基于LDPC码的分布式容灾系统及其性能研究

摘要

随着信息时代的来临，企业数据量正成爆炸式增长，企业的生存对数据的依赖程度越来越高。当灾难发生时，如何迅速完整的恢复数据，是当前最受工业界和学术界普遍关注的问题之一。集中式本地备份可以应对本地的不严重的错误，但当企业数据中心所在地发生地震、海啸、恐怖袭击等突发事件时，备份数据可能与原数据一样不能幸免于难。因此，当前很多重要部门和大型企业如政府部门、银行、证券中心等都在异地建有容灾中心，即对本地数据做一份在远程做一份镜像备份。这种方案可以在一定程度上保证信息数据的可靠性，但是一旦源数据与备份数据同时发生故障，信息数据就无法恢复。因此，对于某些关键的不容丢失的数据，本地数据中心+镜像备份中心的方案所提供的数据可靠性不能令人满意。
　　 纠删码技术是容灾系统中提高数据可靠性的另一种有效手段，其较早应用于本地磁盘阵列和通信领域。它的基本思想是将数据分成若干块，通过某种编码方案，生成校验数据块。这样只需保证原数据块和校验数据块中的部分数据块可用，即可恢复信息数据。根据恢复信息数据所需要的数据块数可将纠删码分为MDS码和非MDS码。与镜像技术相比，纠删码技术可以在增加较小空间开销的情况下，为企业数据提供更高的可靠性，代价是需要编码和解码操作，造成一定的时间开销。
　　 低密度校验码最早由Gallager于1963年在其博士论文中提出，是被证明具有优异的纠错性能的好码。但由于编译码复杂度较高，在当时的硬件条件下没能得到广泛应用，直到1996年Mackay和Neal的重新研究，才使LDPC码重新受到人们的重视。现在LDPC码已经广泛应用于通信领域，成为卫星数字视频广播DVB-S2的通用标准。鉴于其非MDS特性，本文提出一种基于最小删除列表的容错性能评估机制，对LDPC码的容错性能进行分析，与最小海明距离相比，能更好的反映出其容错能力。给出了最小删除列表的生成算法，并在Matlab下编程实现。对若干不同码长的纠删码进行了测试，分析了码长和校验数据对码字容错能力的影响。对基于纠删码机制的容灾模型和基于复制的容灾模型的性能，针对节点个数、编码效率、译码效率等参数进行了理论上的对比。结果表明，基于纠删码机制的容灾模型的数据可用性优于基于复制机制的容灾模型。提出一种基于LDPC码的容灾方案，与传统的完全备份方案以及存储节点数量较大时的RS编码方案进行对比，实验结果证明其能更好的保证企业数据安全。