CN112181707B - 分布式存储数据恢复调度方法、系统、设备及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分布式存储数据恢复调度方法、系统、设备及存储介质。所述方法包括:选取校验块和数据块构建求逆矩阵作为参考阵,对参考阵的行按顺序标号,并记录地址;计算参考阵逆矩阵,对参考阵逆矩阵的列按顺序标号;输入待调度求逆矩阵,将待调度求逆矩阵与参考阵的元素进行匹配,对元素相同的行定义相同的标号,并记录新的地址;根据相同标号的参考阵行地址和待调度求逆矩阵行地址的相对变化,对应调度参考阵逆矩阵的列元素,得到所输入待调度求逆矩阵调度后的逆矩阵,用于进行分布式存储数据恢复。本发明可以实现在同一种错误情况下,基于任意参考阵,进行简单的参考阵元素调度,提高不同的读盘顺序下纠删电路解码的速度和效率。
Description
技术领域
本发明数据存储领域,具体涉及一种分布式存储数据恢复调度方法、系统、设备及存储介质。
背景技术
面对海量数据的存储要求,分布式存储以其成本低廉、可扩展性好等优势逐渐取代了统一存储的主导地位,在理论研究和实际应用方面得到了越来越多的关注。但是,分布式存储的可靠性不足,一方面,分布式存储系统多以廉价的磁盘作为存储节点,每个存储节点的可靠性往往不高,另一方面,一个分布式存储系统通常包含很多的节点,由于软硬件故障、人为失误等原因,系统常常发生节点失效的情况。为了提高分布式存储系统的数据可靠性,保证数据收集节点能以很高的概率实现原始文件的重构,需要在存储原始数据的基础上,额外存储一定数量的冗余,使得在出现部分节点失效的情况下,系统仍然可以正常运行,数据收集节点仍然可以对原始文件实现解码恢复。同时,为了维持系统的可靠性,需要对失效的节点及时进行修复,因此,设计一个良好的节点修复机制十分重要。
纠删码(Erasure Code)属于编码理论中的一种前向纠错技术,最早应用于通信领域以解决数据传输中的丢失与损耗这类问题。由于纠删码技术在防止数据丢失时取得了较好的效果,因此被引入存储领域。纠删码可以在保证相同可靠性的前提下有效地降低存储开销,因此纠删码技术被广泛地应用于各大存储系统以及数据中心,例如微软的Azure、Facebook的F4等。
纠删码的种类众多,在实际存储系统中较常见的有应用在分布式环境下的RS码(Reed-Solomon Code,里德所罗门码)。RS码与两个参数k和r相关,给定两个正整数k和r,RS码将k个数据块编码为r个额外的校验块。例如,当r个校验块基于范德蒙矩阵或柯西矩阵进行编码时,就称为利用范德蒙矩阵或柯西矩阵编码的RS纠删码,利用范德蒙矩阵的RS纠删码如公式(1)所示,利用柯西矩阵编码的RS纠删码如公式(2)所示。
其中,上部分的k*k矩阵对应k个原始数据块,下部分的r*k矩阵对应编码矩阵,通过与原始数据D1到Dk相乘,得到新添加的P1到Pr就是编码所得到的r个校验数据。当其中任意数据(最多r个)在传输中出错或丢失,需要纠错时,即用剩余数据对应矩阵的逆矩阵与数据相乘,即可得到原始数据块D1到Dk。
纠删码的核心概念是构建一个可逆的编码矩阵用以产生校验数据,其逆矩阵可经过计算恢复原始数据。RS纠删码使用可逆编码矩阵,常见的RS纠删码使用的是上面介绍的柯西矩阵或范德蒙矩阵,其优势是所得到的矩阵一定可逆,其任意子矩阵也可逆,并且矩阵的大小扩充简单。
常见的RS纠删码逆矩阵的计算采用的是高斯消元法,这是一种通用解法,适用于任何可逆矩阵的求逆运算。但缺点在于其没有针对矩阵编码的特性进行优化,因此虽然计算规律化,却会引入大量冗余运算。尤其是在分布式存储场景下恢复数据时,对于相同错误码块,使用高斯消元法虽然行列元素相同,但只要硬件读取数据的顺序发生了变化,就需要重新计算逆矩阵,会造成巨大的资源损耗。
发明内容
为了解决上述技术问题,本发明提出了一种分布式存储数据恢复调度方法、系统、设备及存储介质,在同一种错误情况下,提高了不同的读盘顺序下纠删电路解码的速度和效率。
为实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
一种分布式存储数据恢复调度方法,包括:
选取校验块和数据块构建求逆矩阵作为参考阵,对参考阵的行按顺序标号,并记录地址;
计算参考阵逆矩阵,对参考阵逆矩阵的列按顺序标号;
输入待调度求逆矩阵,将待调度求逆矩阵与参考阵的元素进行匹配,对元素相同的行定义相同的标号,并记录新的地址;
根据相同标号的参考阵行地址和待调度求逆矩阵行地址的相对变化,对应调度参考阵逆矩阵的列元素,得到所输入待调度求逆矩阵调度后的逆矩阵,用于进行分布式存储数据恢复。
进一步地,所述参考阵为经过高斯约旦行列置换后的RS纠删码矩阵。
进一步地,所述计算参考阵逆矩阵具体为:按照标准的高斯消元法进行矩阵求逆。
进一步地,所述参考阵的行包括单位阵的行和校验阵的行,单位阵的行根据行元素中1所在的列位置x命名为Rx,校验阵的行按顺序命名为Pr。
进一步地,所述将待调度求逆矩阵与参考阵的元素进行匹配具体为:
判断行元素只有1和0的行,根据行元素中1所在的列位置x命名为Rx;
对其余行按照编码矩阵关系判断所属的校验阵的行,命名为Pr。
本发明还提出了一种分布式存储数据恢复调度系统,包括:
参考阵生成模块,用于选取校验块和数据块构建求逆矩阵作为参考阵,对参考阵的行按顺序标号,并记录地址;
参考阵逆矩阵生成模块,用于计算参考阵逆矩阵,对参考阵逆矩阵的列按顺序标号;
待调度求逆矩阵输入模块,用于输入待调度求逆矩阵,将待调度求逆矩阵与参考阵的元素进行匹配,对元素相同的行定义相同的标号,并记录新的地址;
逆矩阵调度模块,用于根据相同标号的参考阵行地址和待调度求逆矩阵行地址的相对变化,对应调度参考阵逆矩阵的列元素,得到所输入待调度求逆矩阵调度后的逆矩阵,用于进行分布式存储数据恢复。
本发明还提出了一种分布式存储数据恢复调度设备,包括:
存储器,用于存储计算机程序;
处理器,用于执行所述计算机程序时实现如上所述分布式存储数据恢复调度方法的步骤。
本发明还提出了一种存储介质,所述存储介质上存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述分布式存储数据恢复调度方法的步骤。
本发明的有益效果是:
本发明通过提出一种分布式存储数据恢复调度方法、系统、设备及存储介质,在分布式存储场景下,针对RS纠删码面向高斯消元法求逆的操作方式和硬件处理的软硬件区别,设计了一种针对硬件调度的算法,基于任意一个参考阵,皆可通过硬件的数据调度得到同元素关系的逆矩阵,实现纠删运算的数据恢复。可以实现在同一种错误情况下,基于任意参考阵,进行简单的参考阵元素调度,代替冗余的高斯消元求逆运算,实现纠删电路解码的速度和效率提升。相比于传统的高斯消元法省略大部分运算,降低运算复杂度,提高运算速度和并行度,算法模式易于复用,适用于硬件电路的实现。
本发明提出的分类调度方法针对硬件的操作方式进行优化,而实际的硬件电路设计可能会有不同的地址存储和调度最小单元,本方法针对不同的调度最小单元可以进行不同的分类,亦可以基于不同的地址存储方式进行相应的匹配,在核心调度算法思想相同的前提下,能够满足不同的调度需求,得到正确的逆矩阵进行纠删数据块的恢复。
附图说明
图1是本发明实施例分布式存储数据恢复调度方法流程示意图;
图2是本发明实施例分布式存储数据恢复调度系统结构示意图。
具体实施方式
为能清楚说明本方案的技术特点,下面通过具体实施方式,并结合其附图,对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开,下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外,本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的,其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意,在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。
对于具有k个数据块和r个校验行的分布式存储数据,RS码支持的纠删最多恢复的是错误r个数据块的情况,对于任意小于等于r个错误码块的情况下,都有Ck r′≤r种正确数据块与错误数据块以进行纠删数据恢复求逆运算的组合。
如图1所示,本发明实施例公开了一种分布式存储数据恢复调度方法,包括:
选取校验块和数据块构建求逆矩阵作为参考阵,对参考阵的行按顺序标号,并记录地址;
计算参考阵逆矩阵,对参考阵逆矩阵的列按顺序标号;
输入待调度求逆矩阵,将待调度求逆矩阵与参考阵的元素进行匹配,对元素相同的行定义相同的标号,并记录新的地址;
根据相同标号的参考阵行地址和待调度求逆矩阵行地址的相对变化,对应调度参考阵逆矩阵的列元素,得到所输入待调度求逆矩阵调度后的逆矩阵,用于进行分布式存储数据恢复。
以校验块数量r=2、数据块数量k=4为例,对所述分布式存储数据恢复调度方法的具体实现方式说明如下:
选取校验块和数据块构建求逆矩阵作为参考阵,所述参考阵可选取为经过高斯约旦行列置换后的RS纠删码矩阵,对参考阵的行进行分类,所述参考阵的行包括单位阵的行和校验阵的行,单位阵的行根据行元素中1所在的列位置x命名为Rx,校验阵的行按顺序命名为Pr。如公式(3)所示,参考阵的行按顺序标号命名为:R1、P1、R3、P2,其对应地址记录为1、2、3、4。
按照标准的高斯消元法进行矩阵求逆,得到公式(4)所示的参考阵逆矩阵H0。其列按照顺序,标号为C1、C2、C3、C4,对应地址记录为1、2、3、4。
输入待调度求逆矩阵(5),并采用同样的定义方式对其元素进行匹配,首先判断行元素只有1和0的行,根据行元素中1所在的列位置x命名为Rx;
对其余行按照编码矩阵关系判断所属的校验阵的行,命名为Pr。本例中待调度求逆矩阵中标号命名为:R1、P1、R3、P2的行所对应地址分别为4、1、3、2。
基于上述地址变化,参考阵逆矩阵H0的列元素地址相对进行调度变化,得到公式(6)所示的调度后C1、C2、C3、C4的地址相应变为4、1、3、2的逆矩阵Hx,用于进行分布式存储数据恢复。
如图2所示,本发明还提出了一种分布式存储数据恢复调度系统,包括:
参考阵生成模块,用于选取校验块和数据块构建求逆矩阵作为参考阵,对参考阵的行按顺序标号,并记录地址;
参考阵逆矩阵生成模块,用于计算参考阵逆矩阵,对参考阵逆矩阵的列按顺序标号;
待调度求逆矩阵输入模块,用于输入待调度求逆矩阵,将待调度求逆矩阵与参考阵的元素进行匹配,对元素相同的行定义相同的标号,并记录新的地址;
逆矩阵调度模块,用于根据相同标号的参考阵行地址和待调度求逆矩阵行地址的相对变化,对应调度参考阵逆矩阵的列元素,得到所输入待调度求逆矩阵调度后的逆矩阵,用于进行分布式存储数据恢复。
本发明还提出了一种分布式存储数据恢复调度设备,包括:
存储器,用于存储计算机程序;
处理器,用于执行所述计算机程序时实现如上所述分布式存储数据恢复调度方法的步骤。
本发明还提出了一种存储介质,所述存储介质上存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述分布式存储数据恢复调度方法的步骤。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述,但并非对本发明保护范围的限制。对于所属领域的技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的修改或变形。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。在本发明的技术方案的基础上,本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (4)
1.一种分布式存储数据恢复调度方法,其特征在于,包括:
选取校验块和数据块构建求逆矩阵作为参考阵,对参考阵的行按顺序标号,并记录地址;
所述参考阵为经过高斯约旦行列置换后的RS纠删码矩阵;
所述参考阵的行包括单位阵的行和校验阵的行,单位阵的行根据行元素中1所在的列位置x命名为Rx,校验阵的行按顺序命名为Pr;
计算参考阵逆矩阵,对参考阵逆矩阵的列按顺序标号;
所述计算参考阵逆矩阵具体为:按照标准的高斯消元法进行矩阵求逆;
输入待调度求逆矩阵,将待调度求逆矩阵与参考阵的元素进行匹配,对元素相同的行定义相同的标号,并记录新的地址;
所述将待调度求逆矩阵与参考阵的元素进行匹配具体为:
判断行元素只有1和0的行,根据行元素中1所在的列位置x命名为Rx;
对其余行按照编码矩阵关系判断所属的校验阵的行,命名为Pr;
根据相同标号的参考阵行地址和待调度求逆矩阵行地址的相对变化,对应调度参考阵逆矩阵的列元素,得到待调度求逆矩阵的逆矩阵,用于进行分布式存储数据恢复。
2.一种分布式存储数据恢复调度系统,其特征在于,包括:
参考阵生成模块,用于选取校验块和数据块构建求逆矩阵作为参考阵,对参考阵的行按顺序标号,并记录地址;
所述参考阵为经过高斯约旦行列置换后的RS纠删码矩阵;
所述参考阵的行包括单位阵的行和校验阵的行,单位阵的行根据行元素中1所在的列位置x命名为Rx,校验阵的行按顺序命名为Pr;
参考阵逆矩阵生成模块,用于计算参考阵逆矩阵,对参考阵逆矩阵的列按顺序标号;
所述计算参考阵逆矩阵具体为:按照标准的高斯消元法进行矩阵求逆;
待调度求逆矩阵输入模块,用于输入待调度求逆矩阵,将待调度求逆矩阵与参考阵的元素进行匹配,对元素相同的行定义相同的标号,并记录新的地址;
所述将待调度求逆矩阵与参考阵的元素进行匹配具体为:
判断行元素只有1和0的行,根据行元素中1所在的列位置x命名为Rx;
对其余行按照编码矩阵关系判断所属的校验阵的行,命名为Pr;
逆矩阵调度模块,用于根据相同标号的参考阵行地址和待调度求逆矩阵行地址的相对变化,对应调度参考阵逆矩阵的列元素,得到待调度求逆矩阵的逆矩阵,用于进行分布式存储数据恢复。
3.一种分布式存储数据恢复调度设备,其特征在于,包括:
存储器,用于存储计算机程序;
处理器,用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1所述分布式存储数据恢复调度方法的步骤。
4.一种存储介质,其特征在于,所述存储介质上存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1所述分布式存储数据恢复调度方法的步骤。
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