大數(shù)據(jù)由于與智慧城市、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)等前景廣闊的項目息息相關(guān)，成為時下最炙手可熱的IT技術(shù)。在此背景下，眾多的IT廠商紛紛推出基于Hadoop的大數(shù)據(jù)一體機，力圖表明已經(jīng)做好準備迎接大數(shù)據(jù)時代。不過，大部分IT廠商談及的幾乎都是產(chǎn)品特點和市場表現(xiàn)，一旦涉及具體的技術(shù)細節(jié)都深藏不露，例如近年來，Erasure Code作為可有效提升存儲效率、安全性和便捷性的新興存儲技術(shù)，備受IT和互聯(lián)網(wǎng)業(yè)界青睞，但卻對此技術(shù)秘而不宣。近日，筆者有機會近距離接觸到浪潮云海大數(shù)據(jù)一體機SDA60000，對Erasure Code在這款產(chǎn)品中的應(yīng)用細節(jié)探了一回究竟。
眾所周知，Hadoop之所以問世，很大一部分原因是為了解決數(shù)據(jù)的分布式存儲問題。由此可見，存儲在整個Hodoop體系下的地位有多么重要。SDA60000作為一款面向大數(shù)據(jù)分析、處理的軟硬一體化產(chǎn)品，在存儲方面做了針對性的設(shè)計：硬件上使用了大容量的SATA硬盤，單機柜可提供700TB以上的裸容量；軟件方面，部署了浪潮在開源Hadoop基礎(chǔ)上做了深度優(yōu)化后的浪潮云谷一體機系統(tǒng)軟件，通過HDFS文件系統(tǒng)實現(xiàn)對海量數(shù)據(jù)的快速存儲。這其中，Erasure code的巧妙使用，使得HDFS的存儲機制得到了進一步改良。
Erasure Code：互聯(lián)網(wǎng)巨頭們的“最愛”
Erasure Code 最早是無線通信中有噪信道編碼的一種，也叫糾刪碼。Erasure Code設(shè)計的初衷，是希望利用這項技術(shù)將數(shù)據(jù)分割成不可識別的數(shù)據(jù)塊，使用額外的信息追加到每個數(shù)據(jù)塊中，允許從一些數(shù)據(jù)塊的子集就可以復(fù)原完整的數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)塊可以分布在一個數(shù)據(jù)中心、城市、地區(qū)或全球任何地方的不同存儲位置。這種方式將大大提升數(shù)據(jù)存儲的便利性和安全性。
從某種程度而言，Erasure Code 是對RAID 5 算法的改良和優(yōu)化。最常見的Erasure Code是Reed Solomon算法。如圖1所示，假設(shè)總共有n塊數(shù)據(jù)，其中k塊用來存放數(shù)據(jù)，m塊用來存儲erasure編碼（k+m=n），只要壞掉的數(shù)據(jù)塊數(shù)量不超過m塊，都可以通過erasure編碼將其余的恢復(fù)出來。也就是說，通常k+m的erasure編碼，能容m塊數(shù)據(jù)故障的場景，這時候的存儲成本是1+m/k，通常m<k。因此，通過erasure編碼，我們能夠把副本數(shù)降到1.x。
圖1 Reed Solomon Erasure Code 算法
當(dāng)前，Microsoft、Google、Facebook、Amazon、淘寶等互聯(lián)網(wǎng)巨頭早已開始研究Erasure code編碼存儲技術(shù)，并將其實際應(yīng)用到各自主流存儲系統(tǒng)中。
Google GFS II中采用了最基本的RS（6，3）編碼，將一個待編碼數(shù)據(jù)單元（Data Unit）分為6個數(shù)據(jù)塊（data block），再添加3個校驗塊（parity block），最多可容包括校驗塊在內(nèi)的任意3個數(shù)據(jù)塊錯誤。
微軟在其云存儲平臺Windows Azure Storage中將校驗塊分為全局校驗塊、局部校驗塊。當(dāng)發(fā)生任何一個數(shù)據(jù)塊錯誤時，恢復(fù)代價由傳統(tǒng)RS（12，4）編碼的12（通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)塊數(shù)量），變?yōu)?，恢復(fù)過程的網(wǎng)絡(luò)I/O開銷減半。
Facebook HDFS RAID的早期編碼方式是RS（10，4），為減少數(shù)據(jù)恢復(fù)的網(wǎng)絡(luò)I/O，F(xiàn)acebook于VLDB 2013發(fā)表名為“XORing Elephants”的LRC編碼方法，除了在原先的10個數(shù)據(jù)塊之后添加4個校驗塊外，還將10個數(shù)據(jù)塊均分為2組，每組單獨計算出一個局部校驗塊，將數(shù)據(jù)恢復(fù)代價由原來的10降低為5。
采眾家之長 浪潮SDA60000中的Erasure Code
當(dāng)然，天下沒有免費的午餐，HDFS Erasure Code在提升存儲空間利用率的同時，由于數(shù)據(jù)校驗塊的計算需要額外的CPU時間，加上完整的數(shù)據(jù)塊只有一份，在高并發(fā)讀取時效果不理想。故此，應(yīng)用Erasure Code需根據(jù)數(shù)據(jù)量和性能需求制定有針對性的策略：對于數(shù)據(jù)量大，存儲空間緊張，訪問頻度低的數(shù)據(jù)采用Erasure Code方式。
浪潮云海大數(shù)據(jù)一體機SDA60000借鑒了各大廠商的研發(fā)和優(yōu)化經(jīng)驗，采用Erasure code對HDFS的存儲機制進行改良，它采用的RS因子為RS（10，4），即為每10個數(shù)據(jù)塊生成4個校驗塊，每個集群可容忍最多4個節(jié)點失效，數(shù)據(jù)冗余度為1.4。通過Erasure code技術(shù)，SDA60000在保證了數(shù)據(jù)容錯的基礎(chǔ)上大幅提升了存儲空間利用率。
圖2 SDA60000 Erasure Code 策略
如圖2所示，浪潮云海大數(shù)據(jù)一體機SDA60000可為HDFS的每一個目錄制定靈活的Erasure Code策略，通過制定RAID間隔，SDA 60000可以實時偵測特定目錄中數(shù)據(jù)的冷熱程度，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)某些數(shù)據(jù)在很長一段時間沒有被訪問時，自動將底層的存儲機制從默認的三副本轉(zhuǎn)化為Erasure Code，以提升文件系統(tǒng)的空間利用率。
在實際應(yīng)用中HDFS Erasure Code功能非常適合海量歷史數(shù)據(jù)的存儲，是圖片視頻數(shù)據(jù)，音頻數(shù)據(jù)和日志數(shù)據(jù)理想的動態(tài)歸檔方案，在政府、公安、醫(yī)療和科研等行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用前景。
相對于傳統(tǒng)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)對于數(shù)據(jù)可用性和數(shù)據(jù)處理性能要求更為苛刻，浪潮云海大數(shù)據(jù)一體機將進一步發(fā)揮其軟硬件一體的優(yōu)勢，一方面，優(yōu)化軟件算法并針對硬件情況調(diào)優(yōu)參數(shù)，另一方面，借助于浪潮強大的硬件研發(fā)能力，通過FPGA（Field－Programmable Gate Array）加速卡，SSD緩存加速等技術(shù)加速編碼速度，提升磁盤IO性能。
浪潮是領(lǐng)先的云數(shù)據(jù)產(chǎn)品及方案供應(yīng)商，目前已全面涉足軟件定義數(shù)據(jù)中心，強調(diào)以硬件重構(gòu)和軟件定義相結(jié)合的融合架構(gòu)，來實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心所有資源的全虛擬化、全自動化，更好的滿足大數(shù)據(jù)、云計算應(yīng)用對IT基礎(chǔ)架構(gòu)的要求。浪潮云海大數(shù)據(jù)一體機SDA60000作為一款融合架構(gòu)產(chǎn)品，將是未來軟件定義數(shù)據(jù)中心支撐平臺的重要選擇之一。
