CN110611699B - 一种无线自组织的数据存储方法和数据存储系统 - Google Patents

一种无线自组织的数据存储方法和数据存储系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无线自组织的数据存储方法，数据存储系统中的存储节点基于无线自组织网络协议组网；存储节点分为多个组，每组有一个存储节点作为边际路由；组间通过边际路由进行通信；存储节点采集到一条数据后，存储在本地并备份至所在组的边际路由，还根据备份比例和负载均衡分散备份到本组其他存储节点以及其他组；所有存储节点存储全局数据分布状态；存储节点请求数据时，根据全局数据分布状态，按照距离从近到远的原则，先从组内获取所需数据，如果组内没有再从其他组获取数据；当有存储节点掉线时，选择剩余空间最大的存储节点进行数据恢复。使用本发明能够快速定位和获取移动自组织网络中的数据，可以应对可靠性低、频繁断接的恶劣情况。

Description

一种无线自组织的数据存储方法和数据存储系统
技术领域
本发明涉及数据存储领域，具体涉及一种无线自组织的数据存储方法和数据存储系统。
背景技术
随着信息技术的发展，数据库技术的应用也越来越广泛。但是在需要数据存储的军事行动、紧急救灾、野外探索、资源勘探与采集等场景下，传统数据库难以适应其快速部署、基础条件差、移动性强、访问位置随机、设备毁坏性高等特点的环境。
针对上述场景中传统数据库存在的问题，目前一种解决方案是基于移动嵌入式开发设备与无线自组织网络，实现移动环境下的无线自组织数据的存储。无线自组织数据存储系统中的每个存储设备具有网络传输模块，并在存储设备之间搭建无线网络，基于无线自组织网络协议，所有存储设备之间能通过无线网络进行通信；各存储设备除了存储自身采集的数据之外，还通过无线通信来交换数据，以备份数据。存储设备移动或者因破坏掉线后，可以随时无线自组织网络协议加入新设备。
虽然无线自组织数据存储系统具有诸多优点，如可移动性，去中心化，主动备份等，但是针对军事行动、紧急救灾、野外探索、资源勘探与采集等应用场景，如何应对可靠性低，频繁断接性等挑战仍是一个努力的方向；此外如何快速定位和获取移动自组织网络中的数据，目前通常使用分布式数据发现策略，比如洪泛法，但是开销太大，不适合带宽较小的网络。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种无线自组织的数据存储方法，能够快速定位和获取移动自组织网络中的数据，可以应对可靠性低、频繁断接的恶劣情况。
为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
一种无线自组织的数据存储方法，数据存储系统中的存储节点基于无线自组织网络协议组网；本发明特点是：
存储节点分为多个组，每组有一个存储节点作为边际路由；组间通过边际路由进行通信；
存储节点采集到一条数据后，存储在本地并备份至所在组的边际路由，还根据备份比例和负载均衡分散备份到本组其他存储节点以及其他组；所有存储节点存储全局数据分布状态；
存储节点请求数据时，根据全局数据分布状态，按照距离从近到远的原则，先从组内获取所需数据，如果组内没有再从其他组获取数据；
当有存储节点掉线时，选择剩余空间最大的存储节点进行数据恢复。
优选地，存储节点之间搭建无线adhoc网络进行通信。
优选地，所述还根据备份比例和负载均衡分散存储到本组其他存储节点以及其他组的操作具体为：
根据总组数MG和组备份率RG计算出一条数据需要备份到NG个组内；NG包括采集数据的存储节点所在的组；
根据数据存储网络中存储节点总数MN和节点备份率RN计算出一条数据需要备份到NN个存储节点内；
则NN除以NG得到一条数据在单个组内的备份量Num；
对于采集数据的存储节点，除了备份到组内边际路由，还需要根据负载均衡备份到组内的Num-1个存储节点上；
对于NG-1个备份组，需要根据负载均衡备份到组内的Num个存储节点上。
优选地，NG-1个备份组的确定方式为：获取数据存储网络中每个组的存储量，并进行排序，以存储量越大、备份概率越小为原则，按照概率选取备份组；
从组内选取用于备份数据的存储节点的方式为：获取组内存储节点的存储量，并进行排序，以存储量越大、备份概率越小为原则，按照概率选取备份节点。
优选地，备份节点和备份组的选择、进行数据恢复的存储节点的选择均由边际路由完成。
优选地，存储节点是否掉线由边际路由在监控组内存储节点状态时发现，或者由存储节点在请求数据时发现。
优选地，所述进行数据恢复为：
负责恢复数据的存储节点查找本地维护的全局数据分布状态，获知掉线节点所存储的所有数据备份在哪些存储节点上，向这些存储节点发送数据请求；备份有所需恢复数据的存储节点收到数据请求后响应，将所需恢复数据发送回来；负责恢复数据的存储节点对于返回的多条相同数据，存储响应最快的一条。
优选地，存储节点采集到一条数据后，对数据进行封装和编址，将第i条数据封装成datai＝(ID,IP_LIST,DATA)的形式，并编址成addri＝(ID,IP_LIST)的形式；其中，ID表示数据的唯一编号，IP_LIST表示存储此条数据的所有存储节点的IP列表，DATA表示一条需要存储的数据；采集到数据的存储节点将自身 IP存储到IP_LIST中；
将datai通过组播发送给选定的备份节点，并将addri在全网广播；每个存储节点存储所有数据的addri，形成全局数据地址列表；当存储节点备份了第i条数据后，将自身IP地址增加到IP_LIST中，并进行全网广播，各存储节点对全局数据地址列表进行更新。
优选地，根据存储节点所采集数据类型的不同，对存储节点进行分组；存储节点距离越近，分到一组的概率越高。
本发明还提供了一种无线自组织的数据存储系统，包括多个存储节点，存储节点基于无线自组织网络协议组网；其特征在于，存储节点分为多个组，每组有一个存储节点作为边际路由；组间通过边际路由进行通信；
设置采集数据处理模块、备份处理模块、数据请求模块、恢复处理模块和全局数据分布状态维护模块；
采集数据处理模块、数据请求模块和全局数据分布状态维护模块设置在每个存储节点，备份处理模块设置在每个存储节点或者设置在边际路由；恢复处理模块设置在边际路由；
采集数据处理模块，用于在采集到新数据后，存储在本地以及所在组的边际路由，同时通知备份处理模块进行备份处理；
全局数据分布状态维护模块，用于维护全局数据分布状态，即所有存储数据的存储位置；
备份处理模块，用于根据备份比例和负载均衡，将待备份数据分散备份到本组存储节点以及其他组；选取备份组以及备份节点时，以存储量越大、备份概率越小为原则，按照概率选取；
数据请求模块，用于在请求数据时，根据全局数据分布状态，按照距离从近到远的原则，先从组内获取所需数据，如果组内没有再从其他组获取数据；
恢复处理模块，用于当有存储节点掉线时，选择剩余空间最大的存储节点进行数据恢复。
有益效果：
(1)本发明将存储节点分组，每组选举一个边际路由，组间通过边际路由进行通信，从而减少了通信跳数，有利于提高数据存储、读取、备份和恢复的快速性。
(2)本发明对于采集的数据，全部备份到本地的边际路由，有利于就近从本组边际路由进行数据读取、数据恢复，读取效率高，恢复速度快。
(3)本发明不仅备份到本地的边际路由，还备份到组内的普通节点，当边际路由宕机时，可以快速从本组进行数据恢复，恢复速度快；进一步，数据还备份到其他组，即便一整组设备因暂时地区性故障全部宕机，也可以从组外获得恢复数据，确保数据的完整性。本发明的多级备份方案可以应对可靠性低、频繁断接的恶劣情况。
(4)进行数据备份时，按照存储量越大，备份可能性越小的原则，选取备份组/设备，而不是备份到存储量最小的设备上，从而更合理的实现负载均衡。
(5)在数据发现策略方面，每个存储节点维护全局数据分布状态，能够快速定位所需数据。恢复时，也能够全面、快速恢复。
(6)由于相同类型数据采集设备的设置地点比较相近，因此本发明优选实施例根据节点采集数据的类型进行分组，组内节点交互数据距离近，速度快，时效性强。
(7)本发明利用ad-hoc网络构建无线网络架构，将所有存储设备通过无线自组织网络连接起来，所有存储设备相互之间能够相互通信，提高设备通信时效。
附图说明
图1为本发明无线自组织的数据存储系统示意图。
图2为本发明实施例对一条数据的备份过程示意图。
图3为本发明边际路由和存储节点新增功能模块的示意图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种无线自组织的数据存储方案，如图1所示，数据存储系统中包括多个存储节点。本发明的存储节点自身具有数据采集功能，或者连接了数据采集设备。存储节点基于无线自组织网络协议组网，存储节点之间通过无线网络进行通信。优选地可以搭建无线adhoc网络进行通信。
下面按照节点分组、数据采集和备份、数据请求和数据恢复几个方面进行描述。
(1)节点分组
将存储节点分为多个组，每组有一个存储节点作为边际路由，参见图1。组内的存储节点通过全连接通信，或者通过边际路由通信；组间通过边际路由通信。每个存储节点既充当客户端角色也充当服务器角色，能够接收其他存储节点传输来的数据进行本地存储，也可以命令其他存储设备进行存储自己采集的数据。
本发明特别适用于军事行动、紧急救灾、野外探索、资源勘探与采集等场景，其特点是存储节点有功能或者说是采集和存储数据类型上的差异，例如有些节点采集和存储图像数据，有些节点采集和存储声波数据。采集和存储同一类数据的存储节点通常设置位置比较靠近，因此本发明优选实施例根据存储节点所采集数据类型的不同，对存储节点进行分组。存储节点距离越近，分到一组的概率越高。
在选择边际路由时，可以按照性能或者存储容量为标准进行选择。
(2)数据采集和备份
存储节点采集到一条数据后，对数据进行封装和编址，将第i条数据封装成datai＝(ID,IP_LIST,DATA)的形式，并编址成addri＝(ID,IP_LIST)的形式；其中， ID表示数据的唯一编号，IP_LIST表示存储此条数据的所有存储节点的IP列表， DATA表示一条需要存储的数据。
如图2所示，采集到数据的存储节点A，将数据i将封装成datai，同时将自身IP存储到IP_LIST中。存储节点A将datai存储到本地，同时还备份到三个地方，首先备份到所在组的边际路由，以便组内需要此条数据时可以更近得进行请求；其次是备份到本组内的几个普通存储节点，进一步地还备份到选定的其他组。节点A还将IP_LIST广播到网络中，由各节点存储，从而令所有存储节点存储全局数据分布状态。
在确定将数据i备份本组哪些普通存储节点，以及备份到哪些其他组时，是根据备份比例和负载均衡原则确定的，具体来说：
步骤1、根据总组数MG和组备份率RG计算出一条数据需要备份到NG个组内，NG包括采集数据的存储节点所在的组，NG＝MGRG。
步骤2、根据数据存储网络中的存储节点总数MN和节点备份率RN计算出一条数据需要备份到NN个存储节点内；NN＝MNRN。
步骤3、令NN除以NG，得到针对一条数据在单个组内的备份量Num。
步骤4、对于采集数据的存储节点A，除了备份到组内边际路由，还需要根据负载均衡原则分散备份到组内的另外Num-1个存储节点上；如果存储节点A 是边际路由，则其进行组内备份时，需要选择Num个存储节点。而对于备份数据的NG-1个组，需要根据负载均衡原则分散备份到组内的Num个存储节点上。
举个例子：网络中共有存储节点100个(MN＝100)，分为10个组(MG＝10)，组备份率RG＝40％，节点备份率RN＝20％，则需要将数据i备份到4个组上，总共备份到20个节点上。那么20除以4，得到每个组需要备份到5个节点上。那么对于节点A来说，其需要把采集到的数据i备份到自己组内，还需要找3个其他组进行备份。对于节点A所在的组，除了节点A存储数据i，边际路由存储数据i，还需要把数据i备份到组内其他4个节点上；对于3个备份组，每个备份组需要将数据i备份到组内的5个节点上(可以包括边际路由或者不包括)。
本发明中，根据负载均衡原则从组内选取用于备份节点的方式为：获取节点 A所在组内的其他非边际路由节点(不包括边际路由)的存储量，并进行排序，以存储量越大、备份概率越小为原则，按照概率选取备份节点。例如节点P的选取概率＝节点P的剩余容量/组内所有节点的总容量。假设节点P1的剩余容量为 100M，节点P2剩余容量为90M，组内一共包括P1和P2两个节点，则选取节点P1的概率为100/190。
同理，选取NG-1备份组时，获取数据存储网络中每个组(节点A所在组除外)的存储量，并进行排序，以存储量越大、备份概率越小为原则，按照概率选取备份组。选定备份组后，在组内选取备份节点时，获取组内每个存储节点(包括边际路由)的存储量，并进行排序，以存储量越大、备份概率越小为原则，按照概率选取备份节点。
优选地，上述备份节点和备份组的选择由边际路由完成。其优势在于，边际路由可以选用性能更好的设备进行负载均衡的计算，一方面保证计算速度，另一方面可以降低其他设备的成本。
确定了组内和组外的备份节点后，将需要备份的datai进行组播发送，同时将addri在全网广播，每个存储节点存储所有数据的addri，形成全局数据地址列表。当存储节点接收并备份了datai后，将自身IP地址增加到IP_LIST中，并进行全网广播，各存储节点对全局数据地址列表进行更新。
(3)数据请求
当存储节点请求数据时，根据全局数据分布状态，按照距离从近到远的原则，先从组内获取所需数据，如果组内没有再从其他组获取数据，存储最快响应的组外数据。正常情况下，边际路由备份了组内所有节点数据，因此数据请求节点可以快速从边际路由中获取所需数据。
(4)数据恢复
边际路由会监控组内存储节点状态，当发现有节点掉线时，边际路由启动数据恢复。或者，当某个节点请求数据发现没有响应时，也可判断节点掉线，告知边际路由，此时边际路由启动数据恢复。
本发明当有存储节点掉线时，选择剩余空间最大的存储节点B进行数据恢复，具体为：
负责恢复数据的存储节点B查找本地维护的全局数据分布状态，获知掉线节点所存储的所有数据备份在哪些存储节点上，则向这些存储节点广播数据请求。对于一条存储在掉线设备上的数据dataC来说，获取此条数据dataC的 IP_LIST；如果IP_LIST出了掉线设备还有其他节点，且节点B自己没有备份过这条数据，则向IP_LIST中的所有设备进行请求。备份此条数据的存储节点收到请求后响应，把此条数据发送回来，进行数据恢复的存储节点收到响应数据后首先判断本地数据库是否已经存储此条数据，若没有存储，则把此条数据加入到数据库中。
由于边际路由备份了组内所有数据，因此一般来说，存储节点B可以从各组的边际路由中获取所有恢复数据；有些数据甚至备份在节点B 组内，因此可以更快的获得响应。
基于上述数据存储方法，本发明还提供了一种无线自组织的数据存储系统，如图3所示，其包括多个存储节点，存储节点基于无线自组织网络协议组网，所有存储节点之间通过无线网络进行通信；优选地，存储节点之间搭建无线adhoc网络进行通信。本发明中存储节点分为多个组，每组有一个存储节点作为边际路由；组间通过边际路由进行通信。
设置采集数据处理模块301、备份处理模块302、数据请求模块303、恢复处理模块304和全局数据分布状态维护模块305。
采集数据处理模块301、数据请求模块303和全局数据分布状态维护模块 305设置在每个存储节点内；备份处理模块302设置在每个存储节点或者仅设置在边际路由(图3设置在边际路由)，设置在哪个节点就由哪个节点负责备份节点的计算。恢复处理模块304设置在边际路由。
采集数据处理模块301，用于在采集到新数据后，存储在本地以及所在组的边际路由，同时通知备份处理模块进行备份处理。对新数据进行封装、编址的方式上文已经详细描述。
全局数据分布状态维护模块305，用于维护所有存储数据的存储位置。当接收到其他节点的备份数据时，将所在节点的IP地址增加到IP_LIST中，广播给所有其他节点。
备份处理模块302，用于根据备份比例和负载均衡，将待备份数据分散备份到本组存储节点以及其他组内；选取备份组以及备份节点时，按照存储量越大，备份概率越小的原则，按照概率选取。其中，选取备份组和备份节点的方式上文已经详细描述。
数据请求模块303，用于在请求数据时，根据全局数据分布状态，按照距离从近到远的原则，先从组内获取所需数据，如果组内没有再从其他组获取数据，存储最快响应的组外数据。之后接收到的数据不重复存储。
恢复处理模块304，用于当有存储节点掉线时，选择剩余空间最大的存储节点进行数据恢复。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种无线自组织的数据存储方法，数据存储系统中的存储节点基于无线自组织网络协议组网；其特征在于，存储节点分为多个组，每组有一个存储节点作为边际路由；组间通过边际路由进行通信；
存储节点采集到一条数据后，存储在本地并备份至所在组的边际路由，还根据备份比例和负载均衡分散备份到本组其他存储节点以及其他组；所有存储节点存储全局数据分布状态；
存储节点请求数据时，根据全局数据分布状态，按照距离从近到远的原则，先从组内获取所需数据，如果组内没有再从其他组获取数据；
当有存储节点掉线时，选择剩余空间最大的存储节点进行数据恢复；
所述根据备份比例和负载均衡分散存储到本组其他存储节点以及其他组的操作具体为：
根据总组数MG和组备份率RG计算出一条数据需要备份到NG个组内；NG包括采集数据的存储节点所在的组；
根据数据存储网络中存储节点总数MN和节点备份率RN计算出一条数据需要备份到NN个存储节点内；
则NN除以NG得到一条数据在单个组内的备份量Num；
对于采集数据的存储节点，除了备份到组内边际路由，还需要根据负载均衡备份到组内的Num-1个存储节点上；
对于NG-1个备份组，需要根据负载均衡备份到组内的Num个存储节点上。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，存储节点之间搭建无线adhoc网络进行通信。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，NG-1个备份组的确定方式为：获取数据存储网络中每个组的存储量，并进行排序，以存储量越大、备份概率越小为原则，按照概率选取备份组；
从组内选取用于备份数据的存储节点的方式为：获取组内存储节点的存储量，并进行排序，以存储量越大、备份概率越小为原则，按照概率选取备份节点。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，备份节点和备份组的选择、进行数据恢复的存储节点的选择均由边际路由完成。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，存储节点是否掉线由边际路由在监控组内存储节点状态时发现，或者由存储节点在请求数据时发现。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述进行数据恢复为：
负责恢复数据的存储节点查找本地维护的全局数据分布状态，获知掉线节点所存储的所有数据备份在哪些存储节点上，向这些存储节点发送数据请求；备份有所需恢复数据的存储节点收到数据请求后响应，将所需恢复数据发送回来；负责恢复数据的存储节点对于返回的多条相同数据，存储响应最快的一条。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，存储节点采集到一条数据后，对数据进行封装和编址，将第i条数据封装成datai＝(ID,IP_LIST,DATA)的形式，并编址成addri＝(ID,IP_LIST)的形式；其中，ID表示数据的唯一编号，IP_LIST表示存储此条数据的所有存储节点的IP列表，DATA表示一条需要存储的数据；采集到数据的存储节点将自身IP存储到IP_LIST中；
将datai通过组播发送给选定的备份节点，并将addri在全网广播；每个存储节点存储所有数据的addri，形成全局数据地址列表；当存储节点备份了第i条数据后，将自身IP地址增加到IP_LIST中，并进行全网广播，各存储节点对全局数据地址列表进行更新。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据存储节点所采集数据类型的不同，对存储节点进行分组；存储节点距离越近，分到一组的概率越高。
9.一种无线自组织的数据存储系统，其特征在于，包括多个存储节点，存储节点基于无线自组织网络协议组网；其特征在于，存储节点分为多个组，每组有一个存储节点作为边际路由；组间通过边际路由进行通信；
设置采集数据处理模块、备份处理模块、数据请求模块、恢复处理模块和全局数据分布状态维护模块；
采集数据处理模块、数据请求模块和全局数据分布状态维护模块设置在每个存储节点，备份处理模块设置在每个存储节点或者设置在边际路由；恢复处理模块设置在边际路由；
采集数据处理模块，用于在采集到新数据后，存储在本地以及所在组的边际路由，同时通知备份处理模块进行备份处理；
全局数据分布状态维护模块，用于维护全局数据分布状态，即所有存储数据的存储位置；
备份处理模块，用于根据备份比例和负载均衡，将待备份数据分散备份到本组存储节点以及其他组；选取备份组以及备份节点时，以存储量越大、备份概率越小为原则，按照概率选取；
数据请求模块，用于在请求数据时，根据全局数据分布状态，按照距离从近到远的原则，先从组内获取所需数据，如果组内没有再从其他组获取数据；
恢复处理模块，用于当有存储节点掉线时，选择剩余空间最大的存储节点进行数据恢复；
所述根据备份比例和负载均衡分散存储到本组其他存储节点以及其他组的操作具体为：
根据总组数MG和组备份率RG计算出一条数据需要备份到NG个组内；NG包括采集数据的存储节点所在的组；
根据数据存储网络中存储节点总数MN和节点备份率RN计算出一条数据需要备份到NN个存储节点内；
则NN除以NG得到一条数据在单个组内的备份量Num；
对于采集数据的存储节点，除了备份到组内边际路由，还需要根据负载均衡备份到组内的Num-1个存储节点上；
对于NG-1个备份组，需要根据负载均衡备份到组内的Num个存储节点上。
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