彭海琴

摘要：云計算對大數(shù)據(jù)進行分析處理的前提是解決數(shù)據(jù)的存儲問題，隨著數(shù)據(jù)量的快速增長，數(shù)據(jù)存儲逐漸成為大型企業(yè)和普通用戶所關(guān)注的核心問題。本文概述了云存儲的相關(guān)概念及云存儲的模型和架構(gòu)，解析了組成云存儲模型的各層次結(jié)構(gòu)的功用及模型的架構(gòu)，并對實現(xiàn)云存儲的關(guān)鍵技術(shù)進行了簡述，以期對讀者學(xué)習(xí)云存儲有所幫助。

關(guān)鍵詞：云存儲 云存儲模型 云存儲模型架構(gòu)

中圖分類號：Tp393 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2015）04-0076-02

云計算對大數(shù)據(jù)進行分析處理的前提是解決數(shù)據(jù)的存儲問題，隨著數(shù)據(jù)量的快速增長，數(shù)據(jù)存儲逐漸成為大型企業(yè)和普通用戶所關(guān)注的核心問題。由于傳統(tǒng)存儲設(shè)備容量帶寬有限、設(shè)備節(jié)點不易擴展、不易使用、數(shù)據(jù)管理困難，不足以應(yīng)付日益增長的大數(shù)據(jù)。在這種大數(shù)據(jù)和云計算發(fā)展的背景下，應(yīng)運而生的云存儲技術(shù)在一定的程度上解決了該難題。

1 云存儲概述

從狹義上講，云存儲是在一定程度上延伸了云計算技術(shù)，是一個以數(shù)據(jù)管理和存儲為核心的云計算平臺，依靠軟件將分布在不同位置不同種類的存儲介質(zhì)有效結(jié)合起來組成一個更大的存儲介質(zhì)，對外界提供透明一致的存儲和業(yè)務(wù)訪問接口。從廣義上講，云存儲是一種按需提供的虛擬存儲服務(wù)，以及基于這個存儲服務(wù)平臺上建立起來的許多應(yīng)用，即云空間應(yīng)用。

云存儲云計算技術(shù)是人類進入大數(shù)據(jù)時代一種新型的存儲模式，可以通過網(wǎng)絡(luò)提供可配置的虛擬化存儲及相關(guān)數(shù)據(jù)訪問的服務(wù)為海量數(shù)據(jù)的存儲和管理提供解決方案。云計算中集群技術(shù)、網(wǎng)格技術(shù)和分布式文件系統(tǒng)的應(yīng)用使數(shù)據(jù)的存儲和管理更加方便。為了達到數(shù)據(jù)存儲目的，云計算系統(tǒng)需要配置大量的存儲設(shè)備，這樣系統(tǒng)由一個計算系統(tǒng)演變成了一個存儲系統(tǒng)。云存儲技術(shù)不僅繼承了云計算的特點，還有可擴展性好、性能高、成本低、無接入限制等優(yōu)勢，所以云存儲技術(shù)可以為海量數(shù)據(jù)提供一個彈性的、可伸縮的存儲平臺。

云存儲的核心主要是存儲虛擬化和存儲自動化，發(fā)展在虛擬存儲技術(shù)之上對存儲服務(wù)和設(shè)備進行虛擬化，即把對物理存儲數(shù)據(jù)的訪問抽象成對邏輯數(shù)據(jù)的訪問。存儲虛擬化除了要實現(xiàn)異構(gòu)存儲介質(zhì)的互聯(lián)和統(tǒng)一管理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享、沖突解決、一致性及數(shù)據(jù)遷移，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的透明存儲和容錯容災(zāi)策略，對系統(tǒng)要有性能優(yōu)化和負載均衡處理能力之外，還要提供存儲安全和數(shù)據(jù)訪問的安全保證。此外，虛擬存儲系統(tǒng)本身還要具有高可靠性和高可擴展性等特點。

2 云存儲結(jié)構(gòu)模型

云存儲結(jié)構(gòu)模型由訪問、應(yīng)用接口、基礎(chǔ)管理、存儲等4個層次組成，如圖1所示。傳統(tǒng)的存儲設(shè)備僅僅是簡單的硬件范疇，而云存儲的組成更多的是存儲設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、應(yīng)用軟件、服務(wù)器、訪問接口等多個部分的有機合，超越了傳統(tǒng)硬件的單一性。這個聚合中存儲設(shè)備是核心，外界用戶通過軟件來操作數(shù)據(jù)和處理業(yè)務(wù)。云存儲模型是一種典型的層次結(jié)構(gòu)，低一層向高一層提供服務(wù)，高一層次不必關(guān)心底層次的業(yè)務(wù)邏輯只需要調(diào)用接口即可，這樣提高層內(nèi)內(nèi)聚度和降低了層次之間耦合性，易于維護。

（1）訪問層，是用戶可以直接接觸到層次。任何有權(quán)限的用戶都可以通過該層提供的接口進入云存儲系統(tǒng)，享受云存儲的高效便捷的服務(wù)。這些服務(wù)不僅有個人云盤服務(wù)，還有企業(yè)空間租賃服務(wù)等，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、備份、集中管理、遠程共享等。

（2）應(yīng)用接口層，是云存儲框架中最靈活多變的一層。因為該層的組成由實際的運營單位決定，業(yè)務(wù)的不同會有不同的應(yīng)用接口提供不同的服務(wù)，例如網(wǎng)絡(luò)硬盤的接口、視頻監(jiān)控的應(yīng)用平臺等。

（3）基礎(chǔ)管理層，是云存儲架構(gòu)核心部分。這層通過集群應(yīng)用、網(wǎng)格計算、分布式文件系統(tǒng)等技術(shù)實現(xiàn)多個存儲設(shè)備之間的協(xié)同工作，使多個設(shè)備可以向外提供相同的服務(wù)。該層的P2P對等存儲技術(shù)可以保證數(shù)據(jù)的高擴展性和高容錯性。為了保證云存儲介質(zhì)中的數(shù)據(jù)不會被未授權(quán)的用戶訪問采取內(nèi)容分發(fā)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)加密及技術(shù)，同時為了達到數(shù)據(jù)冗余和云存儲自身安全穩(wěn)定的目的在該層采用數(shù)據(jù)容災(zāi)備份技術(shù)。

（4）存儲層，是云存儲架構(gòu)中最基礎(chǔ)的部分。存儲層的設(shè)備可以是網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)器（NAS，Network Access Server）、光纖通道（FC，F(xiàn)iber Channel）、網(wǎng)絡(luò)小型計算機系統(tǒng)接口（ISCSI，Internet Small Computer System Interface）等。這一層的存儲設(shè)備種類繁多，但是在統(tǒng)一的設(shè)備管理系統(tǒng)可對它們進行集中管理、虛擬化操作、狀態(tài)監(jiān)控和升級維護等?？紤]到數(shù)據(jù)冗余備份和能量消耗，通常是把存儲集群分布在不同的地域，各個地域間的集群通過網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)或FC光纖通道連接形成一個更大的邏輯設(shè)備。

3 云存儲模型架構(gòu)

云存儲主要存在兩種架構(gòu)模型，一種是緊耦合對稱架構(gòu)，另一種是松弛耦合非對稱架構(gòu)。前一種架構(gòu)出現(xiàn)比較早，設(shè)計目標(biāo)是為了解決HPC（High-Performance Computing，高性能計算）問題。后一種則不適合高性能的HPC計算，它的設(shè)計初衷更多的是出自滿足大容量的存儲需求，所以對信息資源的元數(shù)據(jù)的操作控制較前一個集中。

（1）緊耦合對稱架構(gòu)（TCS，Tight Coupling Symmetrical）。HPC計算所需要訪問單個文件的次數(shù)要比訪問單個設(shè)備的次數(shù)多得多，而采用傳統(tǒng)的NAS（Network Attached Storage，網(wǎng)絡(luò)附屬存儲），單個文件的I/O效率低下。針對這一問題，出現(xiàn)了緊耦合的對稱架構(gòu)（TCS），這個架構(gòu)模型能夠提供為文件分布式鎖管理（即鎖定文件不同部分的寫操作）和緩存一致性功能。TCS架構(gòu)對提高單個文件吞吐效率非常的有效，很多的HPC也已經(jīng)采取了此種架構(gòu)模型。

（2）松弛耦合非對稱（LCA，Loose Coupling Asymmetric）架構(gòu)。與緊耦合對稱架構(gòu)一樣，LCA架構(gòu)也是把數(shù)據(jù)節(jié)點向外擴展，但是LCA架構(gòu)的策略與TCS不同，它利用一個數(shù)據(jù)節(jié)點之外的數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)服務(wù)器來管理數(shù)據(jù)，對于數(shù)據(jù)的操作只需要這元數(shù)據(jù)服務(wù)器知道即可，而不需要通知全部的節(jié)點。這種元數(shù)據(jù)集中管理的方式有很多優(yōu)勢：a）數(shù)據(jù)的存儲節(jié)點可以只專注數(shù)據(jù)的讀寫服務(wù)，而不需要實時同步其他數(shù)據(jù)節(jié)點的狀態(tài)；b）降低存儲節(jié)點之間互聯(lián)同步狀態(tài)的開銷，有效利用帶寬，如昂貴的光纖通道等，降低了使用成本。c）用戶可以根據(jù)需要，通過虛擬化的技術(shù)來調(diào)整云存儲的規(guī)模大小。

4 實現(xiàn)云存儲的關(guān)鍵技術(shù)

（1）存儲虛擬化技術(shù)。存儲虛擬化技術(shù)能夠?qū)⒉煌瑥S商、不同型號、不同通信技術(shù)、不同類型的存儲設(shè)備映射為一個統(tǒng)一的邏輯存儲資源池，并對其進行統(tǒng)一分配管理，屏蔽存儲實體間的物理位置以及異構(gòu)特性，實現(xiàn)資源對用戶的透明性，降低構(gòu)建、管理和維護資源的成本，提升云存儲系統(tǒng)的資源利用率。目前業(yè)界主要的存儲虛擬化技術(shù)有基于主機、基于存儲設(shè)備和基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬化技術(shù)。

（2）分布式存儲技術(shù)。分布式存儲技術(shù)是通過網(wǎng)絡(luò)使用服務(wù)商提供的各個存儲設(shè)備上的存儲空間，并將這些分散的存儲資源整合成一個虛擬的存儲設(shè)備，這樣數(shù)據(jù)可以分散的存儲在各個不同的設(shè)備上。目前比較流行的分布式存儲技術(shù)為：分布式塊存儲、分布式文件系統(tǒng)存儲、分布式對象存儲和分布式表存儲。

（3）數(shù)據(jù)備份技術(shù)。云存儲為了保證數(shù)據(jù)的可靠性一般是采取備份機制，即數(shù)據(jù)備份技術(shù)，有兩種副本存放技術(shù)，一是通過集中式的存儲目錄來定位數(shù)據(jù)對象的存儲位置，這種方法可以利用存儲目錄中存放的存儲節(jié)點信息，將數(shù)據(jù)對象的多個副本放置在不同機架上，可大大提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可靠性。二是布局方法是基于哈希算法的副本布局方法。

（4）數(shù)據(jù)縮減技術(shù)。云存儲中的數(shù)據(jù)縮減技術(shù)滿足海量信息爆炸式增長趨勢的同時，也一定程度上節(jié)約企業(yè)存儲成本。自動精簡技術(shù)有效減少分配給一個應(yīng)用而實際沒有被使用到的存儲空間，而當(dāng)實際使用空間不足時會自動擴展空間。自動分層技術(shù)根據(jù)數(shù)據(jù)的使用情況進行分層，可以把不常用的數(shù)據(jù)遷移到其他節(jié)點存儲。數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)滿足了數(shù)據(jù)的高傳輸率的要求。存儲設(shè)備中不可避免會有重復(fù)數(shù)據(jù)出現(xiàn)，需要某種策略去除重復(fù)數(shù)據(jù)提高空間利用率。

此外，還需要內(nèi)容分發(fā)技術(shù)盡量避開互聯(lián)網(wǎng)上由于網(wǎng)絡(luò)帶寬小、網(wǎng)點分布不均、用戶訪問量大等影響數(shù)據(jù)傳輸速度和穩(wěn)定性的因素，使數(shù)據(jù)傳輸?shù)母?、更穩(wěn)定。在云存儲中數(shù)據(jù)遷移技術(shù)和數(shù)據(jù)容錯技術(shù)也是必不可少的。

5 結(jié)語

本文概述了云存儲的相關(guān)概念及云存儲的模型和架構(gòu)，解析了組成云存儲模型的各層次結(jié)構(gòu)的功用及模型的架構(gòu)，并對實現(xiàn)云存儲的關(guān)鍵技術(shù)進行了簡述，以期對讀者學(xué)習(xí)云存儲有所幫助。

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