摘  要： 在分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)中，通常需要在節(jié)點(diǎn)失效之后引入新節(jié)點(diǎn)并重建數(shù)據(jù)，以保證系統(tǒng)的可用性。網(wǎng)絡(luò)編碼(Network Coding)存儲(chǔ)技術(shù)通過數(shù)據(jù)在存活節(jié)點(diǎn)內(nèi)部作線性組合，可以大幅度降低數(shù)據(jù)重建時(shí)的下載帶寬，因此近網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)在節(jié)點(diǎn)修復(fù)過程中具有非常重要的地位。但同時(shí)其大量的線性組合運(yùn)算也導(dǎo)致了相當(dāng)可觀的時(shí)間開銷，極大地影響了數(shù)據(jù)重建的效率和用戶的響應(yīng)請(qǐng)求?；诰W(wǎng)絡(luò)編碼文件系統(tǒng)(NCFS)，提出了一種結(jié)合80-20法則的數(shù)據(jù)重建方法，并作出了程序?qū)崿F(xiàn)與仿真驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,新系統(tǒng)在重建效率、用戶平均響應(yīng)時(shí)間及吞吐率方面均有較大提升。
關(guān)鍵詞： 網(wǎng)絡(luò)編碼； NCFS； 數(shù)據(jù)重建； 80-20法則

    在這個(gè)大數(shù)據(jù)的年代，數(shù)據(jù)量增長(zhǎng)的速度是驚人的。據(jù)IDC報(bào)告顯示，預(yù)計(jì)到2020年全球數(shù)據(jù)總量將超過40 ZB(相當(dāng)于4萬億GB)[1],這一數(shù)據(jù)量是2011年的22倍。為了給海量數(shù)據(jù)提供有效的存儲(chǔ)及服務(wù)的能力，誕生了許多大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)， 比如GFS、Hadoop、OceanStore、Lustre、Gluster等。在這些大型存儲(chǔ)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)分布在一系列的節(jié)點(diǎn)(磁盤等物理介質(zhì))上，為了保證數(shù)據(jù)的可用性，系統(tǒng)必須能夠容忍節(jié)點(diǎn)失效。為了達(dá)到這一目的，分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)引入了冗余數(shù)據(jù)以提供容錯(cuò)能力。
    一般的容錯(cuò)技術(shù)包括副本技術(shù)，糾刪碼技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)。副本技術(shù)對(duì)一個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象創(chuàng)建多個(gè)副本，并將這些副本分散到不同的節(jié)點(diǎn)上。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)失效時(shí)，可以通過訪問其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)副本來重建新節(jié)點(diǎn)。比如GFS[1]為每個(gè)數(shù)據(jù)塊提供了3個(gè)副本。糾刪碼技術(shù)是能夠容忍一個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)失效的編碼技術(shù)，而且比副本技術(shù)有更高的空間存儲(chǔ)效率。常見的糾刪碼有Reed- Solomon碼、LDPC碼等。網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)通過選擇特殊的編碼系數(shù)來構(gòu)造生成矩陣，在節(jié)點(diǎn)修復(fù)時(shí)，把存儲(chǔ)在同一節(jié)點(diǎn)上的若干數(shù)據(jù)塊做線性運(yùn)算，所以該節(jié)點(diǎn)傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)塊就等于提供了做運(yùn)算之前的若干個(gè)數(shù)據(jù)塊的信息，從而有效地節(jié)省了帶寬。
    DIMAKIS等人于2007年首先在分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)中引入網(wǎng)絡(luò)編碼思想，提出了一種稱為再生碼(regenerating code)[2]的編碼技術(shù)。隨后，Rashmi等人提出了E-MBR(Exact minimum Bandwidth Regenerating)碼[3]，突破了網(wǎng)絡(luò)編碼的理論階段,給出了一個(gè)具體的最優(yōu)帶寬再生碼方案。雖然網(wǎng)絡(luò)編碼在數(shù)據(jù)重建時(shí),下載帶寬方面表現(xiàn)優(yōu)越，但是其付出的運(yùn)算開銷卻不可忽視[2]。據(jù)NCFS[4]研究表明，網(wǎng)絡(luò)編碼在退化模式下的表現(xiàn)明顯不如RAID5和RAID6。Tian Lei等人實(shí)現(xiàn)了以訪問頻度優(yōu)先的數(shù)據(jù)重構(gòu)優(yōu)化方法[5]來改善磁盤陣列中數(shù)據(jù)重建緩慢的問題，不過他們只限于對(duì)RAID5和RAID10的研究?；诖?，本文提出了一種在網(wǎng)絡(luò)編碼修復(fù)過程中利用80/20法則來加快數(shù)據(jù)重建過程的方法。在NCFS平臺(tái)上進(jìn)行了仿真實(shí)現(xiàn)，并對(duì)RAID5、RAID6和E-MBR編碼在節(jié)點(diǎn)重建時(shí)間、用戶平均響應(yīng)時(shí)間和吞吐率方面進(jìn)行了比較。
1 背景知識(shí)
1.1  帕雷托法則(Pareto principle)
    帕雷托法則又稱80-20法則，在計(jì)算機(jī)科學(xué)里，80-20法則代表80%的資源只被20%的操作所使用。具體到文件系統(tǒng)的訪問行為，是指80%的請(qǐng)求往往集中在20%的文件上，從而導(dǎo)致某一部分?jǐn)?shù)據(jù)被頻繁重復(fù)地訪問，而其他數(shù)據(jù)則相對(duì)訪問頻度較低。比如視頻網(wǎng)站約20%的視頻文件由于經(jīng)常被觀看而必須保存在內(nèi)存中，以提供快速及時(shí)的響應(yīng)；而剩余的80%視頻文件則觀看次數(shù)較少，可把這些數(shù)據(jù)置于存儲(chǔ)后端，需要訪問時(shí)再?gòu)暮蠖颂崛　?br /> 　80-20法則對(duì)數(shù)據(jù)重建具有非常重要的借鑒意義。因?yàn)橐坏┕?jié)點(diǎn)失效，系統(tǒng)就處于退化模式，處于退化模式下的文件系統(tǒng)同時(shí)兼顧重建節(jié)點(diǎn)和響應(yīng)用戶請(qǐng)求的工作。此時(shí)對(duì)失效節(jié)點(diǎn)的寫請(qǐng)求可能被拒絕，讀請(qǐng)求轉(zhuǎn)化為對(duì)若干存活數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的讀請(qǐng)求再對(duì)讀出來的數(shù)據(jù)作編碼運(yùn)算。若20%的熱點(diǎn)數(shù)據(jù)遲遲沒有重建完成，則會(huì)累積大量退化讀寫請(qǐng)求。此時(shí)不但額外增加了讀操作和運(yùn)算，而且磁盤重建數(shù)據(jù)流和用戶請(qǐng)求數(shù)據(jù)流對(duì)不同區(qū)域的讀寫操作會(huì)導(dǎo)致磁盤來回長(zhǎng)尋道，因而嚴(yán)重降低了系統(tǒng)的I/O性能和系統(tǒng)的響應(yīng)能力。若優(yōu)先重建熱點(diǎn)數(shù)據(jù)，則能明顯縮短退化模式的持續(xù)時(shí)間，改善系統(tǒng)的I/O效率和系統(tǒng)響應(yīng)能力。
1.2 E-MBR編碼(Exact Minimum Bandwidth Regenerating Code)
　    一般再生碼分為最小帶寬再生碼(MBR)和最小存儲(chǔ)再生碼(MSR)。相比MSR，MBR以略增加節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)量為代價(jià)，換取降低數(shù)據(jù)重建的帶寬開銷。通常用一個(gè)元組(n,k.,m,d)來描述一個(gè)MBR編碼系統(tǒng)。數(shù)據(jù)編碼后分布存儲(chǔ)在n個(gè)節(jié)點(diǎn)上,用戶連接其中任意k個(gè)節(jié)點(diǎn)可以還原出原始文件。節(jié)點(diǎn)修復(fù)時(shí)，新節(jié)點(diǎn)連接d個(gè)節(jié)點(diǎn)來完成修復(fù)。m=n-d，即當(dāng)失效的節(jié)點(diǎn)多于m個(gè)時(shí)，就必須要通過還原整個(gè)原始文件來完成節(jié)點(diǎn)修復(fù)，這將帶來相比常規(guī)節(jié)點(diǎn)修復(fù)過程高得多的帶寬和計(jì)算開銷。一般最基本的編碼方式是d=n-1。E-MBR編碼[3]是Rashmi等人提出來的一種準(zhǔn)確性修復(fù)MBR編碼。
2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
2.1 NCFS系統(tǒng)架構(gòu)
    NCFS是基于FUSE[6]，實(shí)現(xiàn)在用戶空間的網(wǎng)絡(luò)編碼文件系統(tǒng)。通過把物理節(jié)點(diǎn)掛載到當(dāng)前的文件系統(tǒng)下面(如/mnt/ncfs)即可以像訪問邏輯節(jié)點(diǎn)一樣訪問節(jié)點(diǎn)中的數(shù)據(jù)。NCFS主要由文件系統(tǒng)層、編碼層、存儲(chǔ)層組成。文件系統(tǒng)層負(fù)責(zé)文件系統(tǒng)的操作，比如文件讀、寫、刪除等；編碼層提供了RAID5、RAID6、E-MBR的存儲(chǔ)編碼方式；存儲(chǔ)層提供訪問具體物理設(shè)備的接口。在實(shí)驗(yàn)中，用Linux操作系統(tǒng)的偽塊設(shè)備/dev/loop來模擬物理磁盤的存儲(chǔ)行為，用戶的讀、寫請(qǐng)求都是針對(duì)/dev/loop1, /dev/loop2等塊設(shè)備的讀寫。其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

2.3 數(shù)據(jù)重建算法
　　(1)把記錄訪問頻度的數(shù)組access_rec[n]排序，得出從大到小記錄區(qū)域號(hào)的數(shù)組blk_seq[n]；
　   (2)從blk_seq[n]中取出一個(gè)區(qū)域號(hào)，進(jìn)行該區(qū)域的數(shù)據(jù)重建；

　   (3)重復(fù)步驟(2)，直到節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)重建完成。
3 實(shí)驗(yàn)評(píng)估與分析
　　對(duì)新系統(tǒng)和原系統(tǒng)的平均重建時(shí)間、平均響應(yīng)時(shí)間和吞吐率3個(gè)性能指標(biāo)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)收集，并進(jìn)行了比對(duì)。

    實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果如圖5所示。

    實(shí)驗(yàn)分析：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，E-MBR在平均重建時(shí)間、平均響應(yīng)時(shí)間和吞吐率3個(gè)性能指標(biāo)的表現(xiàn)都劣于RAID5和RAID6，這是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)編碼的優(yōu)勢(shì)主要在于節(jié)省重建帶寬，而為此付出了額外的時(shí)間開銷，導(dǎo)致重建過程較緩慢。
     不過從圖表中可以看出，經(jīng)過改進(jìn)后的新系統(tǒng)在各性能的表現(xiàn)都比原系統(tǒng)好。其中平均重建時(shí)間從1.33 s/MB降低到0.75 s/MB，有43.6%的改善；平均響應(yīng)時(shí)間從4.98 ms到改進(jìn)后的0.71 ms，整整提高了7倍；吞吐率也有了3.23倍的提升。
　　系統(tǒng)在退化模式下的性能提升關(guān)鍵在于讓訪問頻度最高的數(shù)據(jù)在最短的時(shí)間里重建完成并投入服務(wù)，使對(duì)這部分?jǐn)?shù)據(jù)的大量訪問請(qǐng)求能夠得到及時(shí)的響應(yīng)，從而減輕了CPU的壓力。另外，優(yōu)先重建訪問頻度高的數(shù)據(jù)能夠讓重建數(shù)據(jù)流和用戶請(qǐng)求數(shù)據(jù)流盡可能地重疊，以減少大量的磁頭長(zhǎng)尋道，從而得到更高的I/O 效率。
    本文基于網(wǎng)絡(luò)編碼文件系統(tǒng)(NCFS)，利用80-20法則對(duì)原系統(tǒng)的數(shù)據(jù)重建過程進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果顯示新系統(tǒng)在平均重建時(shí)間、平均響應(yīng)時(shí)間和吞吐率各方面均有比較大的提升。實(shí)驗(yàn)過程中用到了偽塊設(shè)備來模擬磁盤的存儲(chǔ)行為，所有節(jié)點(diǎn)都在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)上。這與真實(shí)的分布式網(wǎng)絡(luò)有一定的差別。
參考文獻(xiàn)
[1] GHEMAWAT S, GOBIOFF H, LEUNG S T. The Google  file system[C]. Proc. of the 19th ACM Symp. on operating  Systems Principles. December, 2003:29-43.
[2] DIMAKIS A G,GODFREY P B,WAINWRIGHT M J,et al.  Network coding for distributed storage systems[C]. IEEE  Proc. INFOCOM, May 2007:2000-2008.
[3] RASHMI K V, SHAH N B, KUMAR P V, et al. Explicit construction of optimal exact regenerating codes for distributed storage[C]. In Proc. of Allerton Conference, 2009:1243-1249.
[4] Hu Yuchong, Yu Chiuman, Yan Kit Li, et al. NCFS: on  the practicality and extensibility of a network-coding-based  distributed file system[C]. Proceedings of the 2011 International Symposium on Network Coding(NETCOD), 2011.
[5] Tian Lei,Feng Dan,Jiang Hong, et al. PRO: a popularity based multi-threaded reconstruction optimization for RAID-Structured Storage Systems[C]. In FAST′ 07, San Jose, CA, 2007:227-290.
[6] FUSE[OL]. http://fuse.sourceforge.net/, 2013.