原建偉（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院，陜西 咸陽(yáng)712000）

中小企業(yè)云盤(pán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

原建偉
（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院，陜西 咸陽(yáng)712000）

在研究了Openstack平臺(tái)與對(duì)象存儲(chǔ)項(xiàng)目Swift的工作原理后，為解決中小企業(yè)存儲(chǔ)資源使用緊張的問(wèn)題，在對(duì)JOSS API進(jìn)行重新封裝后設(shè)計(jì)了基于Keystone組件的統(tǒng)一認(rèn)證機(jī)制的適合中小企業(yè)使用的網(wǎng)盤(pán)，同時(shí)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了PC和移動(dòng)平臺(tái)客戶(hù)端用以從不同設(shè)備訪問(wèn)網(wǎng)盤(pán)。測(cè)試結(jié)果表明系統(tǒng)服務(wù)性能穩(wěn)定。

對(duì)象存儲(chǔ)；云盤(pán)；Swift API；跨平臺(tái)訪問(wèn)

企業(yè)對(duì)存儲(chǔ)的需求會(huì)隨著業(yè)務(wù)的發(fā)展不斷增加，在企業(yè)中各類(lèi)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)不斷增加大量占用這些存儲(chǔ)，所有這些業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)并不是企業(yè)業(yè)務(wù)中必須實(shí)時(shí)需求的，且多數(shù)為非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)不適合采用數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)需要進(jìn)行一定共享需求。面對(duì)這樣的需求，越來(lái)越多的企業(yè)選擇網(wǎng)絡(luò)硬盤(pán)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與共享，網(wǎng)盤(pán)不僅可以滿(mǎn)足用戶(hù)之間對(duì)數(shù)據(jù)共享的需求，還能為用戶(hù)提供高可靠性及可用性的數(shù)據(jù)服務(wù)[1-2]。目前市場(chǎng)上有很多基于公有云的網(wǎng)盤(pán)系統(tǒng)提供用戶(hù)使用如：Dropbox，金山網(wǎng)盤(pán)，百度云盤(pán)等產(chǎn)品，這些產(chǎn)品為互聯(lián)網(wǎng)用戶(hù)提供了在易用性、可靠性和可用性方面能夠提供較強(qiáng)保障的云存儲(chǔ)服務(wù)，但是企業(yè)應(yīng)用不能接受其安全隱患，因此針對(duì)企業(yè)應(yīng)用特點(diǎn)開(kāi)發(fā)一個(gè)基于企業(yè)私有云的網(wǎng)盤(pán)系統(tǒng)對(duì)于解決企業(yè)數(shù)據(jù)共享，尤其是非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的共享非常重要。

1 對(duì)象存儲(chǔ)

1.1 OpenStack云計(jì)算框架

OpenStack是著名的開(kāi)源云計(jì)算框架，采用模塊化設(shè)計(jì)，整個(gè)框架由7個(gè)主要項(xiàng)目，通常也稱(chēng)作組件：Keystone認(rèn)證服務(wù)、Nova計(jì)算服務(wù)、Swift對(duì)象存儲(chǔ)服務(wù)、Glance鏡像服務(wù)、Neutron網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、Cinder快存儲(chǔ)服務(wù)、Horizen圖形界面服務(wù)，除此之外，最近兩年OpenStack體系還發(fā)展出一些新的項(xiàng)目如：Heat組件用于實(shí)現(xiàn)模板服務(wù)、Ceilometer組件用于實(shí)現(xiàn)監(jiān)控服務(wù)等[3-5]。這些組件共同組成一個(gè)龐大的云計(jì)算體系如圖1所示。OpenStack模塊化設(shè)計(jì)不僅可以根據(jù)需求靈活搭建云計(jì)算平臺(tái)，同時(shí)還具有集成第三方技術(shù)的能力。

OpenStack框架中主要項(xiàng)目可以組合在一起構(gòu)成完整的Iaas平臺(tái)為企業(yè)構(gòu)建底層云計(jì)算平臺(tái)服務(wù)，也可以將其中的Nova（計(jì)算服務(wù)）、Swift（存儲(chǔ)服務(wù)）等服務(wù)分離出來(lái)根據(jù)企業(yè)需求實(shí)現(xiàn)單獨(dú)的計(jì)算服務(wù)或存儲(chǔ)服務(wù)。近年來(lái)隨著Openstack不斷發(fā)展與成熟，越來(lái)越多企業(yè)采用Openstack構(gòu)建企業(yè)私有云實(shí)現(xiàn)IT資源的彈性應(yīng)用。

圖1 OpenStack核心組件結(jié)構(gòu)關(guān)系圖

1.2 對(duì)象存儲(chǔ)技術(shù)

OpenStack提供3種存儲(chǔ)技術(shù)，Glance用于存儲(chǔ)和管理虛擬機(jī)鏡像，Swift是一種基于對(duì)象存儲(chǔ)的技術(shù)，Cinder提供整合后端不同種類(lèi)存儲(chǔ)類(lèi)型的塊存儲(chǔ)技術(shù)。Glance僅為nova提供鏡像的存儲(chǔ)，查詢(xún)和檢索服務(wù)，往往要借助Swift或其他存儲(chǔ)用于存放鏡像數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量較小，不適合做網(wǎng)盤(pán)的存儲(chǔ)技術(shù)。Cinder能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)后端存儲(chǔ)的統(tǒng)一封裝，從而實(shí)現(xiàn)塊級(jí)服務(wù)，在OpenStack體系里，它主要負(fù)責(zé)為Nova提供虛擬機(jī)所使用存儲(chǔ)資源，也不適合單獨(dú)作為存儲(chǔ)向外提供服務(wù)。

Swift是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)硬件構(gòu)建冗余的、可擴(kuò)展的、支持多租戶(hù)的分布式對(duì)象存儲(chǔ)系統(tǒng)，它是一種能夠提供高并行性、高伸縮性和高安全性的對(duì)象存儲(chǔ)技術(shù)[6-8]。很多企業(yè)對(duì)存儲(chǔ)的需求已經(jīng)發(fā)展到PB級(jí)別，且存在大規(guī)模非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。Swift以較為便宜的標(biāo)準(zhǔn)存儲(chǔ)設(shè)施上，通過(guò)一致性散列技術(shù)和數(shù)據(jù)冗余實(shí)現(xiàn)分布在眾多服務(wù)器上海量級(jí)別的對(duì)象訪問(wèn)時(shí)的尋址，同時(shí)將對(duì)象均勻分布在虛擬節(jié)點(diǎn)上從而減少在增刪節(jié)點(diǎn)時(shí)數(shù)據(jù)的移動(dòng)量，達(dá)到PB級(jí)存儲(chǔ)。使用對(duì)象存儲(chǔ)的可以通過(guò)使用對(duì)象作為存儲(chǔ)基本單元，以對(duì)象的屬性來(lái)維護(hù)存儲(chǔ)管理從而簡(jiǎn)化管理非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)過(guò)程，提高存儲(chǔ)的靈活性。

Swift采用層次數(shù)據(jù)模型，共設(shè)三層邏輯結(jié)構(gòu)：Account/Container/Object（即賬戶(hù)/容器/對(duì)象）[9-10]，每層節(jié)點(diǎn)數(shù)均沒(méi)有限制，可以任意擴(kuò)展。這里的賬戶(hù)可理解為租戶(hù)，用來(lái)做頂層的隔離機(jī)制，可以被多個(gè)個(gè)人賬戶(hù)所共同使用；容器代表封裝一組對(duì)象，類(lèi)似文件夾或目錄；葉子節(jié)點(diǎn)代表對(duì)象，由元數(shù)據(jù)和內(nèi)容兩部分組成如圖2所示。

圖2 Swift層次數(shù)據(jù)模型

1.3 對(duì)象存儲(chǔ)開(kāi)發(fā)接口

Swift通過(guò)代理服務(wù)向外提供基于 HTTP的REST服務(wù)接口，對(duì)賬戶(hù)、容器和對(duì)象進(jìn)行 CRUD等操作，并且提供多種語(yǔ)言環(huán)境的綁定實(shí)現(xiàn)。JOSS是Java OpenStack Storage的縮寫(xiě)，它是一組使用Java語(yǔ)言訪問(wèn)Swift的REST API，提供對(duì)Swift存儲(chǔ)的各種操作[11]。JOSS通過(guò)內(nèi)存模式能夠?qū)?yīng)用從目標(biāo)服務(wù)器中分離出來(lái)，并提供一系列的類(lèi)與接口實(shí)現(xiàn)操作和控制對(duì)象存儲(chǔ)，常用的接口大致分為兩類(lèi)：一類(lèi)用于管理授權(quán)與賬戶(hù)如：Access、Account和Client等，一類(lèi)用于操作對(duì)象存儲(chǔ)中的各種對(duì)象如：Container、 List Subject、Object Store Entity和Stored Object等。

2 云盤(pán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用目前主流的富客戶(hù)端B/S結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，基于云的存儲(chǔ)和使用往往需要多種形式的終端實(shí)現(xiàn)，目前用戶(hù)使用存儲(chǔ)的主要終端為Web終端和移動(dòng)終端，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮到目前的應(yīng)用情景，設(shè)計(jì)了兩種客戶(hù)端分別針對(duì)Web應(yīng)用和移動(dòng)應(yīng)用。服務(wù)器端采用Jfinal框架實(shí)現(xiàn)對(duì)云盤(pán)用戶(hù)數(shù)據(jù)信息以及訪問(wèn)記錄的管理，采用JOSS實(shí)現(xiàn)對(duì)Swift提供的存儲(chǔ)進(jìn)行操作，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

兩個(gè)客戶(hù)端在設(shè)計(jì)時(shí)采用了同一體系的前端技術(shù)實(shí)現(xiàn)，即Web端采用HTML5與jQuery框架的組合實(shí)現(xiàn)具有良好交互性的UI，在移動(dòng)端采用了jQuery Mobile與PhoneGap結(jié)合的混合框架實(shí)現(xiàn)適合移動(dòng)端的UI。

服務(wù)器端由兩部分組成，一部分是提供云存儲(chǔ)的 OpenStack存 儲(chǔ) 服 務(wù)集 群 ，對(duì) 外 以O(shè)penStackRESTful API形式提供用戶(hù)使用，另一部分為Web服務(wù)器，用以實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)和管理使用云存儲(chǔ)的用戶(hù)注冊(cè)信息以及使用信息，同時(shí)提供通過(guò)JOSS組件訪問(wèn)云存儲(chǔ)的渠道。

2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

用戶(hù)無(wú)論從Web端還是移動(dòng)端登陸，在使用資源之前必須獲得Keystone的認(rèn)證，否則無(wú)法使用任何資源。通過(guò)在服務(wù)器端的MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中用戶(hù)信息的分類(lèi)確定用戶(hù)類(lèi)型，分為管理員和普通用戶(hù)，普通用戶(hù)面對(duì)的資源都是抽象的對(duì)象存儲(chǔ)中的文件和文件夾等數(shù)據(jù)（一個(gè)用戶(hù)使用的所有對(duì)象存儲(chǔ)可能分布在不同的容器中），管理員的一個(gè)重要職責(zé)是對(duì)容器和用戶(hù)的管理，系統(tǒng)功能圖如圖4所示。MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)用戶(hù)的賬戶(hù)信息：賬戶(hù)名稱(chēng)、狀態(tài)、有效期、申請(qǐng)空間、空間使用情況等信息，操作記錄：操作請(qǐng)求的時(shí)間、內(nèi)容、方法、操作結(jié)果、上傳流量、下載流量、傳輸時(shí)長(zhǎng)等信息。

圖4 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 云平臺(tái)安裝與部署

由于系統(tǒng)只用到對(duì)象存儲(chǔ)因此對(duì)OpenStack體系進(jìn)行精簡(jiǎn)只保留最基礎(chǔ)的認(rèn)證項(xiàng)目Keystone以及核心存儲(chǔ)組件Swift。Swift在安裝部署時(shí)需要安裝Proxy service、Account service、Container service和Object service[12-13]。這些服務(wù)中Proxy service實(shí)現(xiàn)代理需要安裝在一臺(tái)服務(wù)器上，其他服務(wù)安裝在存儲(chǔ)服務(wù)器上，實(shí)際生產(chǎn)中往往為了構(gòu)建緊湊的系統(tǒng)會(huì)將Swift代理服務(wù)與Keystone安裝在同一臺(tái)物理服務(wù)器作為控制結(jié)點(diǎn)，一方面可以減少硬件開(kāi)支，另一方面也便于管理[14]。

控制結(jié)點(diǎn)服務(wù)器與存儲(chǔ)服務(wù)器都采用CentOS6.4系統(tǒng)，控制結(jié)點(diǎn)在安裝系統(tǒng)需要的NTP服務(wù)、MySQL等基礎(chǔ)服務(wù)后，安裝Keystone與Swift代理服務(wù)，存儲(chǔ)結(jié)點(diǎn)安裝Swift其他服務(wù)。在控制結(jié)點(diǎn)服務(wù)器端創(chuàng)建訪問(wèn)存儲(chǔ)服務(wù)所需的 Endpoint、container等資源。

3.2 功能封裝

JOSS提供接口實(shí)現(xiàn)對(duì)象存儲(chǔ)操作的全部功能，結(jié)合企業(yè)業(yè)務(wù)應(yīng)用對(duì)其進(jìn)一步封裝，一方面解決對(duì)象存儲(chǔ)本身存在的一些問(wèn)題，另一方面更好地實(shí)現(xiàn)企業(yè)需求。

1）授權(quán)管理類(lèi)

JOSS提供的授權(quán)管理接口主要實(shí)現(xiàn)對(duì)授權(quán)的管理與令牌的管理，涉及Access、Account和Client3個(gè)接口。Keystone在提供認(rèn)證服務(wù)時(shí)，通過(guò)Endpoint端點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，Endpoint端點(diǎn)形式上位一個(gè)網(wǎng)絡(luò)可訪問(wèn)的服務(wù)地址（一個(gè)URL地址），通過(guò)這個(gè)地址來(lái)獲取相應(yīng)的服務(wù)。Endpoint端點(diǎn)分為3種:提供給admin用戶(hù)使用的為adminurl，提供給OpenStack內(nèi)部服務(wù)之間通信使用的為internalurl，其他用戶(hù)可以訪問(wèn)的為publicurl。

OpenStack在Grizzly版中引入了PKI Token方法驗(yàn)證令牌（Token）從而使Keystone逐漸成為一個(gè)數(shù)字簽名認(rèn)證中心[15]。令牌是Keystone在授權(quán)過(guò)程中非常重要的一個(gè)因素，各服務(wù)之間的訪問(wèn)以及外部對(duì)資源的訪問(wèn)的相關(guān)授權(quán)都由與令牌息息相關(guān)，在默認(rèn)情況下授權(quán)令牌在生成24小時(shí)后失效，如果在一個(gè)長(zhǎng)生命周期的Web應(yīng)用中，賬戶(hù)實(shí)例的生命周期可能比令牌生命周期更長(zhǎng)，如果沒(méi)有很好的令牌管理機(jī)制就會(huì)導(dǎo)致在這種情況下，賬戶(hù)對(duì)使用云存儲(chǔ)失效。

針對(duì)以上情況采用auAccount類(lèi)封裝Web客戶(hù)端訪問(wèn)對(duì)象存儲(chǔ)時(shí)與認(rèn)證相關(guān)的主要方法如表1所示。getAccount方法，通過(guò)Username，Userpasswd，Tenant，URL等參數(shù)申請(qǐng)?jiān)L問(wèn)存儲(chǔ)資源的授權(quán)，并返回一個(gè)句柄，通過(guò)該句柄為其他方法提供訪問(wèn)相關(guān)資源的途徑；getURLsList用戶(hù)獲取可訪問(wèn)的Publicurl， 這是訪問(wèn)存儲(chǔ)資源的授權(quán)地址；newContainer、getContainer、delContainer等方法用于創(chuàng)建、獲取和刪除指定名稱(chēng)的容器對(duì)象；reautToken方法用于檢測(cè)指定會(huì)話(huà)的生存時(shí)間，如果超過(guò)令牌默認(rèn)生存周期將自動(dòng)申請(qǐng)獲取令牌。

表1 auAccount類(lèi)主要方法

2）容器管理類(lèi)

容器依靠容器服務(wù)器處理對(duì)象的一個(gè)功能映射，用于存放和管理存儲(chǔ)對(duì)象的集合。在通過(guò)auAccount類(lèi)的newContainer和getContainer方法獲得容器對(duì)象后，Container類(lèi)封裝容器管理的方法和管理存儲(chǔ)對(duì)象集合的方法。主要方法如表2所示。Container最主要的方法是getObject方法，該方法用戶(hù)獲取容器中指定的存儲(chǔ)對(duì)象，并返回該對(duì)象的操作句柄，通過(guò)該句柄進(jìn)一步對(duì)該對(duì)象進(jìn)行操作。

表2 Container類(lèi)主要方法

3）存儲(chǔ)對(duì)象管理類(lèi)

JOSS API中存儲(chǔ)對(duì)象接口StoredObject提供對(duì)存儲(chǔ)其中的對(duì)象進(jìn)行全面操作方法，因此通過(guò)getObject方法獲取的存儲(chǔ)對(duì)象操作句柄使用原生接口中提供的操作方法實(shí)現(xiàn)復(fù)制、刪除、重命名等操作。

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 測(cè)試環(huán)境

PC客戶(hù)端：硬件配置情況為主頻2.26 GHz的雙核Intel Corei5處理器，4G內(nèi)存，320 G硬盤(pán)；軟件環(huán)境為Windows 7操作系統(tǒng)。

移動(dòng)客戶(hù)端：安卓手機(jī)CPU：雙核1.0 GHz，2 G內(nèi)存，8 G存儲(chǔ)

服務(wù)器1：Intel Xeon E5-2620六核處理器（主頻2.0 Hz），8G內(nèi)存，4TB硬盤(pán)，操作系統(tǒng)CentOS。

服務(wù)器2：Intel Xeon E5-2620六核處理器 （主頻2.0 Hz），16 G內(nèi)存，4TB硬盤(pán)，操作系統(tǒng)CentOS。

服務(wù)器1兩臺(tái)作為存儲(chǔ)結(jié)點(diǎn)，服務(wù)器2一臺(tái)作為控制結(jié)點(diǎn)以及提供Web服務(wù)。

4.2 系統(tǒng)性能測(cè)試

測(cè)試以模擬企業(yè)網(wǎng)盤(pán)應(yīng)用場(chǎng)景中上傳下載頻率不會(huì)過(guò)高，上傳下載文件尺寸在不會(huì)過(guò)大的情況下進(jìn)行測(cè)試。在測(cè)試過(guò)程中模擬了從100到1 000個(gè)線(xiàn)程的并發(fā)訪問(wèn)，以及分別對(duì)從1 MB至1 GB不等的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行傳輸?shù)臓顩r進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試過(guò)程中采用多次重復(fù)取平均值的策略避免單次測(cè)試可能產(chǎn)生的系統(tǒng)或人為誤差。

表3 不同線(xiàn)程條件下不同大小文件上傳速度測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果表明在1 000以?xún)?nèi)的并發(fā)訪問(wèn)情況下文件傳輸速度變化不大，偏小的文件傳輸速度相對(duì)較慢，在64 M以上的文件傳輸速度較為穩(wěn)定。企業(yè)應(yīng)用過(guò)程中大多數(shù)文件大小一般集中在這個(gè)范圍，過(guò)大或過(guò)小的文件數(shù)量相對(duì)較少，因此從測(cè)試結(jié)果來(lái)看系統(tǒng)適合企業(yè)應(yīng)用特點(diǎn)。

5 結(jié) 論

文中介紹了一種基于Swift對(duì)象存儲(chǔ)的企業(yè)云盤(pán)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)及其實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)，此系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求實(shí)現(xiàn)了針對(duì)中小企業(yè)的云存儲(chǔ)應(yīng)用的整體解決方案，能夠?yàn)橛脩?hù)提供多平臺(tái)訪問(wèn)云盤(pán)的客戶(hù)端，以及可靠的彈性存儲(chǔ)服務(wù)，并采用統(tǒng)一的認(rèn)證服務(wù)保證系統(tǒng)訪問(wèn)的安全基礎(chǔ)，為企業(yè)云計(jì)算應(yīng)用解決方案提供很好的參考。通過(guò)測(cè)試，本系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)基于對(duì)象存儲(chǔ)的云盤(pán)數(shù)據(jù)操作和數(shù)據(jù)管理功能，同時(shí)保證了整個(gè)云盤(pán)的良好性能。

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Design and implementation on cloud disk system of minor enterprises

YUAN Jian-wei
（College of Information Engineering，Shaanxi Polytechnic Institute，Xianyang 712000，China）

Based onresearching of OpenStack platform and the theory of Swift that is object storageproject，the cloud disk system of minor enterprises with unified authentication of Keystone is designed for solution toabsence of storage in the minor enterprises，after encapsulated JOSS API，and the PC client and the mobile client developed can access the cloud disk from different platform.The result of testing indicate thestability of system service.

object storage；cloud disk；Swift API；cross-platform access

TN<915.09 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A class="emphasis_bold">915.09 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674－6236（2017）07-0070-05915.09 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1674－6236（2017）07-0070-05

A 文章編號(hào)：1674－6236（2017）07-0070-05

2016-03-20稿件編號(hào)：201603254

陜西省教育廳2016年度研究計(jì)劃專(zhuān)項(xiàng)（16JK1057）；陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院專(zhuān)項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目（zk14-23）

原建偉（1973—），男，河南沁陽(yáng)人，碩士，副教授。研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用，企業(yè)信息化建設(shè)。