CN112214460A - 基于分布式大容量分片高性能的存储控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于分布式大容量分片高性能的存储控制方法，包括配置管理器、分片路由控制器、缓存存储控制器、缓存存储回收控制器、缓存检索控制器。本发明避免分布式存储系统出现大value存储情况，利用算法实现智能可控的划分原始数据集；存储内容规模变大的时候，通过分片算法实现动态适应；当某个节点故障的时候，能否将该节点上的任务均衡的分摊到其他节点；解决原始数据的特征值分布不均匀，导致大量的数据集中到一个物理节点上；提升性能和并发，读写操作被分发到不同的分片，相互独立；提升系统的可用性，即使部分分片不能用，其他分片不会受到影响；实现不同场景的复杂大对象高速检索和复杂计算，支持时间滑动窗口提取查询数据。
Description
技术领域
本发明涉及计算机软件应用技术领域，特别涉及一种基于分布式大容量分片高性能的存储控制方法。
背景技术
在现有技术中，分布式系统，尤其是分布式存储系统，需要解决的最主要的问题有数据分片和数据冗余，而在K/V存储结构下的分布式存储系统很棘手的问题是如何实现大Value内容存储和检索的高性能实现。在使用缓存集群的时候，最怕的就是热key、大value这两种情况。热key即为缓存集群中的某个key瞬间被数万甚至十万的并发请求同时集中访问。常见的分布式缓存系统出现大value的场景如：1、热门话题下评论、答案排序场景；2、大V的粉丝列表；3、使用不恰当，或者对业务预估不准确、不及时进行处理垃圾数据等；4、支付系统中出现大商户，需要统计一段时间内大商户下账户、交易等信息，这些账户和交易可能出现数百万记录数；5、统计某个热点IP下所有个人手机号等信息；很多时效性要求极高的系统需要在极短时间能计算出特定场景下的指标数据，而这些指标数据正如上面的场景需要存储在缓存系统中，而且内容巨大。某个key对应的value可能有GB级的大小，如果进行查询value会导致网络相关的故障问题，而很多分布式存储架构都是NIO实现的单线程模型，这样主要出现大value查询的情况都可能会导致整个集群查询出现卡顿，集群模式在slot分片均匀情况下，会出现数据和查询倾斜情况，部分有大value的节点会出现占用内存多及QPS高等问题。大key相关的删除或者自动过期时，会出现qps突降或者突升的情况，极端情况下，会造成主从复制异常，服务阻塞无法响应请求。出现大量慢查询的情况，严重的排队拥堵会造成部分节点的CUP密集和网络IO密集计算负载过高，从而导致整个缓存系统的瘫痪，对于使用到该缓存系统的业务造成严重的影响。基于这个背景，为了保障分布式存储系统及检索的高可用性及安全性，解决和避免出现大内容存储及检索的问题变得刻不容缓，而合理的数据分片(segment，fragment，shard，partition)存储和检索计算将能很好的解决这一问题，大内容数据分片技术按照一定的规则，将数据根据路由拆分算法分成相互独立、正交的数据子集，然后将数据子集分布到不同的节点上，从而实现基于分布式大容量分片高性能的存储及检索。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种基于分布式大容量分片高性能的存储控制方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：
本发明一种基于分布式大容量分片高性能的存储控制方法，包括配置管理器、分片路由控制器、缓存存储控制器、缓存存储回收控制器、缓存检索控制器，存储结构主要分为二级结构，一级结构使用set数据结构，key为一级key为业务元数据存储唯一ID，value为分配路径地址索引，二级结构为分片存储结构，使用的是ZSet结构，key为分片地址，score为存储时的时间戳，value为元数据数据内容，配置管理器、分片路由控制器、缓存存储控制器、缓存存储回收控制器、缓存检索控制器功能如下所示：
(1)存储配置管理器：主要用于负责分片路由配置管理、分片策略配置管理、一二级key配置策略配置管理，配置信息包括缓存集群选项、一级key名称、二级key、一级key缓存时间、二级key缓存时间、limitSize元素总量、shardingSize数据每片大小、sends数据存放时间关键信息；
(2)分片路由控制器：主要用于大内容对象进行存储、检索时实现亚秒级的响应，进行存储位置的生成和查找，分片路由控制器提前存储配置管理器重点配置信息到本地内存，亚秒级的判定是否为新的一级key及所属的存储集群，如果是判定一级key为新key则会主动生成set结构单元，原始key为一级key，并根据内容大小按并利用分片大小核心参数进行计算生成一级set的value，value格式为：一级key_分片编号；如果一级key已经存在则直接查询出value，根据存储内容、已有分片、分片上线核心参数利用分片算法计算是否需要开发新的分片空间；如果是检索则直接更加检索的时间窗口、检索key，得出对应的一级key、一级value，根据一级value集合即为二姐key，进步根据时间滑块得出二级score集合；
(3)存储存储控制器：新增存储业务参数校验，一级key值校验为空驳回，二级hashFeildKey值校验为空驳回，limitSize、splitSize、sends值校验；二级分片splitKey计算，利用路由表计算出本次数据该放入的分片splitKey,在生成分片splitKey时候会计算路由表大小，如果大小超过限制会做一次清理计算；
(4)缓存存储回收控制器：首先进行参数校验根据一级key查询二级key记录，若记录为空则初始化默认值；第二路由表过大，做一次清理判断条件，满足则路由表排序，对路由表中的分片key做迭代，如果数据过期则在路由表中删除该分片key；第三对路由表种的分片key做迭代，如果数据过期则在路由表中删除该二级分片key，第四重置一级key过期、二级hash中添加元数据、设置二级key过期；
(5)缓存检索控制器：服务请求输入提交检索的key、滑动检索的滑动时间窗口，由分片路由控制器得出对应的一级key、一级value，根据一级value集合即为二级key，进步根据时间滑块得出二级score集合，根据key1/key2及滑块时间窗口区间，检索控制器快速计算存储二级key对应的存储分片位置，根据key2及分片位置集合，从指定的集群中并发取出分片内容，通过应用在内存中进行组装成完成内容对象进行反馈服务请求。
本发明可以弥补现有技术对分布式缓存在高并发和低耗时的高性能的不足，该控制方法提供一种基于分布式高性能缓存，该方法具有以下优点和效果：
(1)避免分布式存储系统出现大value存储情况，利用算法实现智能可控的划分原始数据集；
(2)存储内容规模变大的时候，通过分片算法实现动态适应；
(3)当某个节点故障的时候，能否将该节点上的任务均衡的分摊到其他节点；
(4)解决原始数据的特征值分布不均匀，导致大量的数据集中到一个物理节点上；
(5)提升性能和并发，读写操作被分发到不同的分片，相互独立；提升系统的可用性，即使部分分片不能用，其他分片不会受到影响；
(6)实现不同场景的复杂大对象高速检索和复杂计算，支持时间滑动窗口提取查询数据。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明的路由分片架构图；
图2是基于分布式大容量高性能的缓存存储及检索控制方法整体架构图；
图3是基于分布式大容量分片高性能的存储控制方法流程图；
图4是基于分布式大容量分片高性能的检索控制方法流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1-4所示，本发明提供一种基于分布式大容量分片高性能的存储控制方法，包括存储配置管理器、分片路由控制器、缓存存储控制器、缓存存储回收控制器、缓存检索控制器，存储结构主要分为二级结构，一级结构使用set数据结构，key为一级key为业务元数据存储唯一ID，value为分配路径地址索引(主要存放分片路径地址信息，即为二级结构的key,下文简称二级key)。二级结构为分片存储结构，使用的是ZSet结构，key为分片地址，score为存储时的时间戳，value为元数据数据内容，具体的结构如图一。
(1)存储配置管理器：主要用于负责分片路由配置管理、分片策略配置管理、一二级key配置策略配置管理。配置信息包括缓存集群选项、一级key名称(用以计算清理路由set)、二级key、一级key缓存时间、二级key缓存时间、limitSize元素总量、shardingSize数据每片大小[推荐设置为1000]、sends数据存放时间等关键信息。
(2)分片路由控制器：主要用于大内容对象进行存储、检索时实现亚秒级的响应，进行存储位置的生成和查找。分片路由控制器提前存储配置管理器重点配置信息到本地内存，亚秒级的判定是否为新的一级key及所属的存储集群。如果是判定一级key为新key则会主动生成set结构单元，原始key为一级key，并根据内容大小按并利用分片大小等核心参数进行计算生成一级set的value，value格式为：一级key_分片编号；如果一级key已经存在则直接查询出value，根据存储内容、已有分片、分片上线等核心参数利用分片算法计算是否需要开发新的分片空间；如果是检索则直接更加检索的时间窗口、检索key，得出对应的一级key、一级value，根据一级value集合即为二姐key，进步根据时间滑块得出二级score集合(具体的接口可以参考图一：路由分片架构)。
(3)存储存储控制器：新增存储业务参数校验，一级key值校验为空驳回，二级hashFeildKey值校验为空驳回，limitSize、splitSize、sends值校验(满足sends<1||shardingSize<1||limitSize<shardingSize条件则驳回)；二级分片splitKey计算，利用路由表计算出本次数据该放入的分片splitKey,在生成分片splitKey时候会计算路由表大小，如果大小超过限制会做一次清理计算。
(4)缓存存储回收控制器：首先进行参数校验根据一级key查询二级key记录，若记录为空则初始化默认值；第二路由表过大，做一次清理判断条件(是否满足keysSize>limitSize/shardingSize)，满足则路由表排序(正序)，对路由表中的分片key做迭代(保留最后一个分片不做判断)，如果数据过期则在路由表中删除该分片key；第三对路由表种的分片key做迭代(保留最后一个分片不做判断)，如果数据过期则在路由表中删除该二级分片key。第四重置一级key过期、二级hash中添加元数据、设置二级key(splitKey)过期；
(5)缓存检索控制器：服务请求输入提交检索的key、滑动检索的滑动时间窗口，由分片路由控制器得出对应的一级key、一级value，根据一级value集合即为二级key，进步根据时间滑块得出二级score集合。根据key1/key2及滑块时间窗口区间，检索控制器快速计算存储二级key对应的存储分片位置。根据key2及分片位置集合，从指定的集群中并发取出分片内容，通过应用在内存中进行组装成完成内容对象进行反馈服务请求。
具体的，本发明的核心在于采用分布式的计算框架，能够在缓存系统中动态实现大容量内容实现高性能的分片存储和快速检索。进一步，本发明能够实现动态的大内容对象的分片存储，不同的内容能够智能的拆分到不同的集群节点，避免单节点集中式存储从而可能引发操作查询时消耗大量的cup和io性能进步导致满查询；并且本发明能够支持亚秒级动态时间滑动窗口，按时间区间需要动态的检索所需要的内容集合。具体的实施步骤如下：
(1)基于分布式大容量分片高性能的存储控制方法实施例
S11.服务请求输入提交存储的key和内容以及存储的内容的有效时间；例如风控系统中需要存储某个用户下近24小时内的所以交易信息，则key(一级key)为UserID_trade,内容该用户任意时刻为发生一笔则进行累加存储到存储系统中，并且针对该key(包括一级、二级key)设置了有效期。
S12.分片路由控制器提前存储配置管理器重点配置信息到本地内存，亚秒级的判定是否为新一级key及所属的存储集群；例如第一次进行某个用户下近24小时内的所以交易信息时，则立即创建一级key(set结构)，并根据该key在配置管理其中配置的所属集群、分片大小、有效时间等基础配置路由信息快速的查找出并为二级分片及存储做好准备。如果不是第一笔存储，快速根据路由信息找到缓存集群、一级kye、二级key(即为一级value)，定位到自己存储的位置坐标信息。
S13.存储控制器判定请求存储的内容是否有二级kye及存储分片空间，如果有则快速指定存储的二级key及存储分片位置，若没有则新创建二级key并开辟新的存储分片空间(依据存储内容大小及有效时间进行双重划分算法进行分片空间划分)；如果新增的内容是判定一级key为新key则会主动生成set结构单元，原始key为一级key，并根据内容大小并利用分片大小等核心参数进行计算生成一级set的value，value格式为：一级key_分片编号；如果一级key已经存在则直接查询出value，根据存储内容、已有分片、分片上限等核心参数利用分片算法计算是否需要开辟新的分片空间；(可以参考图一：路由分片架构)。
S14.存储空间回收器按配置的key的有效期，分布精准的控制二级key分片空间的回收及一级key的回收；最后一个分片不首先进行参数校验根据一级key查询二级key记录，若记录为空则初始化默认值；第二路由表过大，做一次清理判断条件(是否满足keysSize>limitSize/shardingSize)，满足则路由表排序(正序)，对路由表中的分片key做迭代(保留最后一个分片不做判断)，如果数据过期则在路由表中删除该分片key；第三对路由表种的分片key做迭代(保留做判断)，如果数据过期则在路由表中删除该二级分片key。第四重置一级key过期、二级hash中添加元数据、设置二级key(splitKey)过期；
(2)基于分布式大容量分片高性能的检索控制方法实施例
S21.服务请求输入提交检索的key和滑动检索窗口区间；例如风控系统中需要存储某个用户下近24小时内的所以交易信息，输入key、滑块时间窗口。
S22.分片路由控制器提前存储配置管理器重点配置信息只本地内存，亚秒级的计算一级key/二级key；例如风控系统中需要存储某个用户下近24小时内的所以交易信息，根据key为UserID_trade、滑块时间窗口，可以快速查询到一级key、二级key。
S23.根据key1/key2及滑块时间窗口区间，检索控制器快速计算存储二级key对应的存储分片位置；根据检索的时间窗口、检索key，得出对应的一级key、一级value，根据一级value集合即为二级key，进步根据时间滑块得出二级score集合。例如风控系统中需要存储某个用户下近24小时内的所以交易信息，根据key(一级key)为UserID_trade、滑块时间窗口，可以快速查询到二级key(即为分片位置)，通过滑块区间计算出二级key(zSet)中计算出score区间。
S24.根据key2及分片位置集合，从指定的集群中并发取出分片内容，通过应用在内存中进行组装成完成内容对象进行反馈服务请求。例如风控系统中需要存储某个用户下近24小时内的所以交易信息，根据key(一级key)为UserID_trade、滑块时间窗口，可以快速查询到二级key(即为分片位置)，通过滑块区间计算出二级key(zSet)中计算出score区间，根据二级key、score可以。
本发明可以弥补现有技术对分布式缓存在高并发和低耗时的高性能的不足，该控制方法提供一种基于分布式高性能缓存，该方法具有以下优点和效果：
(1)避免分布式存储系统出现大value存储情况，利用算法实现智能可控的划分原始数据集；
(2)存储内容规模变大的时候，通过分片算法实现动态适应；
(3)当某个节点故障的时候，能否将该节点上的任务均衡的分摊到其他节点；
(4)解决原始数据的特征值分布不均匀，导致大量的数据集中到一个物理节点上；
(5)提升性能和并发，读写操作被分发到不同的分片，相互独立；提升系统的可用性，即使部分分片不能用，其他分片不会受到影响；
(6)实现不同场景的复杂大对象高速检索和复杂计算，支持时间滑动窗口提取查询数据。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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 (1)
1.基于分布式大容量分片高性能的存储控制方法，其特征在于，包括配置管理器、分片路由控制器、缓存存储控制器、缓存存储回收控制器、缓存检索控制器，存储结构主要分为二级结构，一级结构使用set数据结构，key为一级key为业务元数据存储唯一ID，value为分配路径地址索引，二级结构为分片存储结构，使用的是ZSet结构，key为分片地址，score为存储时的时间戳，value为元数据数据内容，配置管理器、分片路由控制器、缓存存储控制器、缓存存储回收控制器、缓存检索控制器功能如下所示：
（1）存储配置管理器：主要用于负责分片路由配置管理、分片策略配置管理、一二级key配置策略配置管理，配置信息包括缓存集群选项、一级key名称、二级key、一级key缓存时间、二级key缓存时间、limitSize元素总量、shardingSize数据每片大小、sends数据存放时间关键信息；
（2）分片路由控制器：主要用于大内容对象进行存储、检索时实现亚秒级的响应，进行存储位置的生成和查找，分片路由控制器提前存储配置管理器重点配置信息到本地内存，亚秒级的判定是否为新的一级key及所属的存储集群，如果是判定一级key为新key则会主动生成set结构单元，原始key为一级key，并根据内容大小按并利用分片大小核心参数进行计算生成一级set的value，value格式为：一级key_分片编号；如果一级key已经存在则直接查询出value，根据存储内容、已有分片、分片上线核心参数利用分片算法计算是否需要开发新的分片空间；如果是检索则直接更加检索的时间窗口、检索key，得出对应的一级key、一级value，根据一级value集合即为二姐key，进步根据时间滑块得出二级score集合；
（3）存储存储控制器：新增存储业务参数校验 ，一级key值校验为空驳回，二级hashFeildKey值校验为空驳回，limitSize、splitSize、sends 值校验；二级分片splitKey计算，利用路由表计算出本次数据该放入的分片splitKey,在生成分片splitKey时候会计算路由表大小，如果大小超过限制会做一次清理计算；
（4）缓存存储回收控制器：首先进行参数校验根据一级key查询二级key记录，若记录为空则初始化默认值；第二路由表过大，做一次清理判断条件，满足则路由表排序，对路由表中的分片key做迭代，如果数据过期则在路由表中删除该分片key；第三对路由表种的分片key做迭代，如果数据过期则在路由表中删除该二级分片key，第四重置一级key过期、二级hash中添加元数据、设置二级key过期；
（5）缓存检索控制器：服务请求输入提交检索的key、滑动检索的滑动时间窗口，由分片路由控制器得出对应的一级key、一级value，根据一级value集合即为二级key，进步根据时间滑块得出二级score集合，根据key1/key2及滑块时间窗口区间，检索控制器快速计算存储二级key对应的存储分片位置，根据key2及分片位置集合，从指定的集群中并发取出分片内容，通过应用在内存中进行组装成完成内容对象进行反馈服务请求。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023035504A1 (zh) * | 2021-09-08 | 2023-03-16 | 天翼电子商务有限公司 | 一种高并发下存储大数据的分片及聚合控制方法 |
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2020
- 2020-10-17 CN CN202011113445.2A patent/CN112214460A/zh active Pending
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|---|---|---|---|---|
| WO2023035504A1 (zh) * | 2021-09-08 | 2023-03-16 | 天翼电子商务有限公司 | 一种高并发下存储大数据的分片及聚合控制方法 |
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