CN104462124B - 基于线性哈希表的数据存储平台组织方法和数据存储平台 - Google Patents

基于线性哈希表的数据存储平台组织方法和数据存储平台 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于线性哈希表的数据存储平台组织方法和数据存储平台，涉及云计算领域。本发明扩展了哈希表的结构和地址映射模式，在有新的节点加入集群时，保持键值和地址间原有的映射不变，只是扩展地址的有效位数和哈希表长度，将新产生的地址赋予新节点，并在保持***运行的同时逐渐迁移数据；同理，在有节点离开集群时，保持键值和地址间原有的映射不变，只是收缩地址的有效位数和哈希表长度，并在保持***运行的同时逐渐迁移数据。这种组织方法，既保留了通过哈希表组织云集群的实时性高的优点，又使集群易于维护和扩展。本发明适用于所有云存储平台，特别是对实时性要求较高、运行在内存数据库上的计费或流量控制等业务平台。

Description

基于线性哈希表的数据存储平台组织方法和数据存储平台
技术领域
本发明涉及云计算领域，特别涉及一种基于线性哈希表的数据存储平台组织方法和数据存储平台。
背景技术
随着大数据时代的来临，云模式是数据存储平台的发展趋势。云存储的组织方法是指根据键值决定哪些数据存储在哪个节点的方法，可以分为树状组织法和哈希表组织法两种。其中，哈希表组织法适合单记录查询和修改，优点是结构简单、访问速度快，缺点是集群不易维护，增加和删除节点都需要停止集群运行并重新组织数据。
通过哈希表组织云存储平台的方法如下：
1）为简化模型起见，我们认为数据具有唯一的键值k，云存储平台有N个节点，编号为0～N-1，节点之间对等。
2）云存储平台维护一张哈希表，长度为N，表的每一列指向一个节点，并维护一个哈希函数H，H(k)的结果取值范围在0～N-1之间。哈希本身是一种成熟的技术，现有的哈希函数能够做到，无论k的分布如何，H(k)的分布基本均匀。
3）当有新的数据（键值k1）载入云存储平台时，云存储平台计算H(k1)，假设H(k1)=n，则在哈希表上查找到n号节点，并将该数据存入n号节点；
4）当用户向云存储平台请求访问键值为k1的数据时，云存储平台同样根据H(k1)=n查找哈希表，将这个请求转发给n号节点。
图1为现有的哈希表组织原理示意图。如图1所示，如果有新的节点加入集群，则***需要扩展哈希表，使其长度达到N+1，新节点的地址编号为N；更换哈希函数，新的哈希函数H’(k)的取值范围为0～N；根据新的哈希函数迁移数据，对于任一k，H’(k)即是k所代表的数据的存储节点。数据迁移过程涉及到整个集群几乎所有的节点，为此不得不停止集群服务。
节点离开集群的流程与上述加入集群相似，也需要更换哈希函数，数据迁移过程也涉及到整个集群几乎所有的节点。
有上述分析可见，现有的哈希表组织法集群不易维护，增加和删除节点都需要停止集群运行并重新组织数据，不适用于实时性要求较高的数据存储平台。
发明内容
本发明实施例所要解决的一个技术问题是：解决现有的哈希表组织法存在的集群不易维护，增加和删除节点都需要停止集群运行并重新组织数据的问题。
根据本发明实施例的一个方面，提出一种基于线性哈希表的数据存储平台组织方法，包括：对于节点数量为N的一个集群，如果有新节点加入该集群，将哈希表长度扩展为N+1，新节点的地址编号记为N；将哈希表***指针指向的节点上的部分数据迁移到地址编号为N的新节点上；哈希表***指针后移一位，指向下一个节点；更新哈希表位数计数器的值其中，d表示哈希表位数计数器的值，表示向上取整。
根据本发明实施例的再一个方面，提出一种基于线性哈希表的数据存储平台组织方法，包括：对于节点数量为N+1的一个集群，如果哈希表最末端的地址编号为N的节点离开该集群，哈希表***指针前移一位，指向上一个节点；更新哈希表位数计数器的值其中，d表示哈希表位数计数器的值，表示向上取整；将地址编号为N的节点上的所有数据迁移到哈希表***指针指向的节点；将哈希表长度缩小为N。
前述的数据存储平台组织方法还包括：用户请求访问键值为k的数据时，根据H(k)=n计算k的哈希值，H表示哈希函数，n表示计算出的哈希值；获取哈希表位数计数器的值d；截取n的后d位得到n’；截取n的后d-1位得到n”；比较哈希表***指针与地址编号n”的位置，如果地址编号为n”的节点在哈希表***指针之后，将请求定位到地址编号为n”的节点，如果地址编号为n”的节点在哈希表***指针之前，将请求定位到地址编号为n’的节点。
其中，哈希函数的取值范围大于集群中节点的地址编号的范围。
根据本发明实施例的又一个方面，提出一种数据存储平台，包括：节点加入处理单元或/和节点离开处理单元；节点加入处理单元对于节点数量为N的一个集群，如果有新节点加入该集群，将哈希表长度扩展为N+1，新节点的地址编号记为N；将哈希表***指针指向的节点上的部分数据迁移到地址编号为N的新节点上；哈希表***指针后移一位，指向下一个节点；更新哈希表位数计数器的值其中，d表示哈希表位数计数器的值，表示向上取整；节点离开处理单元对于节点数量为N+1的一个集群，如果哈希表最末端的地址编号为N的节点离开该集群，哈希表***指针前移一位，指向上一个节点；更新哈希表位数计数器的值其中，d表示哈希表位数计数器的值，表示向上取整；将地址编号为N的节点上的所有数据迁移到哈希表***指针指向的节点；将哈希表长度缩小为N。
数据存储平台还包括：数据访问处理单元，用于用户请求访问键值为k的数据时，根据H(k)=n计算k的哈希值，H表示哈希函数，n表示计算出的哈希值；获取哈希表位数计数器的值d；截取n的后d位得到n’；截取n的后d-1位得到n”；比较哈希表***指针与地址编号n”的位置，如果地址编号为n”的节点在哈希表***指针之后，将请求定位到地址编号为n”的节点，如果地址编号为n”的节点在哈希表***指针之前，将请求定位到地址编号为n’的节点。
其中，数据存储平台例如可以是云存储平台，或者是其他实时性要求较高、运行在内存数据库上的计费或流量控制等业务平台。
本发明扩展了哈希表的结构和地址映射模式，在有新的节点加入集群时，保持键值和地址间原有的映射不变，只是扩展地址的有效位数和哈希表长度，将新产生的地址赋予新节点，并在保持***运行的同时逐渐迁移数据；同理，在有节点离开集群时，保持键值和地址间原有的映射不变，只是收缩地址的有效位数和哈希表长度，并在保持***运行的同时逐渐迁移数据。这种组织方法，既保留了通过哈希表组织云集群的实时性高的优点，又使集群易于维护和扩展。本发明适用于所有云存储平台，特别是对实时性要求较高、运行在内存数据库上的计费或流量控制等业务平台。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有的哈希表组织原理示意图。
图2为本发明有节点加入集群时的数据存储平台组织方法的流程示意图。
图3为本发明的哈希表组织原理示意图。
图4为本发明的数据访问流程示意图。
图5为本发明有节点加入集群时数据存储平台组织过程示意图。
图6为本发明有节点离开集群时的数据存储平台组织方法的流程示意图。
图7为本发明数据存储平台一个实施例的结构示意图。
图8为本发明数据存储平台再一个实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
为了解决现有的哈希表组织法存在的集群不易维护，增加和删除节点都需要停止集群运行并重新组织数据的问题，本发明提出一种基于线性哈希表的数据存储平台组织方案，在增加和删除节点时无需更换哈希函数，可以在保持***运行的同时逐渐迁移数据，集群易于维护和扩展。下面详细说明本发明的方案。
为简化模型起见，我们认为数据具有唯一的键值k，数据存储平台有N个节点，地址编号为0～N-1。数据存储平台维护一张哈希表，长度为N，表的每一列指向一个节点，并维护一个哈希函数H，H(k)的结果取值范围在0～N-1之间。哈希本身是一种成熟的技术，现有的哈希函数能够做到，无论k的分布如何，H(k)的分布基本均匀。下面分别介绍有节点加入和离开集群时的数据存储平台组织方法。
图2为本发明有节点加入集群时的数据存储平台组织方法的流程示意图。
如图2所示，本实施例在有节点加入集群时的数据存储平台组织方法包括以下步骤：
S201，对于节点数量为N的一个集群，各个节点的地址编号为0～N-1，如果有新节点加入该集群，将哈希表长度扩展为N+1，新节点的地址编号记为N。
S202，增加用来记录数据迁移情况的哈希表***指针，将哈希表***指针指向的节点上的部分数据迁移到地址编号为N的新节点上。
图3示出本发明的哈希表组织原理示意图。如图3所示，本发明只需迁移一个节点上的数据，可以将大约一半的数据迁移到新节点。
S203，哈希表***指针后移一位，指向下一个节点。
S204，增加用来记录集群总体规模的哈希表位数计数器，更新哈希表位数计数器的值其中，d表示哈希表位数计数器的值，表示向上取整。
基于图2所示的数据存储平台组织方法，当用户请求访问键值为k的数据时，如图4所示，该方法还包括以下步骤：
S401，根据H(k)=n计算k的哈希值。
其中，H表示哈希函数，k表示欲访问数据的键值，n表示计算出的哈希值。在本发明中，无需更换哈希函数，哈希函数的取值范围可以表示为0～2m-1，哈希函数的取值范围（或者说m）足够大，可以确保无论集群如何扩展，节点地址编号都不会超出这范围，即哈希函数的取值范围大于集群中节点的地址编号的范围。截取哈希函数的后若干位为哈希输出，截取位数视情况而定，下面具体说明。
S402，获取哈希表位数计数器的值d。
S403，截取n的后d位得到n’。
S404，截取n的后d-1位得到n”。
S405，比较哈希表***指针与地址编号n”的位置；
S405a，如果地址编号为n”的节点在哈希表***指针之后，将请求定位到地址编号为n”的节点；
S405b，如果地址编号为n”的节点在哈希表***指针之前，将请求定位到地址编号为n’的节点。
为了使本发明的方案更加清楚，下面列举一个有节点加入集群时哈希表组织方法以及用户访问数据的示例。本领域技术人员可以理解，在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
图5为本发明有节点加入集群时的数据存储平台组织过程示意图。
假设集群有4个节点，各节点的地址编号依次为00、01、10、11，哈希表***指针初始位置指向地址编号为00的节点，此时哈希表位数计数器的值d为2。
如有新节点加入集群，扩展哈希表长度到5，记录该新节点的编号为3位二进制的100，由于哈希表***指针初始位置指向地址编号为00的节点，因此，将节点00上相应的数据迁移到节点100，节点00上的数据大概有一半迁移到节点100，剩下的仍在00上，哈希表***指针后移，指向节点01，此时哈希表位数计数器的值d为3。由于哈希函数输出长度边长，节点00的地址编号变为000。
如再有新节点加入集群，则该新节点序号为101，由于此时哈希表***指针指向节点01，因此，将节点01上的相应数据迁移到节点101，节点01上的数据大概有一半迁移到节点101，哈希表***指针后移，指向节点10，此时哈希表位数计数器的值d仍为3。同理，节点01的地址编号变为001。
如再有新节点加入集群，以此类推，直到节点11***完毕，然后哈希表***指针回位到000，此时所有节点都已经过一轮***，所有节点地址编号都是3位。
在用户请求访问键值为k的数据时，***先求H(k)=n，再取位数计数器的值d，截取n的后d位得到n’，n’的后d-1位称为n”；再看***指针，如n”在***指针之后，则直接将该数据请求定位到n”节点，如n’’在***指针之前，则将请求定位到n’节点。
图6为本发明有节点离开集群时的数据存储平台组织方法的流程示意图。
如图6所示，本实施例在有节点离开集群时的数据存储平台组织方法包括以下步骤：
S601，对于节点数量为N+1的一个集群，如果哈希表最末端的地址编号为N的节点离开该集群，哈希表***指针前移一位，指向上一个节点；
S602，更新哈希表位数计数器的值其中，d表示哈希表位数计数器的值，表示向上取整；
S603，将地址编号为N的节点上的所有数据迁移到哈希表***指针指向的节点；
S604，将哈希表长度缩小为N。
基于图6所示的数据存储平台组织方法，用户请求访问键值为k的数据的处理处理可以参考图4所示实施例，这里仅简单概述。用户请求访问键值为k的数据时，根据H(k)=n计算k的哈希值，H表示哈希函数，n表示计算出的哈希值；获取哈希表位数计数器的值d；截取n的后d位得到n’；截取n的后d-1位得到n”；比较哈希表***指针与地址编号n”的位置，如果地址编号为n”的节点在哈希表***指针之后，将请求定位到地址编号为n”的节点，如果地址编号为n”的节点在哈希表***指针之前，将请求定位到地址编号为n’的节点。
由此可见，本发明提出的数据存储平台组织方案，扩展了哈希表的结构和地址映射模式，在有新的节点加入集群时，保持键值和地址间原有的映射不变，只是扩展地址的有效位数和哈希表长度，将新产生的地址赋予新节点，并在保持***运行的同时逐渐迁移数据；同理，在有节点离开集群时，保持键值和地址间原有的映射不变，只是收缩地址的有效位数和哈希表长度，并在保持***运行的同时逐渐迁移数据。这种组织方法，既保留了通过哈希表组织云集群的实时性高的优点，又使集群易于维护和扩展。本发明的数据存储平台适用于所有云存储平台，特别是对实时性要求较高、运行在内存数据库上的计费或流量控制等业务平台。
基于前述数据组织方法，本发明还提出一种相应的数据存储平台。图7为本发明数据存储平台一个实施例的结构示意图。如图7所示，本实施例的数据存储平台包括：节点加入处理单元701或/和节点离开处理单元702。
节点加入处理单元701对于节点数量为N的一个集群，如果有新节点加入该集群，将哈希表长度扩展为N+1，新节点的地址编号记为N；将哈希表***指针指向的节点上的部分数据迁移到地址编号为N的新节点上；哈希表***指针后移一位，指向下一个节点；更新哈希表位数计数器的值其中，d表示哈希表位数计数器的值，表示向上取整。
节点离开处理单元702对于节点数量为N+1的一个集群，如果哈希表最末端的地址编号为N的节点离开该集群，哈希表***指针前移一位，指向上一个节点；更新哈希表位数计数器的值其中，d表示哈希表位数计数器的值，表示向上取整；将地址编号为N的节点上的所有数据迁移到哈希表***指针指向的节点；将哈希表长度缩小为N。
图8为本发明数据存储平台再一个实施例的结构示意图。如图8所示，本实施例的数据存储平台还包括：
数据访问处理单元803，用于用户请求访问键值为k的数据时，根据H(k)=n计算k的哈希值，H表示哈希函数，n表示计算出的哈希值；获取哈希表位数计数器的值d；截取n的后d位得到n’；截取n的后d-1位得到n”；比较哈希表***指针与地址编号n”的位置，如果地址编号为n”的节点在哈希表***指针之后，将请求定位到地址编号为n”的节点，如果地址编号为n”的节点在哈希表***指针之前，将请求定位到地址编号为n’的节点。
其中，哈希函数的取值范围可以表示为0～2m-1，哈希函数的取值范围（或者说m）足够大，可以确保无论集群如何扩展，节点地址编号都不会超出这范围，即哈希函数的取值范围大于集群中节点的地址编号的范围。
前述数据存储平台例如可以是云存储平台，或者是其他实时性要求较高、运行在内存数据库上的计费或流量控制等业务平台。
本发明提出的数据存储平台，扩展了哈希表的结构和地址映射模式，在有新的节点加入集群时，保持键值和地址间原有的映射不变，只是扩展地址的有效位数和哈希表长度，将新产生的地址赋予新节点，并在保持***运行的同时逐渐迁移数据；同理，在有节点离开集群时，保持键值和地址间原有的映射不变，只是收缩地址的有效位数和哈希表长度，并在保持***运行的同时逐渐迁移数据。这种组织方法，既保留了通过哈希表组织云集群的实时性高的优点，又使集群易于维护和扩展。本发明的数据存储平台适用于所有云存储平台，特别是对实时性要求较高、运行在内存数据库上的计费或流量控制等业务平台。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (10)

1.一种基于线性哈希表的数据存储平台组织方法，包括：
对于节点数量为N的一个集群，集群中各节点的地址编号为0～N-1，如果有新节点加入该集群，将哈希表长度扩展为N+1，新节点的地址编号记为N；
将哈希表***指针指向的节点上的部分数据迁移到地址编号为N的新节点上；
哈希表***指针后移一位，指向下一个节点；
更新哈希表位数计数器的值其中，d表示哈希表位数计数器的值，表示向上取整。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
用户请求访问键值为k的数据时，根据H(k)＝n计算k的哈希值，H表示哈希函数，n表示计算出的哈希值；
获取哈希表位数计数器的值d；
截取n的后d位得到n’；
截取n的后d-1位得到n”；
比较哈希表***指针与地址编号n”的位置，如果地址编号为n”的节点在哈希表***指针之后，将请求定位到地址编号为n”的节点，如果地址编号为n”的节点在哈希表***指针之前，将请求定位到地址编号为n’的节点。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，哈希函数的取值范围大于集群中节点的地址编号的范围。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数据存储平台是云存储平台。
5.一种基于线性哈希表的数据存储平台组织方法，包括：
对于节点数量为N+1的一个集群，集群中各节点的地址编号为0～N，如果哈希表最末端的地址编号为N的节点离开该集群，哈希表***指针前移一位，指向上一个节点；
更新哈希表位数计数器的值其中，d表示哈希表位数计数器的值，表示向上取整；
将地址编号为N的节点上的所有数据迁移到哈希表***指针指向的节点；
将哈希表长度缩小为N。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括：
用户请求访问键值为k的数据时，根据H(k)＝n计算k的哈希值，H表示哈希函数，n表示计算出的哈希值；
获取哈希表位数计数器的值d；
截取n的后d位得到n’；
截取n的后d-1位得到n”；
比较哈希表***指针与地址编号n”的位置，如果地址编号为n”的节点在哈希表***指针之后，将请求定位到地址编号为n”的节点，如果地址编号为n”的节点在哈希表***指针之前，将请求定位到地址编号为n’的节点。
7.一种数据存储平台，包括：节点加入处理单元或/和节点离开处理单元；
节点加入处理单元对于节点数量为N的一个集群，如果有新节点加入该集群，将哈希表长度扩展为N+1，新节点的地址编号记为N；将哈希表***指针指向的节点上的部分数据迁移到地址编号为N的新节点上；哈希表***指针后移一位，指向下一个节点；更新哈希表位数计数器的值其中，d表示哈希表位数计数器的值，表示向上取整；
节点离开处理单元对于节点数量为N+1的一个集群，如果哈希表最末端的地址编号为N的节点离开该集群，哈希表***指针前移一位，指向上一个节点；更新哈希表位数计数器的值其中，d表示哈希表位数计数器的值，表示向上取整；将地址编号为N的节点上的所有数据迁移到哈希表***指针指向的节点；将哈希表长度缩小为N。
8.根据权利要求7所述的数据存储平台，其特征在于，还包括：
数据访问处理单元，用于用户请求访问键值为k的数据时，根据H(k)＝n计算k的哈希值，H表示哈希函数，n表示计算出的哈希值；获取哈希表位数计数器的值d；截取n的后d位得到n’；截取n的后d-1位得到n”；比较哈希表***指针与地址编号n”的位置，如果地址编号为n”的节点在哈希表***指针之后，将请求定位到地址编号为n”的节点，如果地址编号为n”的节点在哈希表***指针之前，将请求定位到地址编号为n’的节点。
9.根据权利要求8所述的数据存储平台，其特征在于，哈希函数的取值范围大于集群中节点的地址编号的范围。
10.根据权利要求7所述的数据存储平台，其特征在于，所述数据存储平台是云存储平台。
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