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《浙江大学》 2004年
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支持不停机网络的Circle Quorum系统研究与实现

宋平  
【摘要】: 提高计算机网络系统可靠性主要有两大类技术:避错技术和容错技术。以提高元器件可靠性为主的避错技术并不能消除不可预测故障对计算机网络系统可靠性影响。而容错技术在允许系统内部发生故障的情况下,通过信息冗余方式,保证系统仍能可靠运行。 Quorum系统属于容错技术领域,它是一种特殊的集合系统。在这种集合系统中,所有集合元素(称为quorum)都是节点的集合,任何两个quorum都有交集。所有quorum通过相交节点把数据复制到其它quorum的节点中,以增加数据冗余性。Quorum系统通常采用两种容错协议:选举协议或者互斥协议。选举协议从含有故障节点的quorum中选举出有效数据;互斥协议从不含故障节点的quorum中获得有效数据。 Quorum系统的重要特征是它的拓扑结构,不同拓扑结构反映了quorum的组织形式,它影响了Quorum系统性能和可用性等方面。在实际应用中,由于应用特点和需求的不同,要求性能和可用性方面也不同,从而推动了不同拓扑结构的Quorum系统研究。 Quorum系统前身是1979年Gifford提出的“读一写全”协议(Read Only Write All)只对一个节点进行读操作,而对所有节点进行写操作的数据服务协议,以及同年Thomas提出的“多数”协议(Majority)读N个节点和写N+1个节点。后者克服了前者读写负载不平衡和单个节点读操作容错性能低的不足。 1988年Mullender提出了Byzantine Quorum系统主要研究选举协议;1990年Cheung等提出Grid Quorum系统[Che]引入了读、写quorum概念,把对数据读、写操作分开,减小了读取quorum大小、降低了从读quorum获取有效数据的等待时间和提高了整个容错系统响应速度;1995年Peleg和Wool提出的Crumbling Wall Quorum系统[Pel 95]第一次引入了互斥协议;同年Chang提出的Tree Quorum系统则是在根节点可靠性比较高的情况下,使得其读quorum 浙江大学博士学位份文 的层次越高其规模就越小;相比Tree Quorum系统而言,1999年Ada 等提出的Diamond Quorum系统增加读quorum的个数,提高了容错 系统处理并行访问的能力。同时,它比Tree Quorum系统克服了读 quorum规模变化较大造成系统响应性能变化较大的缺点。 各种拓扑结构Quorum系统具有不同的quorum规模,它们采用 容错协议的关键因素在于单个节点可靠性。单个节点可靠性高, Quorum系统中规模小的quorum失效概率就小,在满足系统高可用 性的情况下,采用互斥协议可以提高系统响应能力;而单个节点可 靠性低,Quorum系统中规模大的quorum中同时有一半以上节点发 生故障概率就低,采用互斥协议可以提高系统高可用性。 经过多年发展,Quorum系统取得了一些理论成果,并在分布式 控制和移动通信方面也取得初步应用成果。但是Quorum系统还有很 多值得研究的问题,其中一个问题就是以前Quorum系统都是“面向 可靠节点连接”Quorum系统,即假定节点之间连接是可靠的,而在 实际应用中往往节点之间的连接是非可靠的。 本文是研究“面向非可靠节点连接”Quorum系统,通过对传统 Quorum系统的裂化分析,形成由若干个quorum群两两首尾串接成 环状拓扑结构的Quorum系统一一circle Quorum系统,其中每个 quorum群是一个只含有3个quorum的小型 Quorum系统,相邻两个 quorum群相交一个quorum。cirele Quorum系统采用了自适应容错 协议,根据quorum内部节点的非等失效概率和失效个数决定采用选 举协议还是互斥协议。quorum中所有节点组成选举quorum,其中, 具有高可靠性的若干节点组成高性能响应子quorum。当该quorum 中所有高性能响应子quorum都失效了,以及选举quorum也失效了, 该quorum才失效。这个系统采用了“分布计算一部分分布冗余一逐 级接管”容错模式,保证了系统高可用性的同时,克服了传统Quorum 系统的“集中计算一全冗余备份”容错模式在通信带宽高、数据冗 余量大和升级不灵活等方面不足。 不停机问题是目前实现容错领域研究的重要问题,从传统技术 一第H页一 浙江大李博士李位掩文 如RA工D、热备份、镜像、FakeIP、不停机路由技术、多处理器和 Cluster技术发展来看,支持不停机问题容错技术的一个研究方向 趋向于网络化。同时,计算机网络发展对网络服务系统可用性提出 了更高的要求,尤其是商业化的网络信息服务系统。因此,不停机 网络问题成为当前容错技术领域一个重要的研究问题。 支持不停机网络的circle Quorum系统的研究,为解决不停机 网络问题提供了一种有效的解决方案一一基于circle Quroum系统 不停机网络模型(CQSNSNM)。按照不停机网络模型的四层网络逻辑 框架:计算层、路由层、备份层和客户层。cir。le Quorum系统的 节点集合分别映射到计算层、路由层和备份层,其中,路由层节点 功能是尽可能保证quorum内部节点之间非可靠节点连接的有效性, 从而确保系统的高可用性和高性能。CQSNSNM包括5个不停机网络 系统协议:复制协议、接管协议、路由协议、读协议和恢复协议。 这些协议用于完成数据复制、计算接管或恢复、数据发布和数据获 取等整个不停机网络数据服
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:TP393.02

【共引文献】
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