CN108540520A - 基于部分重复码的局部性修复编码及节点故障修复方法 - Google Patents

基于部分重复码的局部性修复编码及节点故障修复方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于部分重复码的局部性修复编码及节点故障修复方法，采用基于部分重复(Fractional Repetition,FR)码的局部性修复编码方法实现对数据的存储，可以控制局部修复组内的节点数目和局部修复组内的存储数据量，从而保证了节点的存储开销；当局部修复组中存在单节点和两节点故障时，都只需要通过局部修复组内有限的存活节点快速实现局部修复组内故障节点的数据重构，即可快速恢复出故障节点数据。

Description

基于部分重复码的局部性修复编码及节点故障修复方法
技术领域
本发明属于计算机领域，涉及一种基于部分重复码的局部性修复编码及节点故障修复方法。
背景技术
随着海量数据的出现及信息数据的爆炸性增长，分布式存储系统因其廉价性和高扩展性等特点得到了广泛的应用。在分布式存储系统中，人们普遍追求数据存储的可靠性和可用性。最初，采取三副本复制策略，复制策略需要存储大量副本数据以确保系统较高的可靠性，但其因存储代价过高。当前分布式存储系统通常采用纠删码提高存储可靠性，其中最大距离可分(Maximum Distance Separable,MDS)码，在确保系统可靠性的同时，能提高系统的存储效率。然而，纠删码在修复故障节点时需要下载整个文件大小的数据量，修复带宽开销过大。为了降低传统纠删码的修复带宽开销，Dimakis等人提出了再生码，显著降低了故障节点的修复带宽开销。通过对修复带宽和存储开销进行分析，Dimakis等人于2010年又提出了最小存储再生(Minimum Storage Regeneration,MSR)码和最小带宽再生(Minimum Bandwidth Regeneration,MBR)码。简单再生码(Simple Regenerating Codes)以较高的存储开销为代价，在修复单节点故障时具有较好的修复局部性，但没有进一步考虑多故障节点的修复。MSR码和MBR码在修复故障节点时，只关注了修复带宽开销和存储开销，没有考虑磁盘存储开销，不适用于云存储系统。云存储系统中两个或多个节点同时发生故障的概率很大，已有的SRC和LRC在修复一个节点故障时具有很好的修复局部性，但是在修复两个或多个故障节点时需要连接多个存活节点，磁盘I/O开销较高。
发明内容
针对上述现有技术中存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种节点故障修复方法，该方法可以降低故障节点修复过程中的磁盘I/O开销，且具有较优的节点带宽开销。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于部分重复码的局部性修复编码方法，该方法基于FR码的编码结构,用于将原文件B存储到节点中，包括以下步骤：
步骤1，将分布式存储系统的节点进行分组，得到多个局部修复组；分布式存储系统的节点的总数为N；具体分组方法如下：
若分布式存储系统的节点的总数N能够被FR码的编码结构所需节点数n整除，即N＝tn，则得到t个局部修复组，每个局部修复组内的节点数为n；
若分布式存储系统的节点的总数N不能够被FR码的编码结构所需节点数n整除，即N＝tn+λ，则得到t个局部修复组，前t-1个局部修复组中每个局部修复组内的节点数为n，第t个局部修复组内的节点数为n+λ；
步骤2，若分布式存储系统的节点的总数N能够被FR码的编码结构所需节点数n整除，则将原文件B分成t个子文件，每个子文件包括j个数据块，每个局部修复组包括一个子文件，对每个局部修复组内的子文件包括的j个数据块采用FR码进行编码，得到多个编码块；将该多个编码块存储到该局部修复组中的n个节点中；
若分布式存储系统的节点的总数N不能够被FR码的编码结构所需节点数n整除，则将原文件B分成t个子文件，前t-1个子文件中每个子文件包括j个数据块，最后一个子文件包括j+ε(1≤ε≤j-1)个数据块，每个局部修复组包括一个子文件，对前t-1个局部修复组中每个局部修复组内的子文件包括的j个数据块采用FR码进行编码，得到多个编码块，将该多个编码块存储到该局部修复组中的n个节点中；对最后一个局部修复组内的子文件包括的j+ε个数据块采用MDS码进行编码，得到多个编码块，将该多个编码块存储到最后一个局部修复组内的n+λ个节点中。
可选地，所述步骤2中的对每个局部修复组内的子文件包括的j个数据块采用FR码进行编码，得到多个编码块；将该多个编码块存储到该局部修复组中的n个节点中；具体包括以下步骤：
对j个数据块进行(i,j)RS编码，生成i个不同的编码块，将生成的i个不同的编码块复制ρ次，得到iρ个编码块；按照正则图(当ρ＝2时)或Fano平面(当ρ≥3时)得到的排布矩阵，将复制后的iρ个编码块存储在局部修复组内的n个节点中，每个节点存储d个编码块，即iρ＝nd。
可选地，所述步骤2中的对前t-1个局部修复组中每个局部修复组内的子文件包括的j个数据块采用FR码进行编码，得到多个编码块，将该多个编码块存储到该局部修复组中的n个节点中；具体包括以下步骤：
对j个数据块进行(i,j)RS编码，生成i个不同的编码块，将生成的i个不同的编码块复制ρ次，得到iρ个编码块；按照正则图或Fano平面得到的排布矩阵，将复制后的iρ个编码块存储在局部修复组内的n个节点中，每个节点存储d个编码块，即iρ＝nd；
所述步骤2中的对最后一个局部修复组内的子文件包括的j+ε个数据块采用MDS码进行编码，得到多个编码块，将该多个编码块存储到最后一个局部修复组内的n+λ个节点中，具体包括以下步骤：
对j+ε个数据块采用((λ+n)d,j+ε)MDS码编码方式进行编码，生成(λ+n)d个编码块，将这(λ+n)d个编码块存储在最后一个局部修复组内的n+λ个节点中，每个节点存储d个编码块。
本发明的另一个方面还提供一种节点故障修复方法，包括以下步骤：
按照上述的基于部分重复码的局部性修复编码方法将原文件B存储到节点中；
若单个节点发生故障，则修复方法如下：
(1)若发生故障的节点中存储的编码块为采用FR码进行编码得到的，则通过正则图，找到与该发生故障的节点相连的多个存活节点，或者通过Fano平面找到与该发生故障的节点中编码块相连的多个存活节点，并从这些存活节点直接下载发生故障的节点丢失的数据，即可修复该发生故障的节点；
(2)若发生故障的节点中存储的编码块为采用MDS码进行编码得到的，则根据MDS码故障节点修复性质，从多个存活节点下载j+ε个不同的编码块，对这些编码块进行MDS编码操作，即可修复该发生故障的节点；
若两个节点同时发生故障，且两个节点属于同一个局部修复组，则修复方法如下：
(1)若发生故障的节点中存储的编码块为采用FR码进行编码得到的，当复制次数ρ＝2时，根据正则图，从存活节点下载j个不同的编码块，对上述编码块进行异或操作，即可恢复故障节点；当复制次数ρ≥3时，根据Fano平面，找到与该发生故障的节点中编码块相连的多个存活节点，并从这些存活节点直接下载发生故障的节点丢失的数据，即可修复该发生故障的节点。
(2)若发生故障的节点中存储的编码块为采用MDS码进行编码得到的，根据MDS码故障节点修复性质，从存活节点下载j+ε个不同编码块，对上述编码块进行MDS编码操作，即可修复发生故障的节点。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
1、采用基于FR码的局部性修复编码方法实现对原文件的存储，可以控制局部修复组内的节点数目和局部修复组内的存储数据量，从而保证了节点的存储开销。
2、当局部修复组中存在单节点和两节点故障时，都只需要通过局部修复组内有限的存活节点快速实现局部修复组内故障节点的数据重构，即可快速恢复出故障节点数据。
下面结合附图和实施例对本发明的方案做进一步详细地解释和说明。
附图说明
图1是FR码编码构造设计图；其中，(a)是根据FR码参数设计的正则图，(b)是根据(a)得到的排布矩阵，(c)是节点存储数据图；
图2是局部修复组内节点存储结构图；其中，(a)是分布式存储系统中的节点数目N能被6整除的节点存储结构图，(b)是分布式存储系统中的节点数目N不能被6整除的节点存储结构图；
图3是对应图1的局部修复组内节点故障时的修复示意图；其中，(a)是局部修复组内单个节点故障修复方案图；(b)是局部修复组内两个节点同时故障时修复方案图；(c)是局部修复组内三个节点同时故障时修复方案图。
具体实施方式
本发明提供一种基于部分重复码的局部性修复编码方法，该方法基于FR码的编码结构,用于将原文件B存储到节点中，包括以下步骤：
步骤1，将分布式存储系统的节点进行分组，得到多个局部修复组；分布式存储系统的节点的总数为N；具体分组方法如下：
若分布式存储系统的节点的总数N能够被FR码的编码结构所需节点数n整除，参见图2，即N＝tn，则得到t个局部修复组，每个局部修复组内的节点数为n；
若分布式存储系统的节点的总数N不能够被FR码的编码结构所需节点数n整除，即N＝tn+λ，则得到t个局部修复组，前t-1个局部修复组中每个局部修复组内的节点数为n，第t个局部修复组内的节点数为n+λ。
步骤2，若分布式存储系统的节点的总数N能够被FR码的编码结构所需节点数n整除，则将原文件B分成t个子文件，原文件B包括多个数据，子文件包括多个数据，每个子文件中的多个数据形成j个数据块，每个局部修复组包括一个子文件，对每个局部修复组内的子文件包括的j个数据块采用FR码进行编码，得到多个编码块；将该多个编码块存储到该局部修复组中的n个节点中；
若分布式存储系统的节点的总数N不能够被FR码的编码结构所需节点数n整除，则将原文件B分成t个子文件，前t-1个子文件中每个子文件包括j个数据块，最后一个子文件包括j+ε(1≤ε≤j-1)个数据块，每个局部修复组包括一个子文件，对前t-1个局部修复组中每个局部修复组内的子文件包括的j个数据块采用FR码进行编码，得到多个编码块，将该多个编码块存储到该局部修复组中的n个节点中；对最后一个局部修复组内的子文件包括的j+ε个数据块采用MDS码进行编码，得到多个编码块，将该多个编码块存储到最后一个局部修复组内的n+λ个节点中。
具体地，步骤2中的对每个局部修复组内的子文件包括的j个数据块采用FR码进行编码，得到多个编码块；将该多个编码块存储到该局部修复组中的n个节点中；具体包括以下步骤：
对j个数据块进行(i,j)RS编码，生成i个不同的编码块，将生成的i个不同的编码块复制ρ次，得到iρ个编码块；按照正则图(当ρ＝2时)或Fano平面(当ρ≥3时)得到的排布矩阵，将复制后的iρ个编码块存储在局部修复组内的n个节点中，每个节点存储d个编码块，即iρ＝nd，使得任意两个节点最多有一个共同编码块。
所述步骤2中的对前t-1个局部修复组中每个局部修复组内的子文件包括的j个数据块采用FR码进行编码，得到多个编码块，将该多个编码块存储到该局部修复组中的n个节点中；具体包括以下步骤：
对j个数据块进行(i,j)RS编码，生成i个不同的编码块，将生成的i个不同的编码块复制ρ次，得到iρ个编码块；按照正则图(当ρ＝2时)或Fano平面(当ρ≥3时)得到的排布矩阵，将复制后的iρ个编码块存储在局部修复组内的n个节点中，每个节点存储d个编码块，即iρ＝nd，使得任意两个节点最多有一个共同编码块。
所述步骤2中的对最后一个局部修复组内的子文件包括的j+ε个数据块采用MDS码进行编码，得到多个编码块，将该多个编码块存储到最后一个局部修复组内的n+λ个节点中，具体包括以下步骤：
对j+ε个数据块采用((λ+n)d,j+ε)MDS码编码方式进行编码，生成(λ+n)d个编码块，将这(λ+n)d个编码块存储在最后一个局部修复组内的n+λ个节点中，每个节点存储d个编码块。
本发明的另一个方面还提供一种节点故障修复方法，包括以下步骤：
按照上述基于部分重复码的局部性修复编码方法利用分布式存储系统中的节点对原文件B进行存储；
若分布式存储系统中的单个节点发生故障，则修复方法如下：
(1)若发生故障的节点中存储的编码块为采用FR码进行编码得到的，则通过正则图(当复制次数ρ＝2时)，如图3(a)，找到与该发生故障的节点相连的多个存活节点，或者通过Fano平面(当复制次数ρ≥3时)，找到与该发生故障的节点中编码块相连的多个存活节点，并从这些存活节点直接下载发生故障的节点丢失的数据，即可修复该发生故障的节点。上述过程不需要进行编码操作。
(2)若发生故障的节点中存储的编码块为采用MDS码进行编码得到的，则根据MDS码故障节点修复性质，从多个存活节点下载j+ε个不同的编码块，对这些编码块进行MDS编码操作，即可修复该发生故障的节点。
若分布式存储系统中的两个节点同时发生故障，且两个节点属于同一个局部修复组，则修复方法如下：
(1)若发生故障的节点中存储的编码块为采用FR码进行编码得到的，当复制次数ρ＝2时，根据正则图，从存活节点下载j个不同的编码块，对上述编码块进行异或操作，即可恢复故障节点；当复制次数ρ≥3时，根据Fano平面，找到与该发生故障的节点中编码块相连的多个存活节点，并从这些存活节点直接下载发生故障的节点丢失的数据，即可修复该发生故障的节点。
(2)若发生故障的节点中存储的编码块为采用MDS码进行编码得到的，根据MDS码故障节点修复性质，从存活节点下载j+ε个不同编码块，对上述编码块进行MDS编码操作即可修复故障节点。
实施例：
本实施例假定存储系统中有12个节点，在编码结构为6个节点的存储系统中构造FR码，则该存储系统中包含2个局部修复组，每个局部修复组内包含6个节点。在此分布式存储系统中，将原文件B分成2组，每组包含9个原始数据块，进行(12,9)RS编码得到12个编码块，将12个不同的编码数据块复制2次(即不同编码块的复制次数ρ＝2)，设计正则图如图1中的(a)所示，N1～N6是6个节点，d1～d12是12个不同的编码块，从图中可以看出每两个不同的节点最多有一个相同编码块；根据正则图得到节点存储数据块的排布矩阵如图1中的(b)，由排布矩阵得到节点存储数据图，如图1中的(c)，根据图1中的(c)设置每个节点存储的4个不同编码块，且局部修复组内任意两个不同节点最多有一个相同的数据块。
如图3所示，若节点N1发生故障，如图3中的(a)可以通过连接该局部修复组内的其它存活节点获取编码块d1，d6，d8和d12，无需进行编码操作即可快速恢复故障节点数据。
当局部修复组内两个节点同时故障时，如图3中的(b)所示，若节点N1，N2同时故障，通过存活节点N3，N4和N5获取9个不同的编码块，编码得到该局部修复组的原始数据子文件，从而快速恢复两个故障的节点。
该局部性修复组内最多可容忍三个节点同时发生故障，如图3中的(c)所示，节点N1，N2和N3同时发生故障时，通过存活节点N4，N5和N6获取9个不同的编码块，得到该局部修复组内原始数据子文件，从而快速恢复三个故障的节点。

Claims (4)

1.一种基于部分重复码的局部性修复编码方法，该方法基于FR码的编码结构,用于将原文件B存储到节点中，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将分布式存储系统的节点进行分组，得到多个局部修复组；分布式存储系统的节点总数为N；具体分组方法如下：
若分布式存储系统的节点的总数N能够被FR码的编码结构所需节点数n整除，即N＝tn，则得到t个局部修复组，每个局部修复组内的节点数为n；
若分布式存储系统的节点的总数N不能够被FR码的编码结构所需节点数n整除，即N＝tn+λ，则得到t个局部修复组，前t-1个局部修复组中每个局部修复组内的节点数为n，第t个局部修复组内的节点数为n+λ；
步骤2，若分布式存储系统的节点的总数N能够被FR码的编码结构所需节点数n整除，则将原文件B分成t个子文件，每个子文件包括j个数据块，每个局部修复组包括一个子文件，对每个局部修复组内的子文件包括的j个数据块采用FR码进行编码，得到多个编码块；将该多个编码块存储到该局部修复组中的n个节点中；
若分布式存储系统的节点的总数N不能够被FR码的编码结构所需节点数n整除，则将原文件B分成t个子文件，前t-1个子文件中每个子文件包括j个数据块，最后一个子文件包括j+ε(1≤ε≤j-1)个数据块，每个局部修复组包括一个子文件，对前t-1个局部修复组中每个局部修复组内的子文件包括的j个数据块采用FR码进行编码，得到多个编码块，将该多个编码块存储到该局部修复组中的n个节点中；对最后一个局部修复组内的子文件包括的j+ε个数据块采用MDS码进行编码，得到多个编码块，将该多个编码块存储到最后一个局部修复组内的n+λ个节点中。
2.如权利要求1所述的基于部分重复码的局部性修复编码方法，其特征在于，所述步骤2中的对每个局部修复组内的子文件包括的j个数据块采用FR码进行编码，得到多个编码块；将该多个编码块存储到该局部修复组中的n个节点中；具体包括以下步骤：
对j个数据块进行(i,j)RS编码，生成i个不同的编码块，将生成的i个不同的编码块复制ρ次，得到iρ个编码块；按照正则图(当ρ＝2时)或Fano平面(当ρ≥3时)得到的排布矩阵，将复制后的iρ个编码块存储在局部修复组内的n个节点中，每个节点存储d个编码块，即iρ＝nd。
3.如权利要求1所述的基于部分重复码的局部性修复编码方法，其特征在于，所述步骤2中的对前t-1个局部修复组中每个局部修复组内的子文件包括的j个数据块采用FR码进行编码，得到多个编码块，将该多个编码块存储到该局部修复组中的n个节点中；具体包括以下步骤：
对j个数据块进行(i,j)RS编码，生成i个不同的编码块，将生成的i个不同的编码块复制ρ次，得到iρ个编码块；按照正则图或Fano平面得到的排布矩阵，将复制后的iρ个编码块存储在局部修复组内的n个节点中，每个节点存储d个编码块，即iρ＝nd；
所述步骤2中的对最后一个局部修复组内的子文件包括的j+ε个数据块采用MDS码进行编码，得到多个编码块，将该多个编码块存储到最后一个局部修复组内的n+λ个节点中，具体包括以下步骤：
对j+ε个数据块采用((λ+n)d,j+ε)MDS码编码方式进行编码，生成(λ+n)d个编码块，将这(λ+n)d个编码块存储在最后一个局部修复组内的n+λ个节点中，每个节点存储d个编码块。
4.一种节点故障修复方法，其特征在于，包括以下步骤：
按照权利要求1-3中任一权利要求所述的基于部分重复码的局部性修复编码方法将原文件B存储到节点中；
若单个节点发生故障，则修复方法如下：
(1)若发生故障的节点中存储的编码块为采用FR码进行编码得到的，则通过正则图，找到与该发生故障的节点相连的多个存活节点，或者通过Fano平面找到与该发生故障的节点中编码块相连的多个存活节点，并从这些存活节点直接下载发生故障的节点丢失的数据，即可修复该发生故障的节点；
(2)若发生故障的节点中存储的编码块为采用MDS码进行编码得到的，则根据MDS码故障节点修复性质，从多个存活节点下载j+ε个不同的编码块，对这些编码块进行MDS编码操作，即可修复该发生故障的节点；
若两个节点同时发生故障，且两个节点属于同一个局部修复组，则修复方法如下：
(1)若发生故障的节点中存储的编码块为采用FR码进行编码得到的，当复制次数ρ＝2时，根据正则图，从存活节点下载j个不同的编码块，对上述编码块进行异或操作，即可恢复故障节点；当复制次数ρ≥3时，根据Fano平面，找到与该发生故障的节点中编码块相连的多个存活节点，并从这些存活节点直接下载发生故障的节点丢失的数据，即可修复该发生故障的节点。
(2)若发生故障的节点中存储的编码块为采用MDS码进行编码得到的，根据MDS码故障节点修复性质，从存活节点下载j+ε个不同编码块，对上述编码块进行MDS编码操作，即可修复发生故障的节点。
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