數(shù)據(jù)恢復技術在計算機數(shù)據(jù)處理中的運用研究

余琳睆

（江西制造職業(yè)技術學院 江西 南昌 330095）

0 引言

在互聯(lián)網(wǎng)技術飛速發(fā)展的背景下，應用與用戶交互產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量也隨之增大，計算機作為現(xiàn)階段采用的一種應用組件，其為個性化推薦、實施交互等提供了運行環(huán)境，但是計算機磁盤損壞、數(shù)據(jù)丟失等情況也層出不窮，對數(shù)據(jù)恢復技術進行研究迫在眉睫［1］。 有關研究顯示，磁盤損壞導致數(shù)據(jù)丟失概率為80%［2］。 為實現(xiàn)丟失數(shù)據(jù)的恢復，相關研究人員提出C?Algorithm 和U?Algoithm 兩種數(shù)據(jù)恢復算法，這兩種算法可實現(xiàn)數(shù)據(jù)恢復時的負載均衡［3］。 部分研究人員通過BP 方案實現(xiàn)丟失數(shù)據(jù)的恢復，但是此種方案的數(shù)據(jù)恢復時間相對較長［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)恢復算法，在現(xiàn)有數(shù)據(jù)的分布情況與利用情況的基礎上，通過分段恢復的方式，實現(xiàn)丟失數(shù)據(jù)的有效恢復。

1 計算機數(shù)據(jù)丟失、恢復問題分析

1.1 計算機數(shù)據(jù)中心架構

假設云系統(tǒng)計算機數(shù)據(jù)中心架構為3 層樹狀結構（如圖1 所示），主要由交換機與物理服務器組成，交換機作用在于連接物理機，物理機中包含大量原始數(shù)據(jù)。

圖1 計算機系統(tǒng)中心架構

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

1.2 數(shù)據(jù)中心服務和數(shù)據(jù)

對于計算機數(shù)據(jù)中心而言，其主要是根據(jù)數(shù)據(jù)分析結果，通過消耗相應的帶寬實現(xiàn)與用戶之間的交互，以此來為用戶提供相應的服務［5］。 因此，計算機數(shù)據(jù)中心所提供的服務可表示為式（2）所示。

式（2）中，Sj為第j個數(shù)據(jù)副本；Di為帶寬資源的需求。

對于計算機數(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，故服務對Sj的依賴主要是對某一數(shù)據(jù)進行分析。

假設Bjk為數(shù)據(jù)Sj的第k個數(shù)據(jù)，此時計算機中心所提供的服務可進一步表示為式（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。 此時可通過公式（4）表示服務Fi訪問的數(shù)據(jù)副本，即：

則服務與數(shù)據(jù)副本兩者之間的關系可表示為式（5）所示。

由此可看出，服務主要由數(shù)據(jù)副本、物理機、帶寬資源等部分組成，服務主要是由相應的數(shù)據(jù)副本提供支持，數(shù)據(jù)副本可為多個服務提供支持。 對于數(shù)據(jù)副本而言，其在計算機系統(tǒng)中的重要性與對服務的支持程度，可在服務對帶寬資源需求的基礎上，定義其負載，即式（6）所示。

式（6）中，NF為數(shù)據(jù)中心服務數(shù)量。 因此，為有效提升數(shù)據(jù)安全質(zhì)量，數(shù)據(jù)需遵循相應的安全分布原則，各組數(shù)據(jù)至少需有兩個副本分布在不同的機架中，當機架失效后，剩余副本仍能提供相應的服務。 對于數(shù)據(jù)副本的分布情況而言，可通過物理機對數(shù)據(jù)副本的承載關系以及物理機的位置關系進行表示，即式（7）、式（8）所示。

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

在上述系統(tǒng)架構的基礎上，若出現(xiàn)磁盤失效導致數(shù)據(jù)副本丟失時，系統(tǒng)將自動恢復數(shù)據(jù)，也就是將源物理機中相應的數(shù)據(jù)副本拷貝到目標物理機中［6］。 在數(shù)據(jù)恢復過程中，數(shù)據(jù)的拷貝量對目標物理機造成一定的影響。 若系統(tǒng)中未做相應的數(shù)據(jù)拷貝，則服務質(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，則可根據(jù)資源平均利用規(guī)則，將資源分配量進行轉(zhuǎn)變，此時物理機上應用的服務質(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，系統(tǒng)的整體服務質(zhì)量QoS可表示為式（11）所示。

對數(shù)據(jù)的恢復而言，其主要是為了實現(xiàn)QoS的最大化。

1.3 計算機數(shù)據(jù)副本恢復問題

通過上述分析得知，在磁盤失效導致計算機系統(tǒng)中樣本數(shù)據(jù)丟失的情況下，可在確定數(shù)據(jù)恢復數(shù)量的基礎上，選擇適量的目標物理服務器。 由于目標物理機在安全規(guī)則的基礎上只能夠接收部分拷貝數(shù)據(jù)樣本，并且數(shù)據(jù)副本拷貝過程中會嚴重影響服務質(zhì)量。 因此，在數(shù)據(jù)恢復過程中，需選擇能夠恢復所有預數(shù)據(jù)副本的物理機，進而降低服務質(zhì)量的損耗［7］。

通過上述分析得知，數(shù)據(jù)副本的恢復問題屬于集合覆蓋的問題，也就是說需從相應的集合中，選擇若干個集合，這些集合中包含所有基本元素，且每個集合中都存在相應的選擇成本，這樣可將選中集合中的成本之和降低至最小。 對于數(shù)據(jù)副本恢復選中的目標服務器可接收副本集合（記為set（Pi））、 服務質(zhì)量的損耗（記為cost（Pj）） 而言，其實質(zhì)與集合覆蓋問題中的基本集合、成本相對應。因此，為有效降低數(shù)據(jù)拷貝對服務質(zhì)量造成的影響，需從時間、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)恢復算法

2.1 算法分析

對于分階段數(shù)據(jù)副本恢復算法而言，其主要是將需要恢復的數(shù)據(jù)副本劃分成不同恢復階段，進而降低數(shù)據(jù)副本恢復過程中的鏈路資源開銷。 基于此，本文通過稀有度模型來描述數(shù)據(jù)中心中數(shù)據(jù)的冷熱程度。 對于稀有度而言，其主要是根據(jù)數(shù)據(jù)負載以及數(shù)據(jù)副本的個數(shù)進行確定，在通常情況下，確定數(shù)據(jù)負載主要表示該數(shù)據(jù)的副本負載之和，可表示為式（12）所示。

式（12）中，Ljk為Cjk的負載，NP為數(shù)據(jù)中心物理機個數(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行調(diào)節(jié)。 在數(shù)據(jù)稀有度RTj小于0 的情況下，說明數(shù)據(jù)活躍度相對較高，則數(shù)據(jù)稀有度較低，需進行恢復。 反之，數(shù)據(jù)為冷數(shù)據(jù)，稀有度較高，無須修復，但是這部分數(shù)據(jù)需遵循相應的安全規(guī)則。

2.2 算法實施過程

在進行數(shù)據(jù)稀有度感知分階段數(shù)據(jù)恢復時，首先需要確定恢復集合setA、setB，在這兩個集合中，setA中的數(shù)據(jù)不滿足安全規(guī)則，需要對其中的數(shù)據(jù)進行恢復，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)的負載相對較高，需對其中的數(shù)據(jù)副本進行恢復處理；其次，在setA、setB集合的基礎上，采用分階段數(shù)據(jù)副本恢復算法，根據(jù)相應的安全等級，對副本進行安全恢復處理（優(yōu)先恢復安全等級高的數(shù)據(jù)副本），在恢復過程中，需選擇負載相對較小的物理機，在最小負載機的物理機不滿足要求時，選擇小負載物理機。

3 算法測試分析

3.1 測試環(huán)境

為驗證本文提出算法的可行性，對其數(shù)據(jù)恢復效果進行測試。 測試環(huán)境參數(shù)為：在機架內(nèi)增設4 臺物理機、2臺交換機，1 個交換機連接1 個機架中的2 臺物理機，通過路由器實現(xiàn)交換機之間的連接，鏈路帶寬定為1 000 Mb／s。 對于其中所使用的物理機而言，其可存儲1 000 個數(shù)據(jù)，且物理機中包含的數(shù)據(jù)副本初始數(shù)量在2 ～5 個范圍內(nèi)，符合正態(tài)分布，并且滿足相應的安全規(guī)則。 當數(shù)據(jù)處理為初始條件下時，系統(tǒng)中會出現(xiàn)相應的服務，其中的每個服務與數(shù)據(jù)副本相對應，且服務負載為50 ～200 的正態(tài)分布。 為提升數(shù)據(jù)處理效果，試驗采用配置為Inteli7 處理器、8 GB 內(nèi)存的計算機，通過該計算機模擬物理機的失效過程，并分析文獻［1］算法與本文算法數(shù)據(jù)恢復效果。

為測試不同負載下各算法數(shù)據(jù)恢復效率，測試過程中將服務的總帶寬需求作為衡量系統(tǒng)負載u的指標，具體表示為式（14）所示：

式中，F(xiàn)平為平均負載，等于每臺物理機上服務負載之和的平均值；L鏈路為鏈路帶寬。

通過計算得知，系統(tǒng)負載在40%～80%之間。

3.2 測試結果分析

（1）不同算法數(shù)據(jù)恢復平均服務質(zhì)量評估對比分析

根據(jù)測試環(huán)境，對系統(tǒng)中磁盤失效時數(shù)據(jù)副本的恢復平均服務質(zhì)量進行評估，評估結果詳見表1。

表1 系統(tǒng)中磁盤失效時數(shù)據(jù)副本的恢復平均服務質(zhì)量評估結果

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

（2）不同算法數(shù)據(jù)恢復時間評估度對比分析

對于數(shù)據(jù)副本恢復而言，其主要目的在于提升服務質(zhì)量，數(shù)據(jù)恢復時間作為衡量數(shù)據(jù)恢復效果一個重要指標，系統(tǒng)恢復時間越長，表明系統(tǒng)再次失效的概率大。 針對此種情況，需在上述測試環(huán)境的基礎上，對不同算法數(shù)據(jù)的恢復時間進行評估，評估結果詳見表2。

表2 不同算法數(shù)據(jù)恢復時間評估度結果

對系統(tǒng)負載而言，其主要體現(xiàn)當前環(huán)境下服務自身的帶寬需求，同時也對數(shù)據(jù)恢復過程中可用帶寬資源造成一定影響，導致數(shù)據(jù)恢復過程中的帶寬資源受到影響。 從表2 中可看出，文獻［4］數(shù)據(jù)恢復時間相對較短，造成此種情況的原因在于文獻［4］中的算法直接將所有數(shù)據(jù)恢復，在數(shù)據(jù)恢復過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)拷貝任務相對較多，進而搶占了大部分帶寬資源，促使其數(shù)據(jù)恢復時間縮短。 雖然本文算法的數(shù)據(jù)恢復時間相比較文獻［4］算法長，但是仍處于可接受范圍內(nèi)。 但是，在本文算法數(shù)據(jù)恢復過程中，首先對不符合安全規(guī)則的數(shù)據(jù)進行恢復，且恢復時間遠小于總恢復時間。 在恢復不符合安全規(guī)則的數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)便具備了應對磁盤再次失效的能力。

4 結語

針對計算機系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)副本丟失問題，本文提出一種基于稀有度感知的分階段數(shù)據(jù)副本恢復算法，并以提升應用服務質(zhì)量為目標，模擬測試了該算法在應用服務質(zhì)量保障方面的效率。 測試結果表明，本文算法的數(shù)據(jù)恢復時間雖然長，但是仍處于可接受范圍內(nèi)。