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网络存储中的数据容错与容灾技术研究

刘卫平  
【摘要】: 随着信息技术的飞速发展,计算机的应用模式由早期的以计算为核心演变为以数据处理为核心,计算机的重要性更多体现在对数据的存储、处理等方面,因此数据的价值远远高于计算机系统设备的价值。这对数据的可用性提出了越来越高的要求,数据容错与容灾技术作为提高数据可用性的有效技术手段受到了广泛的关注,对数据容错和容灾技术的研究具有重要的理论意义和应用价值。 本文以航空科学基金项目“面向航空专网的网络容灾技术研究”(课题编号:03F53031)和西安市工业攻关计划“面向电子政务网的网络容灾系统”(课题编号:GG200312)为背景,研究了网络存储体系结构中的数据容错与容灾技术:首先构建一个基于iSCSI协议的虚拟化存储系统模型,接着对该模型中的安全数据传输、多容错数据布局、异构存储系统数据布局,以及针对不同应用领域的数据容灾技术进行了深入的研究。 本文的主要研究成果及创新之处体现在: 1、提出了两种针对iSCSI协议的安全机制 目前的iSCSI协议没有考虑传输安全问题,存在数据被窃听和篡改等安全威胁。本文提出了两种iSCSI安全机制:基于网络层安全协议IPSec的iSCSI安全机制和基于应用层安全协议SSH的iSCSI安全机制。通过在网络协议栈的不同层次进行安全处理,以较低的系统开销实现了数据的安全传输。 2、提出了多容错数据布局算法DP-RAID和TP-RAID 当前的单容错数据布局所能实现的数据可用性已经不能满足应用对高可用性的需求。本文提出的DP-RAID和TP-RAID是基于水平和对角奇偶校验,并可分别容许两个和三个磁盘故障的数据布局。与同类布局相比,这两种布局的编码解码实现较为简单,小数据写性能高、计算负载小。 3、提出了异构存储系统数据布局算法PA-RAID0 现有的数据布局不考虑磁盘组件在容量和I/O性能方面的差异。本文提出的PA-RAID0布局根据不同磁盘的容量差异确定布局周期,在布局周期内根据不同磁盘的I/O性能差异确定地址块的分布。该布局在保证100%存储空间利用率的同时,也充分利用高速磁盘的高I/O性能,提高了存储系统的并发性。 4、提出了一种基于日志的异步数据复制协议ARPDL 传统的异步数据复制协议的主要问题是主从存储系统的数据一致性不能得到保证。本文提出的ARPDL通过基于日志的写请求分批传播,减少了传输的数据量,同时通过批命令的原子提交,避免了写顺序不一致引起的主从存储系统之间数据视图不一致。ARPDL对写请求具有较快的响应速度,也较好的保证了数据一致性。 5、提出了一种基于纠删码的数据容灾模型 远程数据复制适用于单个数据节点的环境中,对于多个数据节点的应用领域,通过远程数据复制分别为每一个数据节点建立异地容灾节点,存储开销巨大,实现的数据可用性也有限。本文将纠删码理论应用于数据容灾领域,提出了针对多数据节点环境的数据容灾模型,以很低的存储开销达到很高的数据可用性。


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