夏秀峰，張 羽

（1.沈陽航空航天大學(xué) 遼寧省通用航空重點(diǎn)實驗室，遼寧 沈陽110136；2.沈陽航空航天大學(xué) 計算機(jī)學(xué)院，遼寧 沈陽110136）

0 引 言

目前，PDM （product data management）系統(tǒng)均采用基于RDB （relational database）實現(xiàn)，且采用獨(dú)立文件服務(wù)器存儲產(chǎn)品數(shù)據(jù)。隨著制造企業(yè)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的不斷積累，面對海量數(shù)據(jù)高效存儲與訪問要求，傳統(tǒng)存儲方式成為制約PDM 系統(tǒng)性能的瓶頸之一。另一方面，RDB 橫向擴(kuò)展性差，且隨MBD （model based definition）／MBE （model based enterprise）技術(shù)的實施，PDM 數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)特征越來越弱，因此使用NOSQL 數(shù)據(jù)庫存儲文件元數(shù)據(jù)信息，將云存儲技術(shù)應(yīng)用于PDM，構(gòu)建企業(yè)私有云環(huán)境下的PDM文件系統(tǒng)，在提升PDM 文件讀寫性能的同時，使PDM 文件系統(tǒng)具有更好的健壯性和擴(kuò)展性。

Hadoop［1，2］是一個優(yōu)秀的開源云計算平臺，以HDFS（Hadoop distributed file system）和MapReduce分布式計算框架為核心。其中，HDFS作為GFS （Google file system）的開源實現(xiàn)是Hadoop數(shù)據(jù)存儲的基礎(chǔ)。針對HDFS負(fù)載均衡的研究已經(jīng)取得一些成果?，F(xiàn)有研究多是基于數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)存儲空間的負(fù)載均衡，通過合理的數(shù)據(jù)塊分布實現(xiàn)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的負(fù)載均衡。在PDM 中，由于用戶對歷史產(chǎn)品數(shù)據(jù)的訪問大大少于對新產(chǎn)品數(shù)據(jù)的訪問，因此可能會出現(xiàn)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)存儲數(shù)據(jù)量相同，但數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)用戶請求量相差較大的現(xiàn)象，使某些數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)處于過載狀態(tài)，而其它數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)處于低載或空載狀態(tài)。

本文提出一種基于負(fù)載信息的文件讀取均衡算法，算法使用動態(tài)負(fù)載均衡技術(shù)，即客戶端根據(jù)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)負(fù)載信息動態(tài)創(chuàng)建文件讀取請求，避免用戶請求過度集中于某些數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，較好實現(xiàn)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡，并使用戶等待時間明顯縮短。

1 負(fù)載評價

通常，集群負(fù)載均衡可分為靜態(tài)和動態(tài)兩種方式。靜態(tài)負(fù)載均衡算法無需根據(jù)集群運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行任務(wù)的調(diào)整；動態(tài)負(fù)載均衡在系統(tǒng)運(yùn)行過程中根據(jù)各節(jié)點(diǎn)的資源利用情況，動態(tài)調(diào)整分配給各節(jié)點(diǎn)的任務(wù)。文獻(xiàn) ［3］對集群文件服務(wù)系統(tǒng)中常見的負(fù)載均衡算法進(jìn)行了詳細(xì)介紹。

靜態(tài)負(fù)載均衡不考慮當(dāng)前所有連接狀態(tài)及各節(jié)點(diǎn)之間當(dāng)前的負(fù)載情況。由于無需額外獲取服務(wù)器負(fù)載信息，任務(wù)分配與系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)無關(guān)，造成任務(wù)分配具有盲目性的特點(diǎn)，因而導(dǎo)致負(fù)載均衡效果不理想。文獻(xiàn) ［4］對負(fù)載均衡算法進(jìn)行了詳細(xì)介紹并對比優(yōu)缺點(diǎn)。

動態(tài)負(fù)載均衡根據(jù)集群各節(jié)點(diǎn)當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行任務(wù)的動態(tài)分配，負(fù)載均衡效果明顯優(yōu)于靜態(tài)負(fù)載均衡方式，但如果算法設(shè)計不合理容易導(dǎo)致負(fù)載均衡失敗并增加集群的額外開銷。文獻(xiàn) ［5］利用自適應(yīng)的反饋機(jī)制，有效降低獲取負(fù)載信息的額外開銷。文獻(xiàn) ［6］提出一種改進(jìn)的基于反饋的負(fù)載均衡算法，在考慮服務(wù)節(jié)點(diǎn)真實負(fù)載，處理能力的基礎(chǔ)上，盡量簡化負(fù)載均衡器的任務(wù)分配算法。

文獻(xiàn) ［7，8］分別對Hadoop默認(rèn)負(fù)載均衡算法進(jìn)行改進(jìn)，經(jīng)實驗對比數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)存儲空間使用更加平均，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)存儲空間的負(fù)載均衡。文獻(xiàn) ［9］建立基于控制變量的數(shù)據(jù)負(fù)載均衡數(shù)學(xué)模型，通過控制變量動態(tài)分配網(wǎng)絡(luò)帶寬以實現(xiàn)數(shù)據(jù)負(fù)載均衡。文獻(xiàn) ［10］提出基于結(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)距離與數(shù)據(jù)負(fù)載計算每個結(jié)點(diǎn)的調(diào)度評價值，實現(xiàn)數(shù)據(jù)放置負(fù)載均衡的同時保證了良好的數(shù)據(jù)傳輸性能。

本文選用動態(tài)負(fù)載均衡方式進(jìn)行請求分配，為確定某一時刻數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的負(fù)載大小，需要對數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)負(fù)載情況進(jìn)行計算。而負(fù)載評價因素的選取則直接影響動態(tài)負(fù)載均衡性能的好壞。①由于本文以企業(yè)私有云環(huán)境下PDM 文件系統(tǒng)動態(tài)負(fù)載均衡為研究背景，對數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的壓力負(fù)載主要是數(shù)據(jù)I／O 操作，所以將硬盤使用率作為第一個評價因素；②由于數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)需要執(zhí)行MapReduce任務(wù)，因此將CPU做為第二個評價因素；③分布式文件系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)為用戶提供服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)帶寬的使用率影響著數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)響應(yīng)時間，因此將網(wǎng)絡(luò)帶寬作為最后一個評價因素。由此得出數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)負(fù)載評價函數(shù)如式 （1）所示

式中：U（Disk）——硬盤使用率，U（CPU）——CPU 使用率，U（Net）——上行網(wǎng)絡(luò)帶寬使用率。U（Node）——負(fù)載大小，U（Node）數(shù)值越大代表數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)負(fù)載越重。其中λ1、λ2、λ3為各評價因素的權(quán)重因子，且λ1＋λ2＋λ3＝1。

2 負(fù)載均衡算法

HDFS自帶的讀取算法 （以下簡稱默認(rèn)算法）中，選擇某個數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)提供服務(wù)需要通過排序與選擇兩個階段完成。通過循環(huán)執(zhí)行排序算法和選擇算法，為文件的每個數(shù)據(jù)塊選擇合適的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)向用戶提供服務(wù)。默認(rèn)排序算法沒有考慮數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的實際負(fù)載情況，僅能隨機(jī)選擇某個數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)提供服務(wù)，因而負(fù)載均衡效果較差。同時默認(rèn)算法使用順序讀取方式限制了數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的選擇范圍，導(dǎo)致用戶請求的過度集中造成數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)過載現(xiàn)象的出現(xiàn)。

針對上述問題，提出一種基于負(fù)載信息的文件讀取均衡算法。該算法采用動態(tài)負(fù)載均衡方式，使用數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)負(fù)載評價函數(shù)為動態(tài)分配請求提供依據(jù)，并且通過非順序請求方式打破對數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)選擇的限制，擴(kuò)大數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)選擇范圍。算法將動態(tài)負(fù)載均衡技術(shù)與非順序請求相結(jié)合，最終實現(xiàn)集群的動態(tài)負(fù)載均衡。

2.1 算法基本思想

面對用戶大量并發(fā)請求，順序讀取方式限制了數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)選擇范圍，導(dǎo)致請求集中于保存某些數(shù)據(jù)塊副本的節(jié)點(diǎn)上。而非順序請求方式可以擴(kuò)大數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的選擇范圍，存儲文件數(shù)據(jù)塊副本的所有節(jié)點(diǎn)均是選擇對象。PDM 系統(tǒng)中，用戶的一次訪問要求獲得文件的整體，并不關(guān)心文件數(shù)據(jù)塊的讀取順序，這種特點(diǎn)使非順序讀取成為可能。

算法的基本思想是，通過非順序請求方式增加數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的選擇對象之后，使用負(fù)載評價函數(shù)確定各數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)負(fù)載大小，根據(jù)負(fù)載信息優(yōu)先選擇低負(fù)載數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)提供服務(wù)，從而實現(xiàn)集群的負(fù)載均衡。

2.2 算法描述

根據(jù)算法的基本思想，下面給出基于負(fù)載信息的文件讀取均衡算法描述：

（1）根據(jù)用戶請求獲取請求文件信息，信息包括文件數(shù)據(jù)塊與數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)存儲關(guān)系、文件長度。

（2）根據(jù)文件系統(tǒng)元信息為保存有請求文件數(shù)據(jù)塊的節(jié)點(diǎn)建立臨時映射，映射記錄數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)自身與存儲請求文件數(shù)據(jù)塊的關(guān)系。

（3）使用集合結(jié)構(gòu)記錄文件數(shù)據(jù)塊，用于判斷文件所有數(shù)據(jù)塊是否讀取完成。

（4）判斷文件數(shù)據(jù)塊是否全部讀取，如果是則轉(zhuǎn)（11）。

（5）獲取保存有文件數(shù)據(jù)塊節(jié)點(diǎn)的負(fù)載信息，使用集合記錄節(jié)點(diǎn)負(fù)載信息。

（6）計算節(jié)點(diǎn)平均負(fù)載，從負(fù)載信息集合中刪除大于平均負(fù)載的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)。

（7）從負(fù)載信息集合中選擇一個數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)提供服務(wù)。

（8）通過數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)塊的臨時映射，選擇一個數(shù)據(jù)塊為目標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。

（9）將讀取數(shù)據(jù)塊從所在數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的臨時映射中刪除。

（10）從數(shù)據(jù)塊讀取記錄中刪除讀取完成的數(shù)據(jù)塊，跳至 （4）。

（11）文件讀取結(jié)束。

算法的偽代碼如下。

輸入：文件路徑src

初始化：

3 實驗結(jié)果分析

為驗證算法的有效性，實驗使用一臺曙光A620r－G 服務(wù)器、兩臺曙光A840r－G 高性能服務(wù)器搭建分布式環(huán)境，存儲設(shè)備為曙光DS200－N10 磁盤陣列，Hadoop 版本為1.2.1。利用虛擬化技術(shù)創(chuàng)建8個數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，各數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)帶寬為100 Mbps。使用PC 作為客戶端模擬用戶并發(fā)請求文件，每個用戶網(wǎng)絡(luò)帶寬為10 Mbps，請求文件大小為271 MB。

圖1為用戶平均等待時間的對比，不難看出，隨著用戶并發(fā)訪問數(shù)量的不斷增加，所提算法的性能優(yōu)勢逐漸體現(xiàn)出來。模擬20 個用戶并發(fā)請求時，集群處于低負(fù)載狀態(tài)。此時兩種算法的用戶平均等待時間區(qū)別較小。當(dāng)模擬80個用戶并發(fā)請求時，集群處于高負(fù)載狀態(tài)。由于默認(rèn)算法負(fù)載均衡效果不理想，未能充分利用集群中數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)資源，與所提算法相比用戶平均等待時間明顯增加。

圖1 用戶平均等待時間對比

模擬20個用戶并發(fā)請求文件時默認(rèn)算法數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)負(fù)載信息如圖2所示。由于默認(rèn)算法順序請求文件數(shù)據(jù)塊，用戶請求集中在存儲數(shù)據(jù)塊副本的3個數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)上。由于用戶請求數(shù)量較少集群各數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)處于低負(fù)載狀態(tài)，因此并未出現(xiàn)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)過載現(xiàn)象。

模擬20個用戶并發(fā)請求時所提算法數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)負(fù)載信息如圖3所示。所提算法根據(jù)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)負(fù)載信息動態(tài)分配用戶請求，從而提高集群數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)利用率。與默認(rèn)算法相比新算法能夠充分利用多個數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，因此降低了數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的負(fù)載，但低負(fù)載情況下兩種算法用戶平均等待時間差別較小。

圖2 默認(rèn)算法數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)負(fù)載信息

圖3 所提算法數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)負(fù)載信息

模擬80個用戶并發(fā)請求時默認(rèn)算法數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)負(fù)載信息如圖4所示。集群處于高負(fù)載狀態(tài)下數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)負(fù)載相差較大，集群數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)多處于空載狀態(tài)。由于數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)資源嚴(yán)重浪費(fèi)，因此用戶平均等待時間大幅增加。

圖4 默認(rèn)算法數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)負(fù)載信息

模擬80個用戶并發(fā)請求時新算法數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)負(fù)載信息如圖5所示。集群處于高負(fù)載狀態(tài)下，所提算法充分利用集群數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)資源實現(xiàn)了集群的負(fù)載均衡。與默認(rèn)算法相比用戶平均等待時間明顯縮短。

由于PDM 是裝備制造企業(yè)的核心軟件，在每個時刻，往往有幾百個用戶同時訪問，此時，所提算法的優(yōu)勢將更加明顯。

圖5 所提算法數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)負(fù)載信息

4 結(jié)束語

本文分析了PDM 文件請求的特點(diǎn)，并提出一種基于負(fù)載信息的文件讀取均衡算法。該算法將動態(tài)負(fù)載均衡技術(shù)與非順序請求方式有效結(jié)合，增加了用戶請求節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，避免因用戶請求集中而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)過載問題的發(fā)生，從而實現(xiàn)集群的負(fù)載均衡。通過實驗對比，在低負(fù)載和中度負(fù)載情況下負(fù)載均衡效果比默認(rèn)算法有所提高，在高負(fù)載情況下負(fù)載均衡效果提升明顯，解決了PDM 數(shù)據(jù)高并發(fā)條件下存儲與訪問效率低下的問題。

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