CN109684127A - 基于完全图最小带宽再生码的局部性节点修复方法 - Google Patents

基于完全图最小带宽再生码的局部性节点修复方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于完全图最小带宽再生码的局部性节点修复方法，其实现步骤为：构造完全图最小带宽再生码，将分布式存储***中的节点划分为多个修复组，在各个修复组内构造完全图最小带宽再生码，将待存储数据分块打包并在各个修复组内编码存储，当分布式存储***发生单节点失效时，新节点连接失效节点所在修复组内的存活节点即可完成修复。本发明可修复分布式存储***中的单个失效节点，降低节点修复过程中的修复带宽开销和磁盘I/O开销，且修复过程不需要编解码操作，提高了修复效率。

Description

基于完全图最小带宽再生码的局部性节点修复方法
技术领域
本发明属于计算机技术领域，更进一步涉及分布式存储技术领域中的一种基于完全图最小带宽再生码的局部性节点修复方法。本发明可以应用于分布式***、数据库等领域，在分布式存储***发生单节点失效时，新节点连接修复组内的存活节点实现失效节点数据的局部性修复。
背景技术
分布式存储***通过修复失效节点数据来维护***的可靠性，如何减少因为节点失效而产生的修复数据量，提高失效节点修复的局部性是分布式存储***需要面对的关键问题。为了降低修复失效节点产生的带宽开销，Dimakis等人通过将分布式存储***中的节点修复问题抽象成通信网络中的单源多播问题进行分析，得出存储-带宽开销权衡曲线，并首次提出再生码的概念，对应该曲线的2个特殊点，分别是最小存储再生MSR(minimumstorage regenerating)码与最小带宽再生MBR(minimum bandwidth regenerating)码。再生码在故障节点修复时，只关注修复带宽开销和存储开销，没有考虑磁盘I/O开销，磁盘I/O开销是分布式存储***数据修复的又一性能瓶颈。磁盘I/O开销与失效节点修复过程中连接的存活节点数目成正比，连接的存活节点数目越少，节点修复局部性越好，磁盘I/O开销越小。
北京大学深圳研究生院在其申请的专利文献“一种最小带宽再生码的编码和存储节点修复方法”(专利申请号：201380001964.1，授权公告号：CN 103688515 B)中公开了一种最小带宽再生码的编码和存储节点修复方法。该方法将大小为B的原始数据平均分为k(k+1)/2个数据块，得到第一数据包；使用第一数据包构建尺寸为k×k的、对称的***矩阵S；构建k个编码标识码，每个编码标识码包括k个元素；分别将所述***矩阵的一列与编码标识码运算得到编码数据包；分别选择n-k个不同的***矩阵的列重复上述步骤，得到n-k个编码数据包集；以所述编码数据包集Pg的编码标识码编号g为其列号，构建大小为(n-k)×k的校验矩阵P；分别将所述***矩阵和编码矩阵的每行存储到一个存储节点。该方法具有较低的修复带宽开销。但是，该方法仍然存在的不足之处是，当***发生单节点失效时，新节点需要连接k个节点完成修复，磁盘I/O开销较大。
长安大学在其申请的专利文献“一种基于***最小存储再生码的局部性修复编码方法”(专利申请号：201510589073.3，授权公告号：CN 105260259 B)中公开了一种基于***最小存储再生码的局部性修复编码方法。该方法采用***最小存储再生码作为局部码构造局部性修复编码结构，原始数据副本存放在存储节点中，存储节点中的冗余数据部分由前后两个存储节点的最小存储再生编码数据部分生成，当修复组中存在单节点失效时，可以通过前后节点快速实现故障节点数据重构，实现失效节点数据的精确修复。该方法降低了存储节点修复过程中的磁盘I/O。但是，该方法仍然存在的不足之处是，节点修复带宽开销较高，且修复过程需要编解码操作，增加了计算复杂度。
发明内容
本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出了一种基于完全图最小带宽再生码的局部性节点修复方法。该方法将完全图最小带宽再生码与局部性修复编码的优点相结合，将分布式存储***中的节点划分为多个修复组，当分布式存储***发生单节点失效时，新节点只需连接失效节点所在修复组内的存活节点即可完成修复。
实现本发明目的思路是，将分布式存储***中的节点划分为多个修复组，根据每个修复组包含的节点数量，在各个修复组内构造相应参数的完全图最小带宽再生码，利用各个修复组内完全图最小带宽再生码的参数将待存储数据分块打包，将得到的各个数据包在各个修复组内按照构造的完全图最小带宽再生码编码存储，当分布式存储***发生单节点失效时，新节点连接失效节点所在修复组内的存活节点完成修复。
本发明的具体步骤包括如下：
(1)构造完全图最小带宽再生码：
生成一个由三个参数(n,k,d)构成的完全图最小带宽再生码，其中，n表示分布式存储***的节点数，n≥5；k表示数据收集者重建所存储的数据需要连接的最少节点数，2≤k≤n-1；d表示新节点在节点修复过程中连接的存活节点数，d＝n-1；
(2)将分布式存储***中的节点划分为多个修复组：
(2a)对分布式存储***的每个节点编号；
(2b)以n1为间隔，将分布式存储***中的节点均分为t个修复组，将t个修复组的最后一组与剩余节点组成修复组λ，其中，n1表示t-1个修复组中每个修复组内的节点个数，n1≥5；
(3)在各个修复组内构造完全图最小带宽再生码：
(3a)对t-1个修复组中的每个修复组，生成参数为(n1,k1,d1)的完全图最小带宽再生码，其中，k1表示数据收集者重建每个修复组内所存储的数据需要连接的最少节点数；d1表示新节点在每个修复组内节点修复过程中连接的存活节点数；
(3b)在修复组λ内构造参数为(n2,k2,d2)的完全图最小带宽再生码，n2表示修复组λ内的节点个数；k2表示数据收集者重建修复组λ内所存储的数据需要连接的最少节点数；d2表示新节点在修复组λ内节点修复过程中连接的存活节点数；
(4)将待存储数据分块打包并在各个修复组内编码存储：
(4a)将待存储的数据均分为M个数据块，以B1为间隔，将M个数据块均分为与修复组数量相等的t个数据包，将t个数据包的最后一个与剩余数据块组成大小为B2的数据包，其中，M＝(t-1)×B1+B2，B1表示t-1个修复组中的每个修复组内数据包的大小，B2表示修复组λ中数据包的大小，
(4b)分别将t-1个大小为B1的数据包在t-1个修复组内编码存储，将大小为B2的数据包在修复组λ内编码存储；
(5)在修复组内修复失效节点：
(5a)分布式存储***按照失效节点的编号找到其所在的修复组；
(5b)新节点连接失效节点所在修复组内剩余的所有存活节点；
(5c)新节点从每个存活结点获取与失效节点相同的编码块并存储，完成修复。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
第一，本发明采用了将分布式存储***中的节点划分为多个修复组，将待存储数据分块打包并在各个修复组内编码存储的方法，新节点连接失效节点所在修复组内的存活节点即可完成修复，克服了现有技术在节点修复过程中新节点连接的存活结点数量多，磁盘I/O开销大的问题，使得本发明在节点修复过程中有更好的磁盘I/O开销性能。
第二，本发明采用了在各个修复组内构造完全图最小带宽再生码的方法，克服了现有技术在节点修复过程中修复带宽开销大的问题，使得本发明在节点修复过程中有更好的节点修复带宽开销性能。
第三，本发明采用了在各个修复组内构造完全图最小带宽再生码的方法，克服了现有技术在节点修复过程中需要编解码，计算复杂度高的问题，使得本发明在节点修复过程中不需要编解码操作，修复效率更高。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是本发明的修复带宽开销性能仿真图；
图3是本发明的磁盘I/O开销性能仿真图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
参照图1，本发明的具体实现步骤作进一步的描述。
步骤1，构造完全图最小带宽再生码。
生成一个由三个参数(n,k,d)构成的完全图最小带宽再生码，其中，n表示分布式存储***的节点数，n≥5；k表示数据收集者重建所存储的数据需要连接的最少节点数，2≤k≤n-1；d表示新节点在节点修复过程中连接的存活节点数，d＝n-1。
所述的生成一个由三个参数(n,k,d)构成的完全图最小带宽再生码具体按照如下步骤进行：
第1步，将待存储的数据包均分成B个数据块，其中
第2步，构建一个元素取自有限域，且满足任意B列线性无关的B×θ维编码矩阵G，其中，θ表示编码矩阵G的列数，
第3步，利用公式mp＝v×gp生成每个编码块，其中，mp表示生成的第p个编码块，1≤p≤θ；v表示B个数据块组成的B×1维矩阵；gp表示编码矩阵G的第q列，q＝p；
第4步，构建大小为n×θ的存储矩阵V，其中，存储矩阵V为顶点数为n的完全图的关联矩阵；
第5步，在第i个节点中存储编码块mj，其中，1≤i≤n，1≤j≤θ，且满足V(x,y)＝1，其中，V(x,y)表示存储矩阵V中第x行第y列的元素，且x＝i，y＝j。
所述的新节点表示当分布式存储***发生节点失效时，分布式存储***选择一个空闲节点作为新节点替代失效节点，新节点连接存活节点完成修复；所述的存活节点表示未失效的节点。
步骤2，将分布式存储***中的节点划分为多个修复组。
对分布式存储***的每个节点编号。
以n1为间隔，将分布式存储***中的节点均分为t个修复组，将t个修复组的最后一组与剩余节点组成修复组λ，其中，n1表示t-1个修复组中每个修复组内的节点个数，n1≥5。
步骤3，在各个修复组内构造完全图最小带宽再生码。
对t-1个修复组中的每个修复组构造参数为(n1,k1,d1)的完全图最小带宽再生码，其中，k1表示数据收集者重建每个修复组内所存储的数据需要连接的最少节点数；d1表示新节点在每个修复组内节点修复过程中连接的存活节点数。
在修复组λ内构造参数为(n2,k2,d2)的完全图最小带宽再生码，n2表示修复组λ内的节点个数；k2表示数据收集者重建修复组λ内所存储的数据需要连接的最少节点数；d2表示新节点在修复组λ内节点修复过程中连接的存活节点数。
步骤4，将待存储数据分块打包并在各个修复组内编码存储。
将待存储的数据均分为M个数据块，以B1为间隔，将M个数据块均分为与修复组数量相等的t个数据包，将t个数据包的最后一个与剩余数据块组成大小为B2的数据包，其中，M＝(t-1)×B1+B2，B1表示t-1个修复组中的每个修复组内数据包的大小，B2表示修复组λ中数据包的大小，
分别将t-1个大小为B1的数据包在t-1个修复组内编码存储，将大小为B2的数据包在修复组λ内编码存储。
步骤5，在修复组内修复失效节点。
分布式存储***按照失效节点的编号找到其所在的修复组。
新节点连接失效节点所在修复组内剩余的所有存活节点。
新节点从每个存活结点获取与失效节点相同的编码块并存储，完成修复。
下面结合仿真实验对本发明的效果做进一步的描述。
1.仿真条件：
本发明的仿真实验是在计算机主要配置为：CPU为Intel Core i3-3220，3.3GHz，RAM为4GB；操作***为Windows 7；运行软件为Matlab R2014a上完成的。
采用大小为1000MB的视频文件作为待存储数据，设置分布式存储***的节点数量为20到40，且各个节点的失效概率相同，t-1个修复组中每个修复组内的节点个数n1＝5，t-1个修复组中每个修复组的完全图最小带宽再生码参数为k1＝3，d1＝4，修复组λ的完全图最小带宽再生码参数为k2＝n2-2，d2＝n2-1，数据收集者重建视频文件需要连接的节点数为k1×(t-1)+k2。
2.仿真内容与结果分析：
本发明的仿真实验有2个，仿真实验1，采用本发明的方法和一个现有技术在分布式存储***发生单节点失效时的节点修复带宽开销性能进行仿真。仿真实验2，采用本发明的方法和一个现有技术在分布式存储***发生单节点失效时的磁盘I/O开销性能进行仿真。
仿真实验1：
本发明的仿真实验1是用本发明和现有技术的一种最小带宽再生码的编码和存储节点修复方法，分别对上述仿真条件下本发明和现有技术在分布式存储***发生单节点失效时的节点修复带宽开销性能进行仿真，给定分布式存储中的节点数量，通过仿真得到了对应的节点修复带宽开销值，并用折线连成一条线，如图2所示。
图2中的横轴表示分布式存储***中的节点数量，单位是个，纵轴表示节点修复带宽开销值，单位是MB，图2中以上三角形标示的曲线表示本发明的节点修复带宽开销性能曲线，以圆形标示的曲线表示现有技术的节点修复带宽开销性能性能曲线。
从图2中可以看出，在分布式存储***中的节点数量为30个时，采用本发明的方法得到的节点修复带宽开销为74.07MB，采用现有技术得到的节点修复带宽开销为105.3MB。显然，本发明与现有技术相比，可以获得更好的节点修复带宽开销性能。
仿真实验2：
本发明的仿真实验2是用本发明和现有技术的一种最小带宽再生码的编码和存储节点修复方法，分别对上述仿真条件下本发明和现有技术在分布式存储***发生单节点失效时的磁盘I/O开销性能进行仿真。给定分布式存储中的节点数量，通过仿真得到了对应的新节点在修复过程中连接的存活节点数量，并用折线连成一条线，如图3所示。
图3中的横轴表示分布式存储***中的节点数量，单位是个，纵轴表示新节点在节点修复过程中连接的存活节点数量，单位是个，图3中以上三角形标示的曲线表示本发明的磁盘I/O开销性能曲线，以圆形标示的曲线表示现有技术的磁盘I/O开销性能性能曲线。
从图3中可以看出，在分布式存储***中的节点数量为30个时，采用本发明的方法得到的新节点在节点修复过程中连接的存活节点数量为4个，采用现有技术得到的新节点在节点修复过程中连接的存活节点数量为18个。显然，本发明与现有技术相比，大大减少了节点修复过程中新节点连接的存活节点数量，可以获得更好的磁盘I/O开销性能。

Claims (3)

1.一种基于完全图最小带宽再生码的局部性节点修复方法，其特征在于，将分布式存储***中的节点划分为多个修复组，在各个修复组内构造完全图最小带宽再生码，将待存储数据分块打包并在各个修复组内编码存储，新节点连接失效节点所在修复组内的存活节点即可完成修复，该方法的步骤包括如下：
(1)构造完全图最小带宽再生码：
生成一个由三个参数(n,k,d)构成的完全图最小带宽再生码，其中，n表示分布式存储***的节点数，n≥5；k表示数据收集者重建所存储的数据需要连接的最少节点数，2≤k≤n-1；d表示新节点在节点修复过程中连接的存活节点数，d＝n-1；
(2)将分布式存储***中的节点划分为多个修复组：
(2a)对分布式存储***的每个节点编号；
(2b)以n1为间隔，将分布式存储***中的节点均分为t个修复组，将t个修复组的最后一组与剩余节点组成修复组λ，其中，n1表示t-1个修复组中每个修复组内的节点个数，n1≥5；
(3)在各个修复组内构造完全图最小带宽再生码：
(3a)对t-1个修复组中的每个修复组，生成参数为(n1,k1,d1)的完全图最小带宽再生码，其中，k1表示数据收集者重建每个修复组内所存储的数据需要连接的最少节点数；d1表示新节点在每个修复组内节点修复过程中连接的存活节点数；
(3b)在修复组λ内构造参数为(n2,k2,d2)的完全图最小带宽再生码，n2表示修复组λ内的节点个数；k2表示数据收集者重建修复组λ内所存储的数据需要连接的最少节点数；d2表示新节点在修复组λ内节点修复过程中连接的存活节点数；
(4)将待存储数据分块打包并在各个修复组内编码存储：
(4a)将待存储的数据均分为M个数据块，以B1为间隔，将M个数据块均分为与修复组数量相等的t个数据包，将t个数据包的最后一个与剩余数据块组成大小为B2的数据包，其中，M＝(t-1)×B1+B2，B1表示t-1个修复组中的每个修复组内数据包的大小，B2表示修复组λ中数据包的大小，
(4b)分别将t-1个大小为B1的数据包在t-1个修复组内编码存储，将大小为B2的数据包在修复组λ内编码存储；
(5)在修复组内修复失效节点：
(5a)分布式存储***按照失效节点的编号找到其所在的修复组；
(5b)新节点连接失效节点所在修复组内剩余的所有存活节点；
(5c)新节点从每个存活结点获取与失效节点相同的编码块并存储，完成修复。
2.根据权利要求1所述的基于完全图最小带宽再生码的局部性节点修复方法，其特征在于，步骤(1)中所述的生成一个由三个参数(n,k,d)构成的完全图最小带宽再生码的具体步骤如下：
第一步，将待存储的数据包均分成B个数据块，其中
第二步，构建一个元素取自有限域，且满足任意B列线性无关的B×θ维编码矩阵G，其中，θ表示编码矩阵G的列数，
第三步，利用公式mp＝v×gp生成每个编码块，其中，mp表示生成的第p个编码块，1≤p≤θ；v表示B个数据块组成的B×1维矩阵；gp表示编码矩阵G的第q列，q＝p；
第四步，构建大小为n×θ的存储矩阵V，其中，存储矩阵V为顶点数为n的完全图的关联矩阵；
第五步，在第i个节点中存储编码块mj，其中，1≤i≤n，1≤j≤θ，且满足V(x,y)＝1，其中，V(x,y)表示存储矩阵V中第x行第y列的元素，且x＝i，y＝j。
3.根据权利要求1所述的基于完全图最小带宽再生码的局部性节点修复方法，其特征在于，步骤(1)中所述的新节点是指，当分布式存储***发生节点失效时，分布式存储***选择一个空闲节点作为新节点替代失效节点，新节点连接存活节点完成修复；所述的存活节点是指未失效的节点。
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