糾刪碼技術為產(chǎn)業(yè)轉型升級構筑數(shù)據(jù)護盾

百萬獵人兵臨城下，向魔法護盾發(fā)起猛烈沖擊，卻無法將擁有99級神力的護盾撼動分毫。

這是科幻電影《頭號玩家》里的一幕。電影里，不僅“綠洲”被視為元宇宙未來理想形態(tài)，“魔法護盾”也迅速跨界出圈，在企業(yè)數(shù)據(jù)管理領域引發(fā)關注。這是因為隨著數(shù)字經(jīng)濟快速發(fā)展，數(shù)據(jù)要素在受到企業(yè)重視的同時，全球超80%的IT決策者認為現(xiàn)有數(shù)據(jù)保護方案無法滿足未來業(yè)務挑戰(zhàn)，保護好數(shù)據(jù)資產(chǎn)成為企業(yè)的當務之急。

日前，在由存儲產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新聯(lián)盟主辦的“元宇宙存儲研究與實踐”開放計算技術沙龍上，來自中科大、華中大、鄭州大學、建信金科以及浪潮存儲的“產(chǎn)學研用”各界專家匯聚一堂，在關注元宇宙存儲發(fā)展的同時，還共同就糾刪碼優(yōu)化、細粒度感知等數(shù)據(jù)保護話題展開討論。本次沙龍是場景共同體戰(zhàn)略的承襲和實踐，浪潮信息存儲產(chǎn)品線總經(jīng)理李輝曾提出，面向?qū)映霾桓F的新應用、新場景，攜手產(chǎn)業(yè)鏈伙伴推進“平臺+生態(tài)”戰(zhàn)略，以六種模式加速企業(yè)數(shù)字轉型。

數(shù)據(jù)保護

懸在頭頂?shù)倪_摩克里斯之劍

數(shù)字虛擬人需要收集的高達百倍甚至千倍的數(shù)據(jù)、VR頭顯從4K升級到視網(wǎng)膜級需提升10倍數(shù)據(jù)傳輸量、飛行模擬器采集的數(shù)據(jù)量超2PB。

以元宇宙為代表的新應用帶來數(shù)據(jù)規(guī)模十倍、百倍激增，快速增長的多模態(tài)數(shù)據(jù)增加了企業(yè)數(shù)據(jù)保護的難度。數(shù)據(jù)顯示，企業(yè)現(xiàn)在管理的數(shù)據(jù)量是五年前的十倍以上，全球82%、中國88%的IT決策者擔心現(xiàn)有數(shù)據(jù)保護方案無法滿足未來業(yè)務挑戰(zhàn)。

這些擔憂源自企業(yè)的現(xiàn)實困境，根據(jù)對全球1000名決策者的調(diào)研，全球30%的受訪者在過去一年中經(jīng)歷過數(shù)據(jù)丟失，45%遭遇過計劃外的系統(tǒng)停機。另據(jù)IDC統(tǒng)計，在過去12個月，全球超過三分之一的組織遭遇過勒索軟件攻擊或入侵，導致系統(tǒng)或數(shù)據(jù)無法訪問。數(shù)據(jù)保護，已然成為擺在企業(yè)數(shù)字化轉型面前的一大挑戰(zhàn)。本次沙龍，中國科學技術大學許胤龍教授以及浪潮存儲技術專家共同給出了答案。

數(shù)據(jù)容錯

業(yè)界兩種技術流派之爭

“數(shù)據(jù)容錯，業(yè)界通常有兩種辦法，一種是多副本，另一種是糾刪碼”，許胤龍教授表示。多副本訪問性能高、故障修復快，但存儲開銷比較大（燒錢、占地），令企業(yè)直呼吃不消；糾刪碼開銷?。ɑㄐ″X、辦大事），一般存儲空間比RAID 1鏡像小，在數(shù)據(jù)爆炸式增長的趨勢下更受市場歡迎，企業(yè)用腳投票紛紛選擇了糾刪碼。

△三副本和糾刪碼對比

時下人氣攀升的糾刪碼，究竟是什么呢？所謂糾刪碼（Erasure Coding），是一種數(shù)據(jù)保護方法，它將數(shù)據(jù)分割成片段，把冗余數(shù)據(jù)塊擴展、編碼，并將其存儲在不同位置，比如硬盤、存儲節(jié)點或其他物理位置。

“糾刪碼，可以簡單理解成對原始數(shù)據(jù)做線性組合”，許胤龍教授表示。比如 (2+2)糾刪碼，就是A、B兩個數(shù)據(jù)可以做A+B和A+2B的線性組合，能容任意兩個節(jié)點錯，當恢復數(shù)據(jù)的時候直接解方程就行。一般情況下，業(yè)界常用的是（k，m）-MDS碼，把k個數(shù)據(jù)編碼成m個校驗數(shù)據(jù)，k+m個數(shù)據(jù)塊形成一個條帶，最多可以容許m個塊同時故障。工業(yè)界常見的m一般是2或3，數(shù)據(jù)規(guī)模較大的話，可以把m設為4~6。

糾刪碼

跑得如絲般順滑并非易事

糾刪碼“花小錢、辦大事”的優(yōu)勢雖然非常明顯，但要在超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心內(nèi)或者是跨數(shù)據(jù)中心使用糾刪碼做數(shù)據(jù)保護，卻需要過五關闖六將，絕非易事。

第一關

同一數(shù)據(jù)中心內(nèi)，數(shù)據(jù)恢復的網(wǎng)絡傳輸時間占比超90%，糾刪碼“龜速”難題如何破。

糾刪碼能夠降低存儲成本、提高容錯能力，但糾刪碼最大的問題是在數(shù)據(jù)丟失之后，數(shù)據(jù)恢復過程需要從其他地方讀取大量數(shù)據(jù)，故障修復堪稱龜速。通過對糾刪碼“從存活節(jié)點讀取數(shù)據(jù)、傳輸、在備份節(jié)點解碼、傳輸、在替代節(jié)點寫入”的整個流程做分析，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡傳輸占整個數(shù)據(jù)恢復時間的比例超90%，如何優(yōu)化數(shù)據(jù)恢復時間呢？

首先，數(shù)據(jù)分批恢復。在實際系統(tǒng)里面，數(shù)據(jù)塊是隨機的分布到不同的節(jié)點里，隨機數(shù)據(jù)分布從統(tǒng)計概率的角度來說，是能達到負載均衡的。但一般來說，在系統(tǒng)實現(xiàn)的時候，一般來說因為系統(tǒng)IO、內(nèi)存、CPU資源也有限，同時系統(tǒng)還要支撐前臺的應用綜合各方面，所以修復一般都會是分批進行?！拔覀冏鲞^實驗，分批比不分批大概要快15%左右”，許教授表示。

△清華、港中大、普渡、中科大紛紛開展糾刪碼優(yōu)化研究

其次，可以利用二部圖和網(wǎng)絡流圖的辦法，使得從不同的節(jié)點上進行恢復的時候，不同節(jié)點上讀數(shù)據(jù)量是均衡的，寫數(shù)據(jù)量也是均衡的，并且每一個節(jié)點承擔的恢復任務也是均衡的。清華、港中大、普渡、中科大等頂級高校均對糾刪碼技術進行了研究，經(jīng)過優(yōu)化中科大SelectiveEC技術能夠在90%以上的情況下都實現(xiàn)負載均衡，相比HDFS大約50%的負載均衡水平，中科大的負載均衡水平能高出70%以上，恢復速度提升30%以上。同時Selective EC比HDFS有更少的毛刺、更短的長尾、更短的任務生命周期。

△糾刪碼優(yōu)化結果

“我們很認同許教授的觀點，為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)糾刪的負載均衡，浪潮存儲一直在技術上不斷打磨和創(chuàng)新”，浪潮信息分布式存儲架構師張立強表示。

浪潮分布式存儲AS13000突破軟硬件協(xié)同寬條帶糾刪技術，融合多元算力，解決數(shù)據(jù)高冗余比糾刪的計算性能、資源消耗、容量、可靠性等指標難以兼顧的問題。舉個例子，浪潮存儲創(chuàng)新研制了糾刪碼FPGA加速卡，設計可重構最小硬件邏輯單元，實現(xiàn)編解碼復用、全糾刪比支持，實現(xiàn)寬條帶糾刪的CPU計算卸載。在32+6糾刪比配置下，浪潮存儲能夠?qū)?a target="_blank">處理器平臺的CPU占用率降低90%，性能提升390%，這就如同將汽車行駛的速度提升到了復興號的水平。其實浪潮分布式存儲在高校領域應用廣泛，目前已經(jīng)在中科大、清華、北大、復旦、浙大、中山大學等國內(nèi)頂級高校實現(xiàn)規(guī)?；渴?，支撐科研智慧應用平臺穩(wěn)定運行，以數(shù)據(jù)之力助力科研取得豐碩成果。

第二關

跨數(shù)據(jù)中心場景，數(shù)據(jù)中心帶寬極其有限，如何“跨越萬水千山”做糾刪。

考慮到地震、山洪、火災等災害因素影響，大型企業(yè)往往會跨數(shù)據(jù)中心做數(shù)據(jù)保護。所謂跨數(shù)據(jù)中心，是指多個數(shù)據(jù)中心可能建在距離城區(qū)比較遠的地方或者是不同的城區(qū)的地方，這時候跨數(shù)據(jù)中心的帶寬就會很寶貴，通常跟數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的帶寬相比，跨數(shù)據(jù)中心帶寬只有1/20。

△跨數(shù)據(jù)中心帶寬約為數(shù)據(jù)中心內(nèi)帶寬的1/20

RS碼部署方式在同一數(shù)據(jù)中心內(nèi)做糾刪是有優(yōu)勢的，但在跨數(shù)據(jù)中心環(huán)境下卻面臨挑戰(zhàn)。這是因為RS碼是把一個條帶的數(shù)據(jù)均勻分布到不同數(shù)據(jù)中心去。假如現(xiàn)在有15個數(shù)據(jù)塊，把它編碼成12個校驗塊，分散在三個數(shù)據(jù)中心，這時候只能容單個數(shù)據(jù)中心故障，存儲開銷大概是180%，如果出現(xiàn)單塊故障，需要跨數(shù)據(jù)中心訪問7個數(shù)據(jù)塊，需要的帶寬開銷比較多。

新型LRC（Locally Repairable Code）分組編碼方式，可以在存儲開銷和恢復性能之間做一個權衡。LRC（k，l，g）分組編碼有三個值，k表示數(shù)據(jù)塊，l代表局部校驗塊，g是全局校驗塊。LRC分組編碼通過讀取局部數(shù)據(jù)塊，減少重構所需的數(shù)據(jù)量，從而提升數(shù)據(jù)修復性能。這就好比618購物，北京小伙買一箱牛奶，如何用最快的速度把貨物送到顧客手里呢，電商平臺會找到距離顧客比較近的天津或河北倉庫（類似l局部校驗塊）進行配送，盡量減少從西安或廣州（類似g全局校驗塊）調(diào)貨的概率。

△LRC分組編碼技術優(yōu)化結果

按照新型部署方式，“在實際集群里面，我們實現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)解碼的優(yōu)化，大概能把速度提升30%”，許胤龍教授表示。

“浪潮一直將可靠性視為存儲的生命線，在異地數(shù)據(jù)保護方面做了諸多創(chuàng)新”，浪潮信息存儲研發(fā)部何營表示。

浪潮存儲不僅基于一套存儲架構承載塊、文件、對象、大數(shù)據(jù)等多種數(shù)據(jù)服務，在WAN加速、快速重構、透明故障切換等高級功能方面持續(xù)創(chuàng)新。以WAN廣域網(wǎng)加速技術為例，浪潮存儲通過數(shù)據(jù)流壓縮、固定塊切割和多數(shù)據(jù)流并發(fā)，將遠程傳輸性能提升高達10倍、延時降低10倍，幫助海量數(shù)據(jù)異地遷徙和災備。

小結

伴隨元宇宙、AI、大數(shù)據(jù)新技術、新應用不斷涌現(xiàn)，數(shù)字經(jīng)濟正在成為中國經(jīng)濟發(fā)展的關鍵因素。數(shù)據(jù)顯示，從2020年到2025年數(shù)字經(jīng)濟核心產(chǎn)業(yè)增加值將從7.9萬億提升至13萬億，是驅(qū)動GDP增長的引擎。

“浪潮存儲是整體市場全球前四、分布式存儲銷量中國第一的存儲廠商，糾刪碼技術在浪潮大部分分布式存儲客戶中得到應用，為產(chǎn)業(yè)轉型升級構筑了數(shù)據(jù)護盾”，浪潮信息首席架構師葉毓睿表示。未來浪潮存儲將攜手產(chǎn)學研用各方力量，共建場景共同體驅(qū)動社會高質(zhì)量發(fā)展。

原文標題：元宇宙存儲：如何為ZB級數(shù)據(jù)打造魔法護盾

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審核編輯：湯梓紅