云存儲(chǔ)技術(shù)的原理與架構(gòu)解析

　　目前利用科技手段輔助城市管理的建設(shè)模式已經(jīng)由以前的以視頻監(jiān)控為主的平安城市建設(shè)轉(zhuǎn)向以多傳感技術(shù)為主的智慧城市建設(shè)，在這一過程中，雖然當(dāng)前主要的數(shù)據(jù)量仍然來自視頻監(jiān)控?cái)z像頭產(chǎn)生的圖像數(shù)據(jù)，但由各類傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)種類正在加速增長，例如各城市道路的交通流量信息、特種車輛的運(yùn)行軌跡和車況狀態(tài)信息、移動(dòng)終端的身份采集信息等，對這些海量信息的存儲(chǔ)、分析和利用，除了提供傳統(tǒng)的安全防范、事后查證功能外，更為城市建設(shè)科學(xué)規(guī)劃、科學(xué)管理提供了充分的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，同時(shí)，在這樣一個(gè)海量大數(shù)據(jù)的時(shí)代，對于數(shù)據(jù)的安全存儲(chǔ)和應(yīng)用也需要與之相適應(yīng)的新的技術(shù)手段，而以分布式和并行處理為基礎(chǔ)的云計(jì)算和云存儲(chǔ)技術(shù)，在此過程中也得到了極大地發(fā)展。

　　相對傳統(tǒng)存儲(chǔ)而言，云存儲(chǔ)改變了數(shù)據(jù)垂直存儲(chǔ)在某一臺(tái)物理設(shè)備的存放模式，通過寬帶網(wǎng)絡(luò)(比如萬兆以太網(wǎng)或Infiniband技術(shù))集合大量的存儲(chǔ)設(shè)備，通過存儲(chǔ)虛擬化、分布式文件系統(tǒng)、底層對象化等技術(shù)將位于各單一存儲(chǔ)設(shè)備上的物理存儲(chǔ)資源進(jìn)行整合，構(gòu)成邏輯上統(tǒng)一的存儲(chǔ)資源池對外提供服務(wù)，從而在存儲(chǔ)容量上得以從單設(shè)備PB級橫向擴(kuò)展至數(shù)十、數(shù)百PB，由于云存儲(chǔ)系統(tǒng)中的各節(jié)點(diǎn)能夠并行提供讀寫訪問服務(wù)，系統(tǒng)整體性能隨著業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)的增加而獲得同步提升。同時(shí)，通過冗余編碼技術(shù)、遠(yuǎn)程復(fù)制技術(shù)，進(jìn)一步為系統(tǒng)提供節(jié)點(diǎn)級甚至數(shù)據(jù)中心級的故障保護(hù)能力。容量和性能的按需擴(kuò)展、極高的系統(tǒng)可用性，是云存儲(chǔ)系統(tǒng)最核心的技術(shù)特征。

　　通常，從云存儲(chǔ)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)層次上看，從底層向上，可以分為存儲(chǔ)層、管理調(diào)度層、訪問接口層、應(yīng)用服務(wù)層等四個(gè)層次，如下圖所示：

　　圖1 云存儲(chǔ)技術(shù)實(shí)現(xiàn)層次

　　其中存儲(chǔ)層是云存儲(chǔ)的基礎(chǔ)，一臺(tái)云存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)設(shè)備通常能安裝24個(gè)以上的硬盤，通常通過IP接口將大量的存儲(chǔ)設(shè)備互連在一起形成存儲(chǔ)設(shè)備資源池，在一個(gè)云存儲(chǔ)系統(tǒng)中，底層物理存儲(chǔ)設(shè)備數(shù)量龐大，而且設(shè)備形態(tài)理論上也允許異構(gòu)(這樣也可以接入傳統(tǒng)的IP SAN或FC SAN)，在物理存儲(chǔ)設(shè)備之上是一個(gè)統(tǒng)一的存儲(chǔ)設(shè)備管理層，實(shí)現(xiàn)對物理存儲(chǔ)設(shè)備的邏輯虛擬化管理、狀態(tài)監(jiān)控和維護(hù)等功能。

　　管理調(diào)度層是云存儲(chǔ)最核心的部分，這一層的主要功能是在存儲(chǔ)層提供的存儲(chǔ)資源上部署分布式文件系統(tǒng)或者建立和組織存儲(chǔ)資源對象，并將用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行分片處理，按照設(shè)定的保護(hù)策略將分片后的數(shù)據(jù)以多副本或者冗余糾刪碼的方式分散存儲(chǔ)到具體的存儲(chǔ)資源上去。同時(shí)，在本層還會(huì)在節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行讀寫負(fù)載均衡調(diào)度以及節(jié)點(diǎn)或存儲(chǔ)資源失效后的業(yè)務(wù)調(diào)度與數(shù)據(jù)重建恢復(fù)等任務(wù)，以便始終提供高性能、高可用的訪問服務(wù)。不過，在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，該層的功能也可能上移，位于訪問接口層和應(yīng)用服務(wù)層之間，甚至直接嵌入到應(yīng)用服務(wù)層中，和業(yè)務(wù)應(yīng)用緊密結(jié)合，形成業(yè)務(wù)專用云存儲(chǔ)。

　　訪問接口層是業(yè)務(wù)應(yīng)用和云存儲(chǔ)平臺(tái)之間的一個(gè)橋梁，提供應(yīng)用服務(wù)所需要調(diào)用的函數(shù)接口，通常云存儲(chǔ)系統(tǒng)會(huì)提供一套專用的API或客戶端軟件，業(yè)務(wù)應(yīng)用軟件直接調(diào)用API或者使用云存儲(chǔ)系統(tǒng)客戶端軟件對云存儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行讀寫訪問，往往會(huì)獲得更優(yōu)的訪問效率，但由于一個(gè)云存儲(chǔ)系統(tǒng)往往需要支持多種不同的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，而很多業(yè)務(wù)系統(tǒng)只能采用特定的訪問接口，例如塊接口或者POSIX接口，因此一個(gè)優(yōu)秀的云存儲(chǔ)系統(tǒng)，應(yīng)該同時(shí)提供多種訪問接口，例如ISCSI、NFS、CIFS、FTP、REST等，以便在業(yè)務(wù)適配方面具有更好靈活性。

　　業(yè)務(wù)應(yīng)用層通過云存儲(chǔ)系統(tǒng)提供的各種訪問接口，對用戶提供豐富的業(yè)務(wù)類型，例如高清視頻監(jiān)控、視頻圖片智能分析、大數(shù)據(jù)查找等。部分云存儲(chǔ)系統(tǒng)也會(huì)在這一層的應(yīng)用業(yè)務(wù)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)管理調(diào)度層的功能，將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的冗余編碼、分散存儲(chǔ)、負(fù)載均衡、故障保護(hù)等功能和各種業(yè)務(wù)的實(shí)現(xiàn)緊密結(jié)合，形成具有豐富業(yè)務(wù)特色的應(yīng)用云存儲(chǔ)系統(tǒng)，而在存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的選擇方面，則可以采用標(biāo)準(zhǔn)的IPSAN、FC SAN或者NAS設(shè)備，例如宇視科技的視頻監(jiān)控云存儲(chǔ)CDS(Cloud Direct Storage)解決方案就是這種應(yīng)用云存儲(chǔ)的典型代表。

　　圖2 宇視CDS視頻監(jiān)控云存儲(chǔ)架構(gòu)

　　CDS解決方案繼承了宇視科技視頻ISCSI塊直存高性能的優(yōu)點(diǎn)，采用宇視最先進(jìn)的裸數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)，可極大程度發(fā)揮存儲(chǔ)設(shè)備讀寫性能，實(shí)現(xiàn)云存儲(chǔ)中的秒級檢索和回放，通過采用標(biāo)準(zhǔn)的IPSAN設(shè)備，通過CDV存儲(chǔ)虛擬化組件，并通過CDM云存儲(chǔ)管理服務(wù)器集中統(tǒng)一管理底層的存儲(chǔ)資源，構(gòu)成全局統(tǒng)一的虛擬存儲(chǔ)空間，當(dāng)前端應(yīng)用設(shè)備要進(jìn)行讀寫時(shí)，首先向CDM請求可以訪問的存儲(chǔ)空間，并將數(shù)據(jù)離散存儲(chǔ)到各底層標(biāo)準(zhǔn)的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)上去，當(dāng)某一存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，CDM會(huì)自動(dòng)重新分配一個(gè)新的空間給前端設(shè)備進(jìn)行訪問，從而實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)不停頓的讀寫。CDS系統(tǒng)支持海量的云存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)管理能力，可管理高達(dá)2048個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，支持動(dòng)態(tài)擴(kuò)容和縮容，提供不間斷的視頻和圖片存儲(chǔ)服務(wù)。同時(shí)也能提供視頻實(shí)況、視頻點(diǎn)播回放、報(bào)警管理、布防撤防、地圖應(yīng)用等多種視頻業(yè)務(wù)。

　　應(yīng)用云存儲(chǔ)和業(yè)務(wù)深度結(jié)合，針對業(yè)務(wù)特點(diǎn)選擇適合的存儲(chǔ)模式，往往能提供非常優(yōu)異的業(yè)務(wù)訪問性能，但通常各廠家實(shí)現(xiàn)方式各有不同，難以互通或者供第三方開發(fā)新的數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)，因此，應(yīng)用云存儲(chǔ)系統(tǒng)比較適合業(yè)務(wù)種類較少，業(yè)務(wù)模型相對固定的應(yīng)用場合。而在智慧城市的建設(shè)中，一個(gè)云存不僅會(huì)存儲(chǔ)海量的數(shù)據(jù)，而且需要對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和利用，這往往需要集合多個(gè)專業(yè)廠商來進(jìn)行各自擅長領(lǐng)域的業(yè)務(wù)開發(fā)，因此，系統(tǒng)的開放性、接口的標(biāo)準(zhǔn)化，則成為云存儲(chǔ)系統(tǒng)建設(shè)的重要需求，云存儲(chǔ)的核心功能應(yīng)直接在存儲(chǔ)之上實(shí)現(xiàn)，再通過訪問接口層為業(yè)務(wù)平臺(tái)提供多種通用的訪問接口，如ISCSI塊存儲(chǔ)訪問接口、POSIX文件訪問接口、REST對象訪問接口等，而業(yè)務(wù)應(yīng)用開發(fā)則無需再考慮數(shù)據(jù)冗余、分散存儲(chǔ)、負(fù)載均衡等存儲(chǔ)專屬特性，而集中在業(yè)務(wù)應(yīng)用本身的功能特性方面，例如視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的車型識(shí)別、卡口計(jì)數(shù)、圖像濃縮等，這種云存儲(chǔ)系統(tǒng)與具體的應(yīng)用耦合程度較低，具有更好的通用性，可以認(rèn)為是一種通用云存儲(chǔ)。

　　在現(xiàn)在比較流行的云存儲(chǔ)架構(gòu)中，根據(jù)對元數(shù)據(jù)的管理模型，可以將通用云存儲(chǔ)系統(tǒng)分為三種類型，即集中式元數(shù)據(jù)、分布式元數(shù)據(jù)和無元數(shù)據(jù)三種類型的系統(tǒng)。

　　集中式元數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)系統(tǒng)是一種典型的非對稱式系統(tǒng)，在系統(tǒng)中，通常具有一個(gè)中央元數(shù)據(jù)管理服務(wù)器，負(fù)責(zé)元數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理查詢與修改請求，例如，在HDFS系統(tǒng)中，該元數(shù)據(jù)管理服務(wù)器即為名字節(jié)點(diǎn)Namenode，同時(shí)，存在大量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)提供客戶I/O數(shù)據(jù)的并行存儲(chǔ)與訪問。這種架構(gòu)中，客戶端每次對數(shù)據(jù)流的I/O操作，都需要先向元數(shù)據(jù)管理服務(wù)器進(jìn)行元數(shù)據(jù)查詢，客戶端在獲得需要讀寫的數(shù)據(jù)塊物理位置等信息后，對于數(shù)據(jù)的I/O操作則直接在客戶端和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行。相對傳統(tǒng)存儲(chǔ)系統(tǒng)，集中元數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)系統(tǒng)將控制流和數(shù)據(jù)流進(jìn)行了分離，系統(tǒng)在擴(kuò)展性和處理性能方面獲得了較大的提升，同時(shí)，由于元數(shù)據(jù)集中在一臺(tái)服務(wù)器上進(jìn)行管理，整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)比較簡單，降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，目前業(yè)界采用這種架構(gòu)的系統(tǒng)主要有GFS、HDFS、Lustre等。

　　圖3 具有集中元數(shù)據(jù)管理的HDFS系統(tǒng)架構(gòu)

　　不難看出，雖然集中元數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)系統(tǒng)架構(gòu)簡單，但會(huì)存在兩個(gè)主要的問題：

　　性能瓶頸問題。元數(shù)據(jù)的基本特性要求任何時(shí)候?qū)τ脩魯?shù)據(jù)的訪問，都需要同步地修改元數(shù)據(jù)，由于每次I/O訪問都需要首先訪問元數(shù)據(jù)服務(wù)器，隨著系統(tǒng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，需要管理的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)、文件數(shù)量、I/O操作數(shù)量等都會(huì)急劇增加，而對元數(shù)據(jù)進(jìn)行管理的物理服務(wù)器性能有限，從而形成性能瓶頸，這種性能瓶頸在大量小文件訪問時(shí)會(huì)更為突出。為解決這一問題，人們通常會(huì)采用更高性能的CPU，更大的內(nèi)存，并且采用SSD來加速對元數(shù)據(jù)的訪問，雖然能夠在一定程度上提升元數(shù)據(jù)訪問性能，但成本極其高昂，且提升效果有限。

　　元數(shù)據(jù)服務(wù)器單點(diǎn)故障問題。在集中元數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)系統(tǒng)中，整個(gè)系統(tǒng)的性能和可靠性完全依賴于元數(shù)據(jù)服務(wù)器，一旦元數(shù)據(jù)服務(wù)器故障，系統(tǒng)將無法提供任何服務(wù)，因此，元數(shù)據(jù)服務(wù)器就是整個(gè)系統(tǒng)中的潛在單點(diǎn)故障點(diǎn)。為解決這一問題，通常對元數(shù)據(jù)服務(wù)器采用備機(jī)形成HA解決方案來提供更高的系統(tǒng)可用性，主用服務(wù)器和備用服務(wù)器之間的元數(shù)據(jù)必須隨時(shí)同步，否則一旦主用服務(wù)器故障，則可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致問題，但元數(shù)據(jù)同步操作會(huì)進(jìn)一步加重了元數(shù)據(jù)服務(wù)器的性能負(fù)擔(dān)，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的訪問性能受到拖累，而且也無法徹底解決腦裂問題。

　　為了解決集中元數(shù)據(jù)系統(tǒng)中的性能瓶頸和單點(diǎn)故障問題，一種改進(jìn)后的分布式元數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)系統(tǒng)得以出現(xiàn)，這種系統(tǒng)采用多臺(tái)元數(shù)據(jù)服務(wù)器形成集群工作的方式提供元數(shù)據(jù)訪問服務(wù)，集群中的每一臺(tái)設(shè)備都可以提供元數(shù)據(jù)訪問，從而提高整體訪問性能，并且解決了元數(shù)據(jù)服務(wù)器單點(diǎn)故障問題。分布式云存儲(chǔ)系統(tǒng)需要在所有元數(shù)據(jù)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行元數(shù)據(jù)同步操作，這大大增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，在同步期間往往需要進(jìn)行各種加鎖，而加鎖機(jī)制的存在導(dǎo)致部分任務(wù)難以并行運(yùn)行，從而拖慢了整個(gè)系統(tǒng)的性能，此外，如果元數(shù)據(jù)沒有及時(shí)得到同步，或者遭到意外破壞，則會(huì)出現(xiàn)同一文件或者對象的元數(shù)據(jù)不一致，進(jìn)一步導(dǎo)致上層應(yīng)用在通過不同物理服務(wù)器訪問文件或?qū)ο髷?shù)據(jù)時(shí)出現(xiàn)數(shù)據(jù)不一致或者讀寫錯(cuò)誤的問題，這種風(fēng)險(xiǎn)隨著云存儲(chǔ)系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大而大幅增加，同樣，為了保證元數(shù)據(jù)同步的速度，需要采用高性能、大內(nèi)存并且配備SSD的服務(wù)器，硬件成本非常昂貴。

　　第三種云存儲(chǔ)系統(tǒng)則徹底拋棄元數(shù)據(jù)，而是采用算法來對文件或?qū)ο筮M(jìn)行定位，并將該算法集成在每一個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)上，客戶端從任何一個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問都會(huì)獲得同樣的結(jié)果，云存儲(chǔ)系統(tǒng)中的每一個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)都可以獨(dú)立、并行地對外提供服務(wù)，從而真正實(shí)現(xiàn)性能隨節(jié)點(diǎn)數(shù)增加而線性擴(kuò)展，由于無需在節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行元數(shù)據(jù)的同步操作，極大地提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，在硬件成本方面，也相對低廉，可以用較低的建設(shè)成本獲得較高的讀寫性能。

　　宇視科技的UCS(Unified Cloud Storage)統(tǒng)一云存儲(chǔ)系統(tǒng)是在視頻應(yīng)用云存儲(chǔ)CDS解決方案之外提供的更為通用的云存儲(chǔ)解決方案，它是一種采用無元數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的全對稱分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)，其存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)可以提供16到60個(gè)3.5英寸硬盤槽位，無需額外添加服務(wù)器，底層采用對象存儲(chǔ)機(jī)制，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分片、冗余校驗(yàn)計(jì)算存儲(chǔ)、節(jié)點(diǎn)失效業(yè)務(wù)接管、存儲(chǔ)資源失效數(shù)據(jù)高速重建等功能，并且通過部署UniFS分布式文件系統(tǒng)對供標(biāo)準(zhǔn)的POSIX讀寫訪問，對外提供各種標(biāo)準(zhǔn)軟件接口，例如ISCSI、NAS、REST等，現(xiàn)有業(yè)務(wù)系統(tǒng)可以不經(jīng)改造即可使用宇視科技UCS云存儲(chǔ)系統(tǒng)。而如果全套業(yè)務(wù)系統(tǒng)均采用宇視設(shè)備，則可以在前端攝像機(jī)、管理服務(wù)器、智能分析服務(wù)器和UCS存儲(chǔ)系統(tǒng)之間直接采用更為優(yōu)化的CBI(Cloud Block Interface)接口，該接口繼承了宇視科技上一代ISCSI視頻監(jiān)控直存解決方案的有點(diǎn)，根據(jù)云存儲(chǔ)資源池的配置，直接在前端攝像機(jī)和訪問服務(wù)器自動(dòng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)切片和離散存儲(chǔ)，將大量的計(jì)算工作分布到數(shù)量眾多的前端設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)分布式計(jì)算，從而大大降低了存儲(chǔ)系統(tǒng)本身的工作負(fù)載，顯著提升了整個(gè)系統(tǒng)的能夠承載的視頻監(jiān)控?cái)z像機(jī)數(shù)量。同時(shí)，針對智慧城市建設(shè)需要的業(yè)務(wù)處理分析系統(tǒng)，也可以集成宇視提供的API或者客戶端軟件，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的并行讀寫，或者極高的性能體驗(yàn)。UCS統(tǒng)一云存儲(chǔ)解決方案可廣泛用于高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)、公安案件視圖庫、警用執(zhí)法儀在線存儲(chǔ)、交通管理分析系統(tǒng)等，為智慧城市、平安城市建設(shè)提供大數(shù)據(jù)、云存儲(chǔ)解決方案。

　　圖4 宇視全對稱分布式UCS通用云存儲(chǔ)解決方案