余琳睆

（江西制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江西 南昌 330095）

0 引言

在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展的背景下，應(yīng)用與用戶交互產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量也隨之增大，計(jì)算機(jī)作為現(xiàn)階段采用的一種應(yīng)用組件，其為個(gè)性化推薦、實(shí)施交互等提供了運(yùn)行環(huán)境，但是計(jì)算機(jī)磁盤(pán)損壞、數(shù)據(jù)丟失等情況也層出不窮，對(duì)數(shù)據(jù)恢復(fù)技術(shù)進(jìn)行研究迫在眉睫［1］。 有關(guān)研究顯示，磁盤(pán)損壞導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失概率為80%［2］。 為實(shí)現(xiàn)丟失數(shù)據(jù)的恢復(fù)，相關(guān)研究人員提出C?Algorithm 和U?Algoithm 兩種數(shù)據(jù)恢復(fù)算法，這兩種算法可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)恢復(fù)時(shí)的負(fù)載均衡［3］。 部分研究人員通過(guò)BP 方案實(shí)現(xiàn)丟失數(shù)據(jù)的恢復(fù)，但是此種方案的數(shù)據(jù)恢復(fù)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)［4］。 基于此，本文提出一種基于稀有度感知的分階段數(shù)據(jù)恢復(fù)算法，在現(xiàn)有數(shù)據(jù)的分布情況與利用情況的基礎(chǔ)上，通過(guò)分段恢復(fù)的方式，實(shí)現(xiàn)丟失數(shù)據(jù)的有效恢復(fù)。

1 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)丟失、恢復(fù)問(wèn)題分析

1.1 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)中心架構(gòu)

假設(shè)云系統(tǒng)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)中心架構(gòu)為3 層樹(shù)狀結(jié)構(gòu)（如圖1 所示），主要由交換機(jī)與物理服務(wù)器組成，交換機(jī)作用在于連接物理機(jī)，物理機(jī)中包含大量原始數(shù)據(jù)。

圖1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中心架構(gòu)

若計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)中心中物理機(jī)數(shù)量為N物理機(jī)、原始數(shù)據(jù)數(shù)量為N原始，此時(shí)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)中心可表示為式（1）所示。

1.2 數(shù)據(jù)中心服務(wù)和數(shù)據(jù)

對(duì)于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)中心而言，其主要是根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，通過(guò)消耗相應(yīng)的帶寬實(shí)現(xiàn)與用戶之間的交互，以此來(lái)為用戶提供相應(yīng)的服務(wù)［5］。 因此，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)中心所提供的服務(wù)可表示為式（2）所示。

式（2）中，Sj為第j個(gè)數(shù)據(jù)副本；Di為帶寬資源的需求。

對(duì)于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)中心中的數(shù)據(jù)而言，其主要是以不同的形式存儲(chǔ)，故服務(wù)對(duì)Sj的依賴主要是對(duì)某一數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

假設(shè)Bjk為數(shù)據(jù)Sj的第k個(gè)數(shù)據(jù)，此時(shí)計(jì)算機(jī)中心所提供的服務(wù)可進(jìn)一步表示為式（3）所示。

式（3）中，Bjk為數(shù)據(jù)在Sj在Pk中的數(shù)據(jù)副本，Pk為物理機(jī)。 此時(shí)可通過(guò)公式（4）表示服務(wù)Fi訪問(wèn)的數(shù)據(jù)副本，即：

則服務(wù)與數(shù)據(jù)副本兩者之間的關(guān)系可表示為式（5）所示。

由此可看出，服務(wù)主要由數(shù)據(jù)副本、物理機(jī)、帶寬資源等部分組成，服務(wù)主要是由相應(yīng)的數(shù)據(jù)副本提供支持，數(shù)據(jù)副本可為多個(gè)服務(wù)提供支持。 對(duì)于數(shù)據(jù)副本而言，其在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的重要性與對(duì)服務(wù)的支持程度，可在服務(wù)對(duì)帶寬資源需求的基礎(chǔ)上，定義其負(fù)載，即式（6）所示。

式（6）中，NF為數(shù)據(jù)中心服務(wù)數(shù)量。 因此，為有效提升數(shù)據(jù)安全質(zhì)量，數(shù)據(jù)需遵循相應(yīng)的安全分布原則，各組數(shù)據(jù)至少需有兩個(gè)副本分布在不同的機(jī)架中，當(dāng)機(jī)架失效后，剩余副本仍能提供相應(yīng)的服務(wù)。 對(duì)于數(shù)據(jù)副本的分布情況而言，可通過(guò)物理機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)副本的承載關(guān)系以及物理機(jī)的位置關(guān)系進(jìn)行表示，即式（7）、式（8）所示。

此時(shí)Sj在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的副本數(shù)量可表示為式（9）所示。

在上述系統(tǒng)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，若出現(xiàn)磁盤(pán)失效導(dǎo)致數(shù)據(jù)副本丟失時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)恢復(fù)數(shù)據(jù)，也就是將源物理機(jī)中相應(yīng)的數(shù)據(jù)副本拷貝到目標(biāo)物理機(jī)中［6］。 在數(shù)據(jù)恢復(fù)過(guò)程中，數(shù)據(jù)的拷貝量對(duì)目標(biāo)物理機(jī)造成一定的影響。 若系統(tǒng)中未做相應(yīng)的數(shù)據(jù)拷貝，則服務(wù)質(zhì)量最佳，將其記為1；若系統(tǒng)中數(shù)據(jù)拷貝難以滿足帶寬資源需求時(shí)，則可根據(jù)資源平均利用規(guī)則，將資源分配量進(jìn)行轉(zhuǎn)變，此時(shí)物理機(jī)上應(yīng)用的服務(wù)質(zhì)量Q（Pi）可表示為式（10）所示。

式（10）中，1／（k＋1）為轉(zhuǎn)變后的資源分配量。

此時(shí)，系統(tǒng)的整體服務(wù)質(zhì)量QoS可表示為式（11）所示。

對(duì)數(shù)據(jù)的恢復(fù)而言，其主要是為了實(shí)現(xiàn)QoS的最大化。

1.3 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)副本恢復(fù)問(wèn)題

通過(guò)上述分析得知，在磁盤(pán)失效導(dǎo)致計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中樣本數(shù)據(jù)丟失的情況下，可在確定數(shù)據(jù)恢復(fù)數(shù)量的基礎(chǔ)上，選擇適量的目標(biāo)物理服務(wù)器。 由于目標(biāo)物理機(jī)在安全規(guī)則的基礎(chǔ)上只能夠接收部分拷貝數(shù)據(jù)樣本，并且數(shù)據(jù)副本拷貝過(guò)程中會(huì)嚴(yán)重影響服務(wù)質(zhì)量。 因此，在數(shù)據(jù)恢復(fù)過(guò)程中，需選擇能夠恢復(fù)所有預(yù)數(shù)據(jù)副本的物理機(jī)，進(jìn)而降低服務(wù)質(zhì)量的損耗［7］。

通過(guò)上述分析得知，數(shù)據(jù)副本的恢復(fù)問(wèn)題屬于集合覆蓋的問(wèn)題，也就是說(shuō)需從相應(yīng)的集合中，選擇若干個(gè)集合，這些集合中包含所有基本元素，且每個(gè)集合中都存在相應(yīng)的選擇成本，這樣可將選中集合中的成本之和降低至最小。 對(duì)于數(shù)據(jù)副本恢復(fù)選中的目標(biāo)服務(wù)器可接收副本集合（記為set（Pi））、 服務(wù)質(zhì)量的損耗（記為cost（Pj）） 而言，其實(shí)質(zhì)與集合覆蓋問(wèn)題中的基本集合、成本相對(duì)應(yīng)。因此，為有效降低數(shù)據(jù)拷貝對(duì)服務(wù)質(zhì)量造成的影響，需從時(shí)間、數(shù)量等方面降低數(shù)據(jù)拷貝的數(shù)量。

2 基于稀有度感知的分階段數(shù)據(jù)恢復(fù)算法

2.1 算法分析

對(duì)于分階段數(shù)據(jù)副本恢復(fù)算法而言，其主要是將需要恢復(fù)的數(shù)據(jù)副本劃分成不同恢復(fù)階段，進(jìn)而降低數(shù)據(jù)副本恢復(fù)過(guò)程中的鏈路資源開(kāi)銷。 基于此，本文通過(guò)稀有度模型來(lái)描述數(shù)據(jù)中心中數(shù)據(jù)的冷熱程度。 對(duì)于稀有度而言，其主要是根據(jù)數(shù)據(jù)負(fù)載以及數(shù)據(jù)副本的個(gè)數(shù)進(jìn)行確定，在通常情況下，確定數(shù)據(jù)負(fù)載主要表示該數(shù)據(jù)的副本負(fù)載之和，可表示為式（12）所示。

式（12）中，Ljk為Cjk的負(fù)載，NP為數(shù)據(jù)中心物理機(jī)個(gè)數(shù)。

則數(shù)據(jù)的稀有度可表示為式（13）所示。

式（13）中，β主要根據(jù)Hj的大小以及式中其他變量進(jìn)行調(diào)節(jié)。 在數(shù)據(jù)稀有度RTj小于0 的情況下，說(shuō)明數(shù)據(jù)活躍度相對(duì)較高，則數(shù)據(jù)稀有度較低，需進(jìn)行恢復(fù)。 反之，數(shù)據(jù)為冷數(shù)據(jù)，稀有度較高，無(wú)須修復(fù)，但是這部分?jǐn)?shù)據(jù)需遵循相應(yīng)的安全規(guī)則。

2.2 算法實(shí)施過(guò)程

在進(jìn)行數(shù)據(jù)稀有度感知分階段數(shù)據(jù)恢復(fù)時(shí)，首先需要確定恢復(fù)集合setA、setB，在這兩個(gè)集合中，setA中的數(shù)據(jù)不滿足安全規(guī)則，需要對(duì)其中的數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)，而setB中的數(shù)據(jù)滿足安全規(guī)則，但是該集合中數(shù)據(jù)的負(fù)載相對(duì)較高，需對(duì)其中的數(shù)據(jù)副本進(jìn)行恢復(fù)處理；其次，在setA、setB集合的基礎(chǔ)上，采用分階段數(shù)據(jù)副本恢復(fù)算法，根據(jù)相應(yīng)的安全等級(jí)，對(duì)副本進(jìn)行安全恢復(fù)處理（優(yōu)先恢復(fù)安全等級(jí)高的數(shù)據(jù)副本），在恢復(fù)過(guò)程中，需選擇負(fù)載相對(duì)較小的物理機(jī)，在最小負(fù)載機(jī)的物理機(jī)不滿足要求時(shí)，選擇小負(fù)載物理機(jī)。

3 算法測(cè)試分析

3.1 測(cè)試環(huán)境

為驗(yàn)證本文提出算法的可行性，對(duì)其數(shù)據(jù)恢復(fù)效果進(jìn)行測(cè)試。 測(cè)試環(huán)境參數(shù)為：在機(jī)架內(nèi)增設(shè)4 臺(tái)物理機(jī)、2臺(tái)交換機(jī)，1 個(gè)交換機(jī)連接1 個(gè)機(jī)架中的2 臺(tái)物理機(jī)，通過(guò)路由器實(shí)現(xiàn)交換機(jī)之間的連接，鏈路帶寬定為1 000 Mb／s。 對(duì)于其中所使用的物理機(jī)而言，其可存儲(chǔ)1 000 個(gè)數(shù)據(jù)，且物理機(jī)中包含的數(shù)據(jù)副本初始數(shù)量在2 ～5 個(gè)范圍內(nèi)，符合正態(tài)分布，并且滿足相應(yīng)的安全規(guī)則。 當(dāng)數(shù)據(jù)處理為初始條件下時(shí)，系統(tǒng)中會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的服務(wù)，其中的每個(gè)服務(wù)與數(shù)據(jù)副本相對(duì)應(yīng)，且服務(wù)負(fù)載為50 ～200 的正態(tài)分布。 為提升數(shù)據(jù)處理效果，試驗(yàn)采用配置為Inteli7 處理器、8 GB 內(nèi)存的計(jì)算機(jī)，通過(guò)該計(jì)算機(jī)模擬物理機(jī)的失效過(guò)程，并分析文獻(xiàn)［1］算法與本文算法數(shù)據(jù)恢復(fù)效果。

為測(cè)試不同負(fù)載下各算法數(shù)據(jù)恢復(fù)效率，測(cè)試過(guò)程中將服務(wù)的總帶寬需求作為衡量系統(tǒng)負(fù)載u的指標(biāo)，具體表示為式（14）所示：

式中，F(xiàn)平為平均負(fù)載，等于每臺(tái)物理機(jī)上服務(wù)負(fù)載之和的平均值；L鏈路為鏈路帶寬。

通過(guò)計(jì)算得知，系統(tǒng)負(fù)載在40%～80%之間。

3.2 測(cè)試結(jié)果分析

（1）不同算法數(shù)據(jù)恢復(fù)平均服務(wù)質(zhì)量評(píng)估對(duì)比分析

根據(jù)測(cè)試環(huán)境，對(duì)系統(tǒng)中磁盤(pán)失效時(shí)數(shù)據(jù)副本的恢復(fù)平均服務(wù)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估結(jié)果詳見(jiàn)表1。

表1 系統(tǒng)中磁盤(pán)失效時(shí)數(shù)據(jù)副本的恢復(fù)平均服務(wù)質(zhì)量評(píng)估結(jié)果

通過(guò)分析表1 中的數(shù)據(jù)得知，本文算法平均服務(wù)質(zhì)量相對(duì)較高，由此表明本文提出算法在服務(wù)治療保證方面效果顯著。 除此之外，系統(tǒng)負(fù)載不斷增加的情況下，同一算法的服務(wù)質(zhì)量變化量不大，究其原因主要是由于數(shù)據(jù)拷貝過(guò)程中，拷貝仍占用大量的帶寬資源，當(dāng)原有服務(wù)負(fù)載小于100%時(shí)，其資源搶占能力大致相同。

（2）不同算法數(shù)據(jù)恢復(fù)時(shí)間評(píng)估度對(duì)比分析

對(duì)于數(shù)據(jù)副本恢復(fù)而言，其主要目的在于提升服務(wù)質(zhì)量，數(shù)據(jù)恢復(fù)時(shí)間作為衡量數(shù)據(jù)恢復(fù)效果一個(gè)重要指標(biāo)，系統(tǒng)恢復(fù)時(shí)間越長(zhǎng)，表明系統(tǒng)再次失效的概率大。 針對(duì)此種情況，需在上述測(cè)試環(huán)境的基礎(chǔ)上，對(duì)不同算法數(shù)據(jù)的恢復(fù)時(shí)間進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估結(jié)果詳見(jiàn)表2。

表2 不同算法數(shù)據(jù)恢復(fù)時(shí)間評(píng)估度結(jié)果

對(duì)系統(tǒng)負(fù)載而言，其主要體現(xiàn)當(dāng)前環(huán)境下服務(wù)自身的帶寬需求，同時(shí)也對(duì)數(shù)據(jù)恢復(fù)過(guò)程中可用帶寬資源造成一定影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)恢復(fù)過(guò)程中的帶寬資源受到影響。 從表2 中可看出，文獻(xiàn)［4］數(shù)據(jù)恢復(fù)時(shí)間相對(duì)較短，造成此種情況的原因在于文獻(xiàn)［4］中的算法直接將所有數(shù)據(jù)恢復(fù)，在數(shù)據(jù)恢復(fù)過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)拷貝任務(wù)相對(duì)較多，進(jìn)而搶占了大部分帶寬資源，促使其數(shù)據(jù)恢復(fù)時(shí)間縮短。 雖然本文算法的數(shù)據(jù)恢復(fù)時(shí)間相比較文獻(xiàn)［4］算法長(zhǎng)，但是仍處于可接受范圍內(nèi)。 但是，在本文算法數(shù)據(jù)恢復(fù)過(guò)程中，首先對(duì)不符合安全規(guī)則的數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)，且恢復(fù)時(shí)間遠(yuǎn)小于總恢復(fù)時(shí)間。 在恢復(fù)不符合安全規(guī)則的數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)便具備了應(yīng)對(duì)磁盤(pán)再次失效的能力。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)副本丟失問(wèn)題，本文提出一種基于稀有度感知的分階段數(shù)據(jù)副本恢復(fù)算法，并以提升應(yīng)用服務(wù)質(zhì)量為目標(biāo)，模擬測(cè)試了該算法在應(yīng)用服務(wù)質(zhì)量保障方面的效率。 測(cè)試結(jié)果表明，本文算法的數(shù)據(jù)恢復(fù)時(shí)間雖然長(zhǎng)，但是仍處于可接受范圍內(nèi)。