【摘要】：隨著大數(shù)據(jù)時代的到來和數(shù)據(jù)的爆炸性增長,以及用戶對數(shù)據(jù)服務(wù)的可用性、可擴(kuò)展性和容錯性需求的不斷提高,分布式存儲技術(shù),特別是廣域分布式存儲技術(shù)的價值和重要性日漸凸顯。復(fù)制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)廣域分布式存儲系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)的關(guān)鍵,而數(shù)據(jù)一致性的實(shí)現(xiàn)性能是評估復(fù)制技術(shù)的重要指標(biāo)。目前,最有效的解決數(shù)據(jù)一致性問題的方法是采用具有領(lǐng)導(dǎo)者節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的分布式一致性協(xié)議,如典型的Multi-Paxos協(xié)議。但是,隨著越來越多的分布式存儲系統(tǒng)轉(zhuǎn)向全球范圍內(nèi)跨不同地理區(qū)域的多數(shù)據(jù)中心架構(gòu),廣域分布式存儲系統(tǒng)面臨協(xié)議延遲高、吞吐量低等問題。在CAP定理的約束下,傳統(tǒng)的分布式一致性協(xié)議在廣域網(wǎng)環(huán)境下無法滿足用戶對一致性和可用性的要求。因此,如何在廣域網(wǎng)環(huán)境下,有效提高分布式一致性協(xié)議的可用性,是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的課題。針對上述問題,本文以提高系統(tǒng)吞吐量和延遲為目標(biāo),通過優(yōu)化無領(lǐng)導(dǎo)者節(jié)點(diǎn)一致性協(xié)議,對廣域網(wǎng)環(huán)境下分布式數(shù)據(jù)一致性協(xié)議的優(yōu)化問題展開研究。主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)歸納如下:首先,對典型的無領(lǐng)導(dǎo)者節(jié)點(diǎn)分布式一致性協(xié)議EPaxos協(xié)議中存在的命令沖突發(fā)生時協(xié)議退化問題進(jìn)行了理論分析。通過引入分布式全局時鐘,提出了一種基于時間戳排序的EPaxos改進(jìn)協(xié)議,即T-EPaxos協(xié)議。該協(xié)議將EPaxos協(xié)議命令沖突發(fā)生時的協(xié)議退化過程,改為根據(jù)命令的時間戳進(jìn)行定序,從而有效地減少了協(xié)議退化產(chǎn)生的消息傳遞數(shù)量,提高了系統(tǒng)的延遲和吞吐量性能表現(xiàn)。在此基礎(chǔ)上,針對廣域分布式存儲系統(tǒng)的特點(diǎn),提出了在數(shù)據(jù)中心內(nèi)和跨數(shù)據(jù)中心間采用不同一致性協(xié)議的混合一致性方案H-Paxos。其中,在跨地域的多數(shù)據(jù)中心架構(gòu)中的單數(shù)據(jù)中心內(nèi),使用具有領(lǐng)導(dǎo)者節(jié)點(diǎn)的S-Paxos協(xié)議,而在跨數(shù)據(jù)中心間,使用前文提出的T-EPaxos無領(lǐng)導(dǎo)者節(jié)點(diǎn)一致性協(xié)議。為了進(jìn)一步提高諸如災(zāi)難預(yù)警、應(yīng)急響應(yīng)等實(shí)時性高的場景的響應(yīng)速度,根據(jù)CAP定理,對分布式一致性強(qiáng)度與系統(tǒng)可用性進(jìn)行了量化定義,并基于此提出了廣域分布式系統(tǒng)分布式局部一致性框架。仿真結(jié)果表明,提出的分布式局部一致性框架的局部分組內(nèi)部,具有較好的延遲和吞吐量性能,為廣域分布式存儲系統(tǒng)的研究提供了新的思路和突破口。
【圖文】：

即能夠保證節(jié)點(diǎn)互通的情況下從各個節(jié)點(diǎn)請求到的數(shù)據(jù)必須是一致的。如圖1-1 所示，當(dāng)客戶端對某一副本節(jié)點(diǎn)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行更新時，分布式存儲系統(tǒng)內(nèi)的所有數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)將全部執(zhí)行相同的更新，所有副本中的數(shù)據(jù)一致。如果分布式系統(tǒng)沒能做好一致性保證，那么當(dāng)用戶訪問不同副本中的相同數(shù)據(jù)時，獲得的結(jié)果將不

的一致性強(qiáng)度與可用性水平的權(quán)衡方案成為了當(dāng)下迫在眉睫的需求。1.3 論文研究目標(biāo)與主要研究內(nèi)容經(jīng)過對課題的研究現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研，明確了課題的研究目標(biāo)：廣域網(wǎng)環(huán)境下，，消息傳輸延遲高，傳統(tǒng)的一致性協(xié)議應(yīng)用在跨地域多數(shù)據(jù)中心的存儲系統(tǒng)中，存在可用性較差的問題，為此提出一種基于 Paxos 協(xié)議的改進(jìn)協(xié)議，在保證廣域存儲系統(tǒng)強(qiáng)一致性同時，提高系統(tǒng)的延遲和吞吐量性能。為完成這一目標(biāo)，課題研究的流程如圖 1-2，擬開展的研究內(nèi)容如下：（1）研究廣域分布式存儲系統(tǒng)的架構(gòu)和特點(diǎn)，分別討論適用于單數(shù)據(jù)中心內(nèi)和跨數(shù)據(jù)中心間的分布式一致性協(xié)議的原理，對其中存在的問題進(jìn)行分析與研究。（2）針對廣域分布式存儲系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心間傳輸延遲高的問題，提出基于Paxos 協(xié)議的優(yōu)化協(xié)議，以此改善廣域網(wǎng)環(huán)境下系統(tǒng)延遲高、吞吐量低的問題。對提出的協(xié)議進(jìn)行仿真建模，驗(yàn)證其有效性。（3）針對諸如災(zāi)難預(yù)警、金融行業(yè)某些特殊用戶對時限要求高，且廣域網(wǎng)環(huán)境下無法同時滿足其強(qiáng)一致性和可用性要求的問題，提出分布式一致性局部復(fù)制框架。對框架進(jìn)行建模仿真，驗(yàn)證其有效性。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TP333

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