孫 也， 叢 巖

（1.吉林廣播電視大學(xué)教務(wù)處，長春130000；2.空軍航空大學(xué)模擬訓(xùn)練中心，長春130022）

0 引 言

本文提出一種基于數(shù)據(jù)流的多源并行高可靠數(shù)據(jù)容災(zāi)算法（MultiSourceParallelHighlyReliable Recovery，MSPR），該算法采用“一對多”的形式對數(shù)據(jù)進(jìn)行快速備份和恢復(fù)，容災(zāi)對象服務(wù)器通過網(wǎng)絡(luò)與多個(gè)備份服務(wù)器相連形成多點(diǎn)結(jié)構(gòu)，將容災(zāi)對象服務(wù)器的數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)流的形式傳輸?shù)絺浞莘?wù)器中，存儲多個(gè)副本，利用相連接的多處備份服務(wù)器結(jié)合負(fù)載均衡技術(shù)并行下載差異數(shù)據(jù)。MSPR算法可充分考慮各個(gè)服務(wù)器的實(shí)際負(fù)載能力，合理分配數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，通過快慢協(xié)調(diào)保證數(shù)據(jù)恢復(fù)過程的同步與一致性。

1 MSPR算法分析

MRDBR算法［7-9］在對各個(gè)備份服務(wù)器分配任務(wù)時(shí)沒有考慮各個(gè)備份服務(wù)器的狀態(tài)差異，利用平均原則進(jìn)行分配，這樣雖然簡化了分配的時(shí)間和資源開銷，但是由于各個(gè)鏈路負(fù)載不同、服務(wù)器性能不穩(wěn)定等因素，容易出現(xiàn)完成任務(wù)時(shí)間的嚴(yán)重不平衡情況，給再分配工作帶來巨大的壓力［10］。另外，數(shù)據(jù)在傳輸過程中缺乏必要的校驗(yàn)機(jī)制，會造成資源和時(shí)間成本的浪費(fèi)。鑒于以上問題，對MRDBR算法進(jìn)行改進(jìn)，提出一種基于數(shù)據(jù)流的MSPR，可以滿足以下要求：①利用負(fù)載均衡思想［11］，在恢復(fù)任務(wù)初次分配上，根據(jù)各個(gè)備份服務(wù)器不同的負(fù)載狀態(tài)進(jìn)行分配，使分配更加均勻合理；②在數(shù)據(jù)傳輸過程中，加入針對一定數(shù)據(jù)粒度的校驗(yàn)機(jī)制，避免數(shù)據(jù)傳輸前后不一致造成的資源浪費(fèi)［12］。

MSPR具體算法分析如下：

設(shè)本地服務(wù)器P發(fā)生災(zāi)難時(shí)，已經(jīng)將本地?cái)?shù)據(jù)D備份到不同位置的n臺備份服務(wù)器｛S1，S2，…，Sn｝中，數(shù)據(jù)大小均為d，而在P中災(zāi)難發(fā)生后保留可用的數(shù)據(jù)為E，MAPR算法僅僅恢復(fù)E與D的差異部分F，從而減小工作量，提高恢復(fù)的針對性，差異F＝D－（E∩D），大小為f且f＜d。設(shè)方案整體的平均恢復(fù)速度為vw，恢復(fù)的整體時(shí)間tRTO＝f／vw，為了將tRTO降到最小，MAPR算法的核心任務(wù)是合理分配鏈路和并行恢復(fù)數(shù)據(jù)，并在考慮本地主機(jī)性能和硬件成本的情況下使vw達(dá)到一個(gè)最佳值。在分配傳輸任務(wù)前，要對各個(gè)備份服務(wù)器負(fù)載情況進(jìn)行預(yù)分配，在分配過程中根據(jù)各個(gè)鏈路傳輸速度以及完成情況進(jìn)行任務(wù)的動態(tài)調(diào)整再分配。

在預(yù)分配階段，各個(gè)備份服務(wù)器的負(fù)載指標(biāo)作為最重要的參考，設(shè)N臺備份服務(wù)器對應(yīng)的負(fù)載為Loadi（t），代表第i臺備份服務(wù)器在時(shí)刻t的負(fù)載情況。負(fù)載作為一個(gè)綜合性較強(qiáng)的指標(biāo)，主要與t時(shí)刻第i臺備份服務(wù)器CPU使用率Ci（t）、內(nèi)存占用率Mi（t）、磁盤I／O 占用率Ii（t）和響應(yīng)時(shí)間用率Ri（t）有關(guān)，具體表達(dá)式為：式中：w1、w2、w3、w4分別表示CPU 使用率、內(nèi)存占用率、磁盤I／O占用率和響應(yīng)時(shí)間對整體負(fù)載的影響權(quán)值，且w1＋w2＋w3＋w4＝1。

不同情況下，各參數(shù)對負(fù)載的影響并不是一成不變的，因此權(quán)值也是根據(jù)具體的環(huán)境與實(shí)驗(yàn)分析所確定的。在獲得負(fù)載指標(biāo)后，根據(jù)下式將所要恢復(fù)數(shù)據(jù)F進(jìn)行分配。

式中，F(xiàn)i表示第i臺備份服務(wù)器所需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)任務(wù)。

土體和直根的物理屬性和測試模型的物理屬性基本保持一致。土體和直根的泊松比0.3,密度2 000 kg/m3,土體楊氏模量1×106 Pa;直根楊氏模量1×107 Pa。摩擦系數(shù)定為0.5；重力加速度為10 m/s2；彈性滑動值一般設(shè)為總接觸長度的1%；拔出距離同具體只跟尺寸有關(guān)。

再分配階段負(fù)責(zé)動態(tài)調(diào)整任務(wù)分配，主要是由于預(yù)分配后，各個(gè)備份服務(wù)器在執(zhí)行過程中由于狀態(tài)的變化和不確定因素影響了恢復(fù)速度，常出現(xiàn)某一臺或幾臺備份服務(wù)器已完成了相應(yīng)的傳輸任務(wù)量，而其他備份服務(wù)器任務(wù)卻沒有結(jié)束。設(shè)這種情況為t0時(shí)刻，某臺服務(wù)器SS已經(jīng)完成預(yù)分配任務(wù)，此時(shí)將預(yù)計(jì)最長時(shí)間完成的備份服務(wù)器Sl的任務(wù)按照一定比例分配給SS。在分配階段，主要考慮各個(gè)服務(wù)器鏈路傳輸平均速度和剩余數(shù)據(jù)大小，通過算式max｛f′1／ˉv1，f′2／ˉv2，…，f′n／ˉvn｝找出最長恢復(fù)時(shí)間的備份服務(wù)器，并將未完成的任務(wù)量根據(jù)下式分配給SS共同完成。

式中：f″S、f″L分別代表備份服務(wù)器SS、Sl再分配后的任務(wù)量；LoadS（t0）、LoadL（t0）為備份服務(wù)器SS、Sl在t0時(shí)刻的負(fù)載；ˉvS、ˉvL為備份服務(wù)器SS、Sl恢復(fù)數(shù)據(jù)過程中的平均速度；β為服務(wù)器當(dāng)前負(fù)載對傳輸任務(wù)重新分配的影響系數(shù)。

本地服務(wù)器與備份服務(wù)器Si在連接過程和傳輸過程中所需要的總時(shí)間ti為

式中：tconnect為本地服務(wù)器與備份服務(wù)器建立連接所需要的時(shí)間；tresponse為每次數(shù)據(jù)請求的響應(yīng)時(shí)間。這兩段時(shí)間數(shù)據(jù)并沒有傳輸，帶寬沒有得到利用。為了避免數(shù)據(jù)分散過細(xì)導(dǎo)致總的數(shù)據(jù)響應(yīng)時(shí)間與連接時(shí)間延長，從而造成資源浪費(fèi)，設(shè)置一個(gè)數(shù)據(jù)閾值δ，當(dāng)再次分配時(shí)，預(yù)計(jì)最長時(shí)間未完成的任務(wù)數(shù)據(jù)量f′L＜δ時(shí)，不需將剩余部分再分配給其他服務(wù)器。

為保證MSPR算法數(shù)據(jù)傳輸過程數(shù)據(jù)恢復(fù)的一致性，首先將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)按照一定大小分成j個(gè)數(shù)據(jù)塊，余出部分同樣分在一起。然后在備份服務(wù)器數(shù)據(jù)發(fā)送端對數(shù)據(jù)流進(jìn)行分析，并計(jì)算出每個(gè)傳輸數(shù)據(jù)塊的特征值，通過對比判斷確定數(shù)據(jù)傳輸前后的一致性。

2 MSPR算法流程

當(dāng)本地服務(wù)器發(fā)生災(zāi)難，造成數(shù)據(jù)丟失時(shí)啟動MSPR算法，整個(gè)算法分為前期處理階段、預(yù)分配傳輸階段、再分配傳輸階段以及校驗(yàn)階段，具體流程如圖1所示［12-15］。

圖1 MSPR算法流程

（1）前期處理階段。當(dāng)災(zāi)難發(fā)生時(shí)，首先由F＝D－（E∩D）獲取需要恢復(fù)數(shù)據(jù)部分，確定需要恢復(fù)數(shù)據(jù)內(nèi)容F和大小f后，由本地服務(wù)器P向各個(gè)備份服務(wù)器｛S1，S2，…，Sn｝發(fā)送傳輸請求，同時(shí)記錄各個(gè)備份服務(wù)器的反饋負(fù)載信息Loadi（t）。

（2）預(yù)分配階段。在獲得各個(gè)備份服務(wù)器的負(fù)載信息Loadi（t）后，根據(jù)式（2）劃分?jǐn)?shù)據(jù)，完成預(yù)分配恢復(fù)任務(wù)，并對各備份服務(wù)器發(fā)送相應(yīng)的備份服務(wù)器恢復(fù)的任務(wù)記錄Ri，格式為：

式中：rec為容災(zāi)表示；offset為對應(yīng)備份服務(wù)器所要恢復(fù)任務(wù)的偏移地址；fi為對應(yīng)備份服務(wù)器需恢復(fù)數(shù)據(jù)大小。

各個(gè)備份服務(wù)器在接收到來自本地服務(wù)器發(fā)來的任務(wù)記錄后，按照指定的偏移量及數(shù)據(jù)大小讀取各自數(shù)據(jù)Fi，同時(shí)根據(jù)MD5算法在傳輸端利用函數(shù)H（Fi）算出數(shù)據(jù)Fi的特征值γbi，存儲任務(wù)記錄反饋R′i中發(fā)送給本地服務(wù)器。記錄反饋格式為：

本地服務(wù)器接收到來自各備份服務(wù)器的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)按照偏移量進(jìn)行順序存儲，逐步完成數(shù)據(jù)的恢復(fù)。

（3）再分配階段。當(dāng)其中的某個(gè)備份服務(wù)器完成其分配的任務(wù)時(shí)，需要按照式（3）將此時(shí)預(yù)計(jì)需要最長時(shí)間完成的備份服務(wù)器Sl的任務(wù)分配給SS，并執(zhí)行預(yù)分配之后的步驟。為了減小不必要的再分配造成時(shí)間響應(yīng)浪費(fèi)，設(shè)置一個(gè)數(shù)據(jù)閾值δ，當(dāng)再次分配時(shí)，預(yù)計(jì)最長時(shí)間未完成的任務(wù)數(shù)據(jù)量f′L＜δ時(shí)，不必將剩余部分再分配給其他服務(wù)器。

（4）數(shù)據(jù)校驗(yàn)階段。數(shù)據(jù)校驗(yàn)階段貫穿于數(shù)據(jù)恢復(fù)的整個(gè)過程，在備份服務(wù)器的數(shù)據(jù)發(fā)送端利用WinPcap將數(shù)據(jù)流捕獲并進(jìn)行分析，并結(jié)合MD5算法計(jì)算出一定大小χ傳輸數(shù)據(jù)塊的特征值γbij，當(dāng)對應(yīng)數(shù)據(jù)在本地服務(wù)器接收后再次利用函數(shù)H（Fi）算出對應(yīng)接收數(shù)據(jù)的特征值γaij，通過判斷是否滿足γbij＝γaij來確定數(shù)據(jù)傳輸前后的一致性，以保證數(shù)據(jù)恢復(fù)的準(zhǔn)確性，若γbij≠γaij需要重新傳輸對應(yīng)的數(shù)據(jù)塊。

3 MSPR算法測試

為驗(yàn)證MSPR算法整體的有效性和各項(xiàng)性能，在千兆局域網(wǎng)中搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境，包括本地主服務(wù)器1臺，備份服務(wù)器6臺。服務(wù)器CPU型號為Intel E5-2600 V4，8GB 內(nèi)存，操作系統(tǒng)為Windows Server 2008，本地服務(wù)器的網(wǎng)卡帶寬為1 Gb／s，備份服務(wù)器的網(wǎng)卡帶寬為100 Mb／s。其他參數(shù)配置見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境參數(shù)

3.1 測試結(jié)果

測試分為6組，每組實(shí)驗(yàn)所需要的備份服務(wù)器的數(shù)量分別為1～6。在測試過程中，各備份服務(wù)器持續(xù)不斷地向本地服務(wù)器傳輸數(shù)據(jù)，分別測得每組實(shí)驗(yàn)中組內(nèi)所有備份服務(wù)器的數(shù)據(jù)恢復(fù)速度?？紤]到初始傳輸狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸速度不穩(wěn)定，測量過程以第10 s時(shí)間為基準(zhǔn)，在輸出開始10 s測量各組中各個(gè)服務(wù)器的數(shù)據(jù)恢復(fù)速度，則不同備份源服務(wù)器的數(shù)據(jù)恢復(fù)速度如圖2所示。

測得備份服務(wù)器數(shù)量變化情況下，各組實(shí)驗(yàn)本地服務(wù)器數(shù)據(jù)恢復(fù)的整體速度，時(shí)間從0 s開始，如圖3所示。

實(shí)驗(yàn)證明，在一定范圍內(nèi)，本地服務(wù)器的數(shù)據(jù)恢復(fù)速度與并行連接的備份服務(wù)器數(shù)量呈明顯的遞增趨勢，充分證明了利用多源并行數(shù)據(jù)恢復(fù)可以利用多條鏈路帶寬，大幅提高數(shù)據(jù)整體恢復(fù)速率。利用恢復(fù)算法進(jìn)行并行恢復(fù)過程中，各個(gè)鏈路達(dá)到速度穩(wěn)定值所用時(shí)間為3～4 s，具有比較短的初始響應(yīng)時(shí)間。當(dāng)備份服務(wù)器數(shù)量達(dá)到5以上時(shí)，本地服務(wù)器數(shù)據(jù)恢復(fù)速度受制于處理性能和存儲性能，達(dá)到本地服務(wù)器網(wǎng)卡帶寬值的60%左右，恢復(fù)速率不能繼續(xù)增長保持在一定水平收斂。因此，考慮到資源成本利用的最大化，為了達(dá)到最佳恢復(fù)速率且兼顧成本代價(jià)，本實(shí)驗(yàn)環(huán)境備份服務(wù)器設(shè)為4或5。

圖2 不同備份源服務(wù)器的數(shù)據(jù)恢復(fù)速度

圖3 本地服務(wù)器數(shù)據(jù)恢復(fù)的整體速度

3.2 性能對比

備份服務(wù)器數(shù)量分別設(shè)為5，設(shè)置恢復(fù)數(shù)據(jù)大小為1～10 GB，測試本文改進(jìn)算法MSPR與傳統(tǒng)多點(diǎn)恢復(fù)數(shù)據(jù)MRPTC算法的恢復(fù)時(shí)間。其中，MRPTC采取數(shù)據(jù)恢復(fù)鏈路平均分配的方法，分配系數(shù)σ＝0.2。兩種算法恢復(fù)時(shí)間RTO對比結(jié)果如圖4所示。

在傳輸速率上，設(shè)置恢復(fù)數(shù)據(jù)大小為10 GB，備份服務(wù)器數(shù)量為5，在10～150 s測得兩種算法整體恢復(fù)速度如圖5所示。

在可靠性上利用第3方特征值計(jì)算工具M(jìn)D5sum，分別設(shè)置恢復(fù)數(shù)據(jù)大小為1～10 GB，測試恢復(fù)數(shù)據(jù)在傳輸前和恢復(fù)后是否一致，兩種算法恢復(fù)數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤率對比如圖6所示。

圖4 兩種算法RTO對比

圖5 數(shù)據(jù)恢復(fù)速度對比圖

圖6 錯(cuò)誤率對比

RTO對比實(shí)驗(yàn)證明，兩種算法在相同恢復(fù)任務(wù)的情況下，MSPR算法充分利用多條鏈路帶寬，整體恢復(fù)速度更加迅速，當(dāng)恢復(fù)數(shù)據(jù)超過3.5 GB時(shí)恢復(fù)時(shí)間指標(biāo)具有明顯優(yōu)勢。數(shù)據(jù)恢復(fù)速度測試結(jié)果再一次驗(yàn)證了MSPR算法按照各路實(shí)時(shí)負(fù)載情況分配任務(wù)比MRPTC算法更加合理，減小再分配階段的次數(shù)和復(fù)雜性。從數(shù)據(jù)傳輸過程速率波動次數(shù)可以看出，MSPR算法提高了首次分配準(zhǔn)確性，正是由于MSPR數(shù)據(jù)傳輸過程速率波動次數(shù)少且更加平穩(wěn)，從而提高了整體傳輸速度。數(shù)據(jù)恢復(fù)錯(cuò)誤率實(shí)驗(yàn)說明在可靠性方面，MSPR算法在傳輸兩端加入特征值驗(yàn)證環(huán)節(jié)，因此數(shù)據(jù)恢復(fù)錯(cuò)誤率幾乎為0，當(dāng)恢復(fù)數(shù)據(jù)增加時(shí)MSPR算法并沒有隨著恢復(fù)數(shù)據(jù)的增大而明顯增加，可以證明這種特征值驗(yàn)證方式在不明顯提高時(shí)間成本情況下，有效提高了數(shù)據(jù)傳輸與恢復(fù)過程的可靠性。

4 結(jié) 語

本文給出一種基于數(shù)據(jù)流的多源并行高可靠恢復(fù)算法MSPR，這種算法在傳統(tǒng)多源恢復(fù)方案的基礎(chǔ)上，通過改進(jìn)普遍使用的MRPTC算法得到，可滿足信息系統(tǒng)高可靠應(yīng)急的需求，實(shí)現(xiàn)在極短的時(shí)間鎖定所需的目標(biāo)數(shù)據(jù)并準(zhǔn)確恢復(fù)的功能。研究結(jié)果表明，該算法對于初始任務(wù)的分配更合理，減小了再分配階段的次數(shù)和復(fù)雜性，從而提高了整體傳輸速度，且具有校驗(yàn)機(jī)制，在傳輸可靠性上具有明顯優(yōu)勢。