CN110389848B - 基于分块构造的部分重复码构造方法及故障节点修复方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于计算机领域，涉及一种基于分块构造的部分重复码的构造方法。本方法主要是通过对原文件的数据块进行MDS编码生成编码块，构造下三角矩阵，对编码块做分块和复制处理，在单节点故障的修复过程中极大地减少了连接存活节点数，减少了修复故障节点的修复磁盘I/O开销。此外，该部分重复码所需的校验块较少，***的存储利用率高，且该码构造过程简单，极易推广，可操作性强。

Description

基于分块构造的部分重复码构造方法及故障节点修复方法
技术领域
本发明属于计算机领域，涉及一种基于分块构造的部分重复码构造方法及故障节点修复方法。
背景技术
信息数据的海量化使得分布式存储***规模变大，为了确保数据的可用性，存储***通常采用“复制”生成冗余数据，需要存储大量副本数据确保***的高可靠性,使得“复制”的冗余策略产生的存储代价过高；为了确保数据的可靠性，通常采用“纠删码”策略，与复制策略相比，纠删码可以使分布式存储***的存储开销达到最优，但是在修复单个故障节点过程中必须还原整个文件，带宽开销过大。针对“复制”和“纠删码”冗余策略存在的局限性，提出了再生码，但再生码在故障节点修复过程中连接的节点数量较多，具有较高的磁盘I/O开销，不能满足当前海量化的存储节点要求。而部分重复码融合了复制和再生码技术，使得修复故障节点时只需从部分存活节点下载少量数据块，并将下载的数据块传输给新节点无需其他运算操作即可完成故障节点的修复，修复复杂度低，但大部分码的构造都是基于特殊的模型，如仿射平面，组合设计及steiner系，拉丁方和超图等，具有一定的复杂性及局限性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于分块构造的部分重复码构造方法及故障节点修复方法，用以解决现有技术中部分重复码构造方法复杂、节点修复过程中修复局部性大等问题。
为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：
基于分块构造的部分重复码构造方法，包括以下步骤：
步骤1：将原始文件分成k个原始数据块，对k个原始数据块进行(n，k)MDS编码,得到n个编码块C1,C2,…Cn且n为正整数；
步骤2：构造m行m列的下三角矩阵且n＝m(m+1)/2且m为正整数，其中，下三角矩阵每行存放的编码块个数由上至下逐行加一且由上至下的第一行存放一个编码块Cn，将第一行存放的编码块Cn的下标n分解为n-1和1并将编码块Cn-1和C存入第二行前两位，将第二行第一个编码块Cn-1的下标n-1分解为n-1-2和2并将编码块Cn-1-2和C2存入第三行前两位，依此类推，将第m-1行第一个编码块Cn-(1+2+...+m-2)的下标n-(1+2+...+m-2)分解为n-(1+2+...+m-1)和m-1并将编码块Cn-(1+2+...+m-1)和Cm-1存入第m行前两位，然后将下标未进行分解的编码块按照从小到大的顺序排列并从上至下依次逐列填满下三角矩阵的剩余位置，完成构造m行m列的下三角矩阵的构造；
步骤3：对步骤2构造的下三角矩阵进行分块，若m为偶数则前m/2行为第一分块，下三角矩阵中的倒数后m/2列为第二分块，剩余的编码块为第三分块；若m为奇数则将前(m-1)/2行为第一分块，下三角矩阵中的倒数后(m-1)/2列为第二分块，剩余的编码块为第三分块；
步骤4：复制第一分块和第二分块并进行竖直翻转，令翻转后的第二分块紧挨下三角矩阵的第一分块存放，令翻转后的第一分块紧挨下三角矩阵的第二分块放置，复制第三分块，将复制的第三分块放置在翻转后的第二分块的后面。
故障节点修复方法，包括：
按照所述的基于分块构造的部分重复码构造方法，将包含n个编码块的原始文件M存储到分布式存储***的m个节点中，每个节点存储m+1个编码块，当修复单故障节点时连接的存活节点数不超过2时，若某单节点发生故障，仅从一至两个存活节点中采集编码块，并将采集到的编码块传送给新节点，即可实现故障节点的修复。
本发明与现有技术相比具有以下技术特点:
1、本发明节点中由原数据块经过MDS编码生成的校验块较少，即***的存储率较高。此外，该部分重复码构造过程简单，极易推广，可操作性强。
2、当单节点故障时，可以通过从不超过两个节点下载失效节点中的编码块，快速实现故障节点的数据重构，修复过程运算简单，修复局部性较小。
附图说明
图1是实施例中存储***具有10个编码块,编码块的重复度为2,部分重复码的构造示意图；
图2是实施例中存储***具有15个编码块,编码块的重复度为2,部分重复码的构造示意图；
图3是实施例中包含4个节点10个编码块的单节点V1故障修复的示意图；
图4是实施例中包含5个节点15个编码块的单节点V4故障修复的示意图。
具体实施方式
在本实施例中公开了一种基于分块构造的部分重复码构造方法，包括以下步骤：
步骤1：将原始文件分成k个原始数据块，对k个原始数据块进行(n，k)MDS编码,得到n个编码块C1,C2,…Cn且n为正整数；
步骤2：构造m行m列的下三角矩阵且n＝m(m+1)/2且m为正整数，其中，下三角矩阵每行存放的编码块个数由上至下逐行加一且由上至下的第一行存放一个编码块Cn，将第一行存放的编码块Cn的下标n分解为n-1和1并将编码块Cn-1和C存入第二行前两位，将第二行第一个编码块Cn-1的下标n-1分解为n-1-2和2并将编码块Cn-1-2和C2存入第三行前两位，依此类推，将第m-1行第一个编码块Cn-(1+2+...+m-2)的下标n-(1+2+...+m-2)分解为n-(1+2+...+m-1)和m-1并将编码块Cn-(1+2+...+m-1)和Cm-1存入第m行前两位，在编码块分解的过程中确保编码块不重复；然后将下标未进行分解的编码块按照从小到大的顺序排列并从上至下依次逐列填满下三角矩阵的剩余位置，完成构造m行m列的下三角矩阵的构造；
步骤3：对步骤2构造的下三角矩阵进行分块，若m为偶数则前m/2行为第一分块，下三角矩阵中的倒数后m/2列为第二分块，剩余的编码块为第三分块；若m为奇数则将前(m-1)/2行为第一分块，下三角矩阵中的倒数后(m-1)/2列为第二分块，剩余的编码块为第三分块；
步骤4：复制第一分块和第二分块并进行竖直翻转，令翻转后的第二分块紧挨下三角矩阵的第一分块存放，令翻转后的第一分块紧挨下三角矩阵的第二分块放置，复制第三分块，将复制的第三分块放置在翻转后的第二分块的后面，完成重复度为2的FR码的构造。
本发明的目的在于，提供一种基于分块构造的部分重复码构造方法，该部分重复码所需的校验块较少，***的存储利用率高，修复单故障节点时修复局部性较小，且该码构造过程简单，极易推广，可操作性强。
在本实施例中公开了一种故障节点修复方法，包括：
按照实施1的基于分块构造的部分重复码构造方法，将包含n个编码块的原始文件M存储到分布式存储***的m个节点中，每个节点存储m+1个编码块，当修复单故障节点时连接的存活节点数不超过2时，若某单节点发生故障，，仅从一至两个存活节点中采集编码块，并将采集到的编码块传送给新节点，即可实现故障节点的修复。
随着存储数据的海量化，分布式存储***中的节点也相应增多,无论采用纠删码或再生码在修复故障节点的过程中都需要连接较多的存活节点来恢复数据，将增加节点的访问开销以及带宽开销，为此本发明一种基于分块构造的部分重复码构造方法，修复单节点故障过程中减少了连接存活节点数，则整个***在修复故障节点过程中连接存活节点数也相应减少，进而磁盘I/O也相应减少。
实施例1
在本实施例中公开了一种基于分块构造的部分重复码构造方法，图1给出了分布式存储***中含m＝4个存储节点重复度为2的10个编码块存储方案。
将大小为7M的文件存储于分布式存储***中，首先对原文件进行(4*5/2＝10,7)MDS编码，再将这10个编码块用1，2，3，…10表示。将编码块C10的下标10分解为10-1即9和1，将编码块C9的下标9分解为10-1-2即7和2，将编码块C7的下标7分解为10-1-2-3即4和3，但编码块C4的下标4不能继续被分解，因为1，3，2均已出现过了。再将剩余的编码块C5，C6，C8的下标5，6，8按从小到大的顺序排列，使得第一行存放一个编码块C10的下标10，第二行存放两个编码块C9和C1的下标9,1，第三行存三个编码块的下标7，2，5,第四行存放4个编码块的下标4，3，6，8。前两行的编码块为下三角形的第一分块，倒数后两列的编码块为下三角形的第二分块，剩余的编码块为下三角形的第三分块。将第二分块的编码块翻转后和第三分块的编码块依次放在第一分块编码块的后面，则第一个节点存储的编码块为：C10，C6，C8，C7，C2，第二个节点存储的编码块为：C9，C1，C5，C4，C3。最后，将翻转后的第一分块编码块放在原第二分块编码块的后面，则第三个节点存储的编码块为：C7，C2，C5，C9，C1，第四个节点存储的编码块为：C4，C3，C6，C8，C10。
本实施例中还公开了一种故障节点修复方法，图3是本实施例中单节点V1故障修复的示意图，从节点V3和节点V4上分别采集数据C7，C2，和C6，C8，C10，并传送给节点V1，完成节点V1的修复，在此过程中连接的存活节点数为2(修复局部性为2)。
实施例2
在本实施例中公开了一种基于分块构造的部分重复码构造方法，图2给出了分布式存储***中含m＝5个存储节点重复度为2的15个编码块存储方案。
将大小为12M的文件存储于分布式存储***中，首先对原文件进行(5*6/2＝15,12)MDS编码，再将这15个编码块用1，2，3，…15表示。将编码块C15的下标15分解为15-1即14和1，将编码块C14的下标14分解为15-1-2即12和2，将编码块C12的下标12分解为15-1-2-3即9和3，将编码块C9的下标9分解为15-1-2-3-4即5和4，但编码块C5的下标5不能继续被分解，因为1，4，3，2均已出现过了。再将剩余的编码块C6，C7，C8，C10，C11，C13的下标6，7，8，10，11，13按从小到大的顺序排列，使得第一行存放一个编码块C15的下标15，第二行存放编码块C14，C1的下标14和1，第三行存放编码块C12，C2，C6的下标12，2，6,第四行存放编码块C9，C3，C7，C8的下标9，3，7，8，第五行存放编码块C5，C4，C10，C11，C13的下标5，4，10，11，13。前两行的编码块为下三角形的第一分块，倒数后两列的编码块为下三角形的第二分块，剩余的编码块为下三角形的第三分块。将第二分块的编码块翻转后和第三分块的编码块依次放在第一分块编码块的后面，则第一个节点存储的编码块为：C15，C11，C13，C12，C2，C6。第二个节点存储的编码块为：C14，C1，C8，C9，C3，C7。第三个节点存储的编码块为：C12，C2，C6，C5，C4，C10。最后，将翻转后的第一小块编码块放在原第二小块编码块的后面，则第四个节点存储的编码块为：C9，C3，C7，C8，C14，C1。第五个节点存储的编码块为：C5，C4，C10，C11，C13，C15。
本实施例中还公开了一种故障节点修复方法，图4是本实施例中单节点V4故障修复的示意图，从节点2上分别采集数据C14，C1，C8，C9，C3，C7，并传送给节点V4，完成节点V4的修复，在此过程中连接的存活节点数为1(修复局部性为1)。

Claims (2)

1.基于分块构造的部分重复码构造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将原始文件分成k个原始数据块，对k个原始数据块进行(n，k)MDS编码,得到n个编码块C1,C2,…Cn且n为正整数；
步骤2：构造m行m列的下三角矩阵且n＝m(m+1)/2且m为正整数，其中，下三角矩阵每行存放的编码块个数由上至下逐行加一且由上至下的第一行存放一个编码块Cn，将第一行存放的编码块Cn的下标n分解为n-1和1并将编码块Cn-1和C存入第二行前两位，将第二行第一个编码块Cn-1的下标n-1分解为n-1-2和2并将编码块Cn-1-2和C2存入第三行前两位，依此类推，将第m-1行第一个编码块Cn-(1+2+...+m-2)的下标n-(1+2+...+m-2)分解为n-(1+2+...+m-1)和m-1并将编码块Cn-(1+2+...+m-1)和Cm-1存入第m行前两位，然后将下标未进行分解的编码块按照从小到大的顺序排列并从上至下依次逐列填满下三角矩阵的剩余位置，完成构造m行m列的下三角矩阵的构造；
步骤3：对步骤2构造的下三角矩阵进行分块，若m为偶数则前m/2行为第一分块，下三角矩阵中的倒数后m/2列为第二分块，剩余的编码块为第三分块；若m为奇数则将前(m-1)/2行为第一分块，下三角矩阵中的倒数后(m-1)/2列为第二分块，剩余的编码块为第三分块；
步骤4：复制第一分块和第二分块并进行竖直翻转，令翻转后的第二分块紧挨下三角矩阵的第一分块存放，令翻转后的第一分块紧挨下三角矩阵的第二分块放置，复制第三分块，将复制的第三分块放置在翻转后的第二分块的后面，完成重复度为2的FR码的构造。
2.故障节点修复方法，其特征在于，包括：
按照如权利要求1所述的基于分块构造的部分重复码构造方法，将包含n个编码块的原始文件M存储到分布式存储***的m个节点中，每个节点存储m+1个编码块，当修复单故障节点时连接的存活节点数不超过2时，若某单节点发生故障，仅从一至两个存活节点中采集编码块，并将采集到的编码块传送给新节点，即可实现故障节点的修复。
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