护副本列表，客户端根据与数据存储服务器交互次数统计，向最少访问次数的数据存储服务器读取数据块。
另外，当有某一个存储服务器因为机器故障或者其他原因造成离线时，元数据服务器会将此机器自动屏蔽掉，不再将此存储服务器提供给客户端使用，同时存储在此存储服务器上的数据也会自动的备份到其他可用的存储服务器上，自动屏蔽存储服务器故障对系统的影响。包括以下步骤：
1) 元数据服务器周期性的与数据存储服务器发送消息，感知对方是否离线；
2) 元数据服务器根据感知情况检测数据存储服务器是否长期离线；
3) 元数据服务器把所有保存在该数据存储服务器的副本置为无效；
4) 元数据服务器向负载较轻的数据存储服务器发送复制数据块消息；
5) 数据存储服务器从其它可用的副本数据存储服务器复制一个新副本；
实施例
具体实施如图3所示，云存储由主备元数据服务器和多台数据存储服务器以及若干访问客户端组成，客户端读写过程如下实施。
客户端写数据时对数据进行分块，块可以分成不同的大小，下面取块大小64M进行说明。写数据时请求包括offset（相对文件起始位置的偏移量）、size（当前写数据的大小） 和data（当前请求的实际数据）等字段，客户端计算块索引、block编号以及block内部偏移量，计算过程如下：
1) 根据chnum = offset>>26得到总共需读的块数目，根据该数目启动后续多个写数据块线程并行读取请求数据块；
2) 根据indx = (offset>>26)，计算块索引位置，发送消息给元数据服务器，元数据服务器根据索引创建一个新的插槽，并记录新块的元数据信息；
3) 根据chunkoffset = (offset&0x3FFFFFF)计算出该数据块所在数据存储服务器块的偏移量;
客户端读数据时对读数据进行分块，块可以分成不同的大小，下面取块大小64M进行说明。读数据时请求包括offset（相对文件起始位置的偏移量）、size（当前读数据的大小）和buff（当前读请求的实际返回的数据）等字段，处理过程如下：
1) 根据size>>26得到总共需读的块数目，根据该数目启动后续多个读数据块线程并行读取请求数据块；
2) 根据indx = (offset>>26)，计算块索引位置，发送消息给元数据服务器，元数据服务器根据索引位置，返回该数据块所在的数据存储服务器列表；
3) 根据chunkoffset = (offset&0x3FFFFFF)计算出该数据块所在数据存储服务器块的偏移量。
本发明提供了一种云存储系统的数据存储方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
Claims (2)
1.一种云存储系统中提升并发访问性能的数据快速存储方法，所述云存储系统包括元数据服务器、数据存储服务器以及客户端，其特征在于，所述元数据服务器与客户端之间只进行控制信号的传输，不进行存储数据流的传输；
客户端与数据存储服务器之间进行存储数据流传输；
将大于阈值的数据文件均匀分割为各个数据块，分布式存储在每个数据存储服务器上；
单个数据文件读写并发进行；
客户端写数据时，数据被分成各个数据块，写每个数据块根据以下步骤进行操作，并行的向数据存储服务器写数据块：
(1)客户端向元数据服务器发起数据写请求；
(2)元数据服务器根据其管理的数据存储服务器的工作和使用情况，根据负载均衡的方法计算目的数据存储服务器，在目的数据存储服务器上创建新的数据块；
(3)目的数据存储服务器的数据块创建成功，将结果返回给元数据服务器；
(4)元数据服务器备份并同步此数据信息，并将目的数据存储服务器信息返回给客户端；
(5)客户端根据得到的目的数据存储服务器信息，向对应目的数据存储服务器发出数据写请求，并向目的数据存储服务器发送数据；
(6)目的数据存储服务器接收数据并存储到对应数据块，同时也向其他数据存储服务器备份；
(7)当本地数据写入以及备份完成后，目的数据存储服务器将完成信息返回给客户端；
(8)客户端收到完成信息后，即完成数据的写入；
客户端读数据时，读请求被分成多个读数据块，每个读数据块根据以下步骤进行操作，并行的从数据存储服务器读数据块：
(11)客户端根据读数据文件时的请求偏移量除以数据块的大小得到数据块索引，并向元数据服务器发起数据读请求；
(12)元数据服务器返回该数据块所在的数据存储服务器的列表，数据存储服务器列表包括每个数据存储服务器的地址和序号；
(13)客户端向读写请求数最少的数据存储服务器发送读数据块请求；
(14)数据存储服务器从本地文件系统读出数据块，并返回数据块给客户端。
2.根据权利要求1所述的一种云存储系统中提升并发访问性能的数据快速存储方法，其特征在于，
负载均衡的方法为：遍历所有数据存储服务器列表，数据存储服务器列表包括每个数据存储服务器的地址，分别以每个数据存储服务器的空间除以最大数据存储服务器的空间作为每个数据存储服务器的动态加权因子，加权因子取值范围0.0～1.0，加权因子与数据存储服务器的当前权值之和构成新的权值，对所有数据存储服务器权重进行排序，把负载最小的数据存储服务器排列在列表前面，然后返回可用数据存储服务器的地址，其权值减1。
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