CN106170012A - 一种面向云渲染的分布式文件***及构建和访问方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种面向云渲染的分布式文件***及构建和访问方法，该***包括主管理节点(1)、机架管理节点(2)和存储节点(3)，所述的主管理节点(1)设有一个，所述的机架管理节点(2)设置多个并分别连接至主管理节点(1)，每个机架管理节点(2)均连接多个存储节点(3)，进而主管理节点(1)、机架管理节点(2)和客户端(5)节点形成树状结构，所述的存储节点(3)存储相应的文件数据块，所述的机架管理节点(2)存储与之连接的存储节点(3)中存储的文件数据块的元数据信息，所述的主管理节点(1)存储整个文件***的元数据信息。与现有技术相比，本发明的文件***解决了单点失效问题，文件***稳定性强。
Description
技术领域
本发明涉及一种面向云渲染的文件***及构建和访问方法，尤其是涉及一种面向云渲染的分布式文件***及构建和访问方法。
背景技术
据互联网数据中心(IDC)数据显示，截至2009年的数字信息总量为800,000PB(1PB＝106GB)，而2010年已达到1.2ZB(1ZB＝1012GB)。到2020年，全球数字信息总量将达到35ZB。
正是由于互联网的出现，才促使数字信息的暴增。1996年，全球只有4800万人会经常上互联网，2010年，全球已经有16亿互联网用户。这些用户并不仅仅浏览下网站而已，他们创建了大量的非结构数据，包括图片、电子邮件等等。除了图片、电子邮件之外，像即时消息、Wiki、博客的出现也导致了信息量的激增。
面对信息***的互联网，对数据存储和处理提出了新的挑战。在这些挑战下，传统的数据存储技术如数据库，以及数据处理技术已经不能满足技术发展的需求，新兴的海量数据存储技术，数据处理技术也不断涌现，其中一种数据处理技术是使数据存储和数据处理相结合，面向的是海量数据的存储应用。
HDFS技术就是一项备受欢迎的数据处理技术，HDFS的体系结构采用主从结构。一个HDFS***只有一个管理节点和多个存储节点，单一的管理节点简化了***的架构。但随着数据量的不断增长，单一的管理节点带来的不足不断突出，比如单点失效问题，单点性能瓶颈问题，扩展性问题等。因此，由单一的管理节点演化成分布式的管理节点是HDFS未来的发展方向。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种面向云渲染的分布式文件***及构建和访问方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种面向云渲染的分布式文件***，该***包括主管理节点、机架管理节点和存储节点，所述的主管理节点设有一个，所述的机架管理节点设置多个并分别连接至主管理节点，每个机架管理节点均连接多个存储节点，进而主管理节点、机架管理节点和客户端节点形成树状结构，所述的存储节点存储相应的文件数据块，所述的机架管理节点存储与之连接的存储节点中存储的文件数据块的元数据信息，所述的主管理节点存储整个文件***的元数据信息。
所述的元数据信息包括目录和文件元数据信息以及数据块元数据信息，所述的目录和文件元数据信息包括文件属性信息，所述的数据块元数据信息包括存储节点与存储节点中存储的数据块之间的映射关系。
该***还包括日志服务器，所述的主管理节点、机架管理节点和存储节点均连接至该日志服务器，所述的日志服务器存储该文件***的日志信息，所述的日志信息包括客户端访问该文件***的读写操作日志以及整个文件***中各节点的状态信息。
一种面向云渲染的分布式文件***的构建方法，该方法包括如下步骤：
(a)配置存储机架，设定每个存储机架中的机架管理节点及相应的存储节点；
(b)设定主管理节点选取周期；
(c)在每个选取周期开始时采用基于超时机制的paxos算法从所有机架管理节点中选取出主管理节点。
步骤(c)采用基于超时机制的paxos算法从所有机架管理节点中选取出主管理节点具体包括如下步骤：
(c1)***中的每个机架管理节点分别作为提案者确定各自的租约编号，所有租约编号递增，每个机架管理节点给***中除自身以外的机架管理节点发送包括自身租约编号的租约状态请求；
(c2)各机架管理节点接受到租约状态请求后均分别作为一个参议者，每个参议者判断自身是否存储有先前租约状态信息，若是则根据先前租约状态信息和接收到的租约状态请求进行应答回复，否则进行应答回复，应答回复内容为空；
其中根据先前租约状态信息和接收到的租约状态请求进行应答回复具体为：对接收到租约状态请求中的租约编号Ni与先前租约状态新信息中的先前租约编号K进行一一比较，其中i＝1,2……n，n为接收到的租约状态请求总个数，若K>Ni，则不回应，若K<Ni，则将先前租约编号为K的先前租约状态信息回复给相应的机架管理节点；
(c3)各机架管理节点作为提案者检查收到的应答回复，若应答回复数量满足多数派且应答回复内容均为空，则向***中除自身以外的机架管理节点发送包含自身租约编号的租约状态指令，若应答回复数量满足多数派且应答回复内容不全为空，则从所有应答回复中获取满足多数派的应答回复作为租约状态指令发送至除自身以外的机架管理节点，若应答回复数量不满足多数派则返回执行步骤(c1)；
(c4)各机架管理节点作为参议者接受到租约状态指令，更新先前租约状态信息，并回复确认接受信息；
(c5)某一机架管理节点在时间T内接受到确认接受信息且满足多数派，则标记自身为主管理节点，完成主管理节点选取。
一种面向云渲染的分布式文件***的访问方法，该方法包括如下步骤：
(1)客户端采用就近原则向就近的机架管理节点发出访问请求信息，该访问请求信息为对应的文件元数据信息，机架管理节点查找是否存在相应的文件元数据信息，若存在，则访问成功，执行步骤(2)，否则访问失败执行步骤(3)；
(2)客户端从机架管理节点获取文件元数据信息对应的数据块元数据信息，进而根据数据块元数据信息对相应的存储节点进行读写操作，结束访问；
(3)客户端向主管理节点发出与步骤(1)中相同的访问请求信息，主管理节点查找是否存在相应的文件元数据信息，若存在，则访问成功，执行步骤(4)，否则向客户端反馈访问异常信息并结束；
(4)客户端从主管理节点获取文件元数据信息对应的数据块元数据信息，进而根据数据块元数据信息对相应的存储节点进行读写操作，结束访问。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明分布式文件***设置多个机架管理节点分担主管理节点的负荷，因为大部分的客户端请求都会在本机架内完成，因此客户端对主管理节点二次请求的额外开销很小，同时由于机架内的文件数量有限，对每个机架管理节点设置多个存储节点，把数据存储在存储节点中，当客户端进行请求操作时，可以加快数据的操作，本发明将传统的文件***单一的管理节点演化成分布式的管理节点，有效解决了单点失效问题，单点性能瓶颈问题，扩展性问题，提高了文件***的优越性和***稳定性；
(2)由于在云渲染中网络带宽是一个不可忽略的因素，如果不采取超时机制，任何的算法都不能保证在有限的时间内完成，这必定会影响***的整体性能，因此本发明基于超时机制的paxos算法能够在云渲染环境中选取出主管理节点，提高分布式文件***的可靠性；
(3)本发明的面向云渲染的分布式文件***的访问方法中客户端进行访问时，首先从机架管理节点获取数据块元数据信息，进而访问相应的存储节点，若从机架管理节点获取数据块元数据信息失败则从主管理节点进行访问，大大减小了主管理节点的压力，提高了分布式文件***的稳定性。
附图说明
图1为本发明面向云渲染的分布式文件***的结构示意图；
图中，1为主管理节点，2为机架管理节点，3为存储节点，4日志服务器，5为客户端。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图1所示，一种面向云渲染的分布式文件***，该***包括主管理节点1、机架管理节点2和存储节点3，主管理节点1设有一个，机架管理节点2设置多个并分别连接至主管理节点1，每个机架管理节点2均连接多个存储节点3，进而主管理节点1、机架管理节点2和客户端5节点形成树状结构，存储节点3存储相应的文件数据块，机架管理节点2存储与之连接的存储节点3中存储的文件数据块的元数据信息，主管理节点1存储整个文件***的元数据信息。其中，元数据信息包括目录和文件元数据信息以及数据块元数据信息，目录和文件元数据信息包括文件属性信息，数据块元数据信息包括存储节点3与存储节点3中存储的数据块之间的映射关系。该***还包括日志服务器4，主管理节点1、机架管理节点2和存储节点3均连接至该日志服务器4，日志服务器4存储该文件***的日志信息，日志信息包括客户端5访问该文件***的读写操作日志以及整个文件***中各节点的状态信息。
一种面向云渲染的分布式文件***的构建方法，该方法包括如下步骤：
(a)配置存储机架，设定每个存储机架中的机架管理节点2及相应的存储节点3；
(b)设定主管理节点1选取周期；
(c)在每个选取周期开始时采用基于超时机制的paxos算法从所有机架管理节点2中选取出主管理节点1。
Paxos算法是一种基于消息传递的一致性算法，具有很强的容错性，允许消息传递过程中出现丢失、重复、乱序的现象，但是不允许消息被修改；Paxos算法在节点少于半数失效的情况下仍能正常的工作，任何时候的节点失效都不会影响算法的正常执行。
Paxos算法主要包括以下两个阶段：
(1)准备阶段
每个提案者在收到某个客户发来的关于某个Value的请求时，向***中大多数的参议者发送一个提案编号K，这里Value是请求的内容。K在***中是唯一的，并规定***中的K是递增的。默认是采用提案者在***中的ID作为第一次提案的初始值，此后提案编号的递增公式如下：
假设***中有N个提案者，每个编号为Ir(0≤Ir＜N)，提案者提交的提案编号K都应该大于它已知的最大值，并且满足：
其中，M＝K/N,即使M是K除以N的商，其实M是个倍数，初始时M＝0，然后逐渐的M增加，使K大于***中已知的最大编号值就可以了。然后Ir＝K％N,即Ir是K除以N的余数，这个公式其实变化的就是M，通过M不断增加，来改变K值。
每个参议者在收到提案消息后，首先判断收到的提案序号K在已收到的提案中的大小，假设已收到的提案序号最大为MaxN,if(MaxN＞K)，则不回应，结束本次批准过程；if(MaxN＜K)，参议者则将自己收到的MaxN的提案信息回复给Proposer，并承诺不再接受小于K的提案；如果之前没有进行批准，则简单回复空。
(2)接受阶段
经过一段时间后，提案者收到一些参议者回复，回复可分为以下几种：
(201)回复数量满足多数派，并且所有的回复都是空，则提案者发出Accept(K,V)请求，K是准备阶段中的提案编号，V是参议者回复中的MaxN对应的Value。
(202)回复数量满足多数派，但回复的内容中的提案编号不一致，则提案者找到所有回复中超过半数的提案回复给参议者。
(203)回复数量不满足多数派，提案者尝试增加提案序号，转准备阶段继续执行。
参议者在接受阶段接收到提案者的Accept(K,V)请求，首先检查是否违背了准备阶段的承诺的不再接受小于K的提案的承诺，如没有，则接收这个Accept(K,V)请求。
基于超时机制的paxos算法是在算法执行期间加入超时机制，假定设定的超时时间为T，如果Proposer在T内接收到Acceptor的回复，就可以确定自己提交的提案被接受，标记自己为主管理节点1。
根据上述超时机制的Paxos算法的基本思想，可总结得到步骤(c)采用基于超时机制的paxos算法从所有机架管理节点2中选取出主管理节点1具体包括如下步骤：
(c1)***中的每个机架管理节点2分别作为提案者确定各自的租约编号，所有租约标号递增，每个机架管理节点2给***中除自身以外的机架管理节点2发送包括自身租约编号的租约状态请求；
(c2)各机架管理节点2接受到租约状态请求后均分别作为一个参议者，每个参议者判断自身是否存储有先前租约状态信息，若是则根据先前租约状态信息和接收到的租约状态请求进行应答回复，否则进行应答回复，应答回复内容为空；
其中根据先前租约状态信息和接收到的租约状态请求进行应答回复具体为：对接收到租约状态请求中的租约编号Ni与先前租约状态新信息中的先前租约编号K进行一一比较，其中i＝1,2……n，n为接收到的租约状态请求总个数，若K>Ni，则不回应，若K<Ni，则将先前租约编号为K的先前租约状态信息回复给相应的机架管理节点2；
(c3)各机架管理节点2作为提案者检查收到的应答回复，若应答回复数量满足多数派且应答回复内容均为空，则向***中除自身以外的机架管理节点2发送包含自身租约编号的租约状态指令，若应答回复数量满足多数派且应答回复内容不全为空，则从所有应答回复中获取满足多数派的应答回复作为租约状态指令发送至除自身以外的机架管理节点2，若应答回复数量不满足多数派则返回执行步骤(c1)；
(c4)各机架管理节点2作为参议者接受到租约状态指令，更新先前租约状态信息，并回复确认接受信息；
(c5)某一机架管理节点2在时间T内接受到确认接受信息且满足多数派，则标记自身为主管理节点1，完成主管理节点1选取。
一种面向云渲染的分布式文件***的访问方法，该方法包括如下步骤：
(1)客户端5采用就近原则向就近的机架管理节点2发出访问请求信息，该访问请求信息为对应的文件元数据信息，机架管理节点2查找是否存在相应的文件元数据信息，若存在，则访问成功，执行步骤(2)，否则访问失败执行步骤(3)；
(2)客户端5从机架管理节点2获取文件元数据信息对应的数据块元数据信息，进而根据数据块元数据信息对相应的存储节点3进行读写操作，结束访问；
(3)客户端5向主管理节点1发出与步骤(1)中相同的访问请求信息，主管理节点1查找是否存在相应的文件元数据信息，若存在，则访问成功，执行步骤(4)，否则向客户端5反馈访问异常信息并结束；
(4)客户端5从主管理节点1获取文件元数据信息对应的数据块元数据信息，进而根据数据块元数据信息对相应的存储节点3进行读写操作，结束访问。
Claims (6)
1.一种面向云渲染的分布式文件***，其特征在于，该***包括主管理节点(1)、机架管理节点(2)和存储节点(3)，所述的主管理节点(1)设有一个，所述的机架管理节点(2)设置多个并分别连接至主管理节点(1)，每个机架管理节点(2)均连接多个存储节点(3)，进而主管理节点(1)、机架管理节点(2)和客户端(5)节点形成树状结构，所述的存储节点(3)存储相应的文件数据块，所述的机架管理节点(2)存储与之连接的存储节点(3)中存储的文件数据块的元数据信息，所述的主管理节点(1)存储整个文件***的元数据信息。
2.根据权利要求1所述的一种面向云渲染的分布式文件***，其特征在于，所述的元数据信息包括目录和文件元数据信息以及数据块元数据信息，所述的目录和文件元数据信息包括文件属性信息，所述的数据块元数据信息包括存储节点(3)与存储节点(3)中存储的数据块之间的映射关系。
3.根据权利要求1所述的一种面向云渲染的分布式文件***，其特征在于，该***还包括日志服务器(4)，所述的主管理节点(1)、机架管理节点(2)和存储节点(3)均连接至该日志服务器(4)，所述的日志服务器(4)存储该文件***的日志信息，所述的日志信息包括客户端(5)访问该文件***的读写操作日志以及整个文件***中各节点的状态信息。
4.一种如权利要求1所述的面向云渲染的分布式文件***的构建方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(a)配置存储机架，设定每个存储机架中的机架管理节点(2)及相应的存储节点(3)；
(b)设定主管理节点(1)选取周期；
(c)在每个选取周期开始时采用基于超时机制的paxos算法从所有机架管理节点(2)中选取出主管理节点(1)。
5.根据权利要求4所述的一种面向云渲染的分布式文件***的构建方法，其特征在于，步骤(c)采用基于超时机制的paxos算法从所有机架管理节点(2)中选取出主管理节点(1)具体包括如下步骤：
(c1)***中的每个机架管理节点(2)分别作为提案者确定各自的租约编号，所有租约编号递增，每个机架管理节点(2)给***中除自身以外的机架管理节点(2)发送包括自身租约编号的租约状态请求；
(c2)各机架管理节点(2)接受到租约状态请求后均分别作为一个参议者，每个参议者判断自身是否存储有先前租约状态信息，若是则根据先前租约状态信息和接收到的租约状态请求进行应答回复，否则进行应答回复，应答回复内容为空；
其中根据先前租约状态信息和接收到的租约状态请求进行应答回复具体为：对接收到租约状态请求中的租约编号Ni与先前租约状态新信息中的先前租约编号K进行一一比较，其中i＝1,2……n，n为接收到的租约状态请求总个数，若K>Ni，则不回应，若K<Ni，则将先前租约编号为K的先前租约状态信息回复给相应的机架管理节点(2)；
(c3)各机架管理节点(2)作为提案者检查收到的应答回复，若应答回复数量满足多数派且应答回复内容均为空，则向***中除自身以外的机架管理节点(2)发送包含自身租约编号的租约状态指令，若应答回复数量满足多数派且应答回复内容不全为空，则从所有应答回复中获取满足多数派的应答回复作为租约状态指令发送至除自身以外的机架管理节点(2)，若应答回复数量不满足多数派则返回执行步骤(c1)；
(c4)各机架管理节点(2)作为参议者接受到租约状态指令，更新先前租约状态信息，并回复确认接受信息；
(c5)某一机架管理节点(2)在时间T内接受到确认接受信息且满足多数派，则标记自身为主管理节点(1)，完成主管理节点(1)选取。
6.一种如权利要求1所述的面向云渲染的分布式文件***的访问方法，该方法包括如下步骤：
(1)客户端(5)采用就近原则向就近的机架管理节点(2)发出访问请求信息，该访问请求信息为对应的文件元数据信息，机架管理节点(2)查找是否存在相应的文件元数据信息，若存在，则访问成功，执行步骤(2)，否则访问失败执行步骤(3)；
(2)客户端(5)从机架管理节点(2)获取文件元数据信息对应的数据块元数据信息，进而根据数据块元数据信息对相应的存储节点(3)进行读写操作，结束访问；
(3)客户端(5)向主管理节点(1)发出与步骤(1)中相同的访问请求信息，主管理节点(1)查找是否存在相应的文件元数据信息，若存在，则访问成功，执行步骤(4)，否则向客户端(5)反馈访问异常信息并结束；
(4)客户端(5)从主管理节点(1)获取文件元数据信息对应的数据块元数据信息，进而根据数据块元数据信息对相应的存储节点(3)进行读写操作，结束访问。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20161130 |