基于云計算的數據存儲架構研究

摘要：隨著云計算技術的發展，如何實現云環境中數據的高效存儲是云計算提供服務的基本要求，本文詳細討論了云計算環境下數據的存儲體系結構，為行業打造自己的數據中心提供了一個可靠的、高可用的、可擴展性的、可靈活管理和安全的參考方案，最后也對不同的企業在云計算中的不同的角色，給出了不同的發展策略。

關鍵詞：云計算； 云存儲； 數據存儲架構

中圖分類號：TP308 文獻標識碼：A文章編號：2095-2163（2014）04-0090-04

Abstract：With the development of cloud computing technology， how to achieve high efficient storage of data in a cloud computing environment is the basic requirement to provide cloud computing services. This thesis discusses the data storage structures in cloud computing environment， so as to provide a reliable， highly available， scalable， flexible management and security proposal for the industry during their data center establishment. And according to different enterprises different roles in cloud computing，the paper provides the development strategies.

Key words：Cloud Computing； Cloud Storage； Data Storage Architecture

0引言

數據存儲是實現信息技術的必備環節，傳統方式是將各種數據資源存儲在本地進行數據交換。每當企業要建立一套專屬的IT軟件系統就不僅要購買一定的軟件，還要購買相應的硬件資源實現運行和存儲，而且還要聘請專業的IT人員對所存儲的數據進行維護，特別地對于重要數據還要妥善完成保留存檔工作。當今，隨著企業的進一步發展，企業就可能要面對硬件資源的升級以及海量數據的存儲，這就導致企業必須投入大量的人力和物力以滿足企業發展所形成的現實需求。

隨著計算機技術、網絡技術和信息處理技術的發展，云計算技術應運而生，甫一出現，企業即無需再如以前投入大量的人力和物力來購買硬件資源，具體則包括存儲設備以及相關的海量數據在內，而是只需向云中心的服務人員申請所需的資源，再由云中心的服務人員為企業用戶分配相應的資源，還可以對用戶的申請進行動態分配資源，這就大大降低了企業的運維成本，使企業更加專注于自己的核心業務。云計算的出現，宣告了低成本提供超級計算時代的到來，即可為使用網絡提供了幾乎無限多的可能，為存儲數據提供了幾乎無限量的空間，也為各種應用提供了幾乎無限大的計算能力。在眾多有利態勢的高效推動之下，云計算作為未來IT的發展趨勢已經不容質疑[1]。

1云存儲

云計算是一種新的計算模式，其目的是通過網絡將資源整合在一起，使資源得到最大化的優質利用。高性能的存儲是構建云計算的基礎，云存儲可以向用戶提供高性能的存儲服務，企業將不再需要購買自己的存儲服務器。而是只需要付出少許費用就可以從云服務提供商處獲得高品質的云存儲服務，企業只要專注于核心業務創新能力的提升，由此則進一步強化了企業的核心競爭力[2]。

2云存儲體系架構

在云環境中，存儲是由許多存儲設備通過集群技術整合在一起的共享存儲中心。這些設備可以是相同的，也可能是異構的。數據中心通過將這些異構的文件系統整合構建為一個高效的、高可擴展性的整體向用戶提供了云存儲服務[3]。云計算環境中數據存儲體系架構如圖1所示。

2.1數據中心

數據中心是存儲體系的基礎，其中包括各種各樣的存儲設備，還包括著存放在這些設備上的文件系統。文件系統是存儲體系的核心，分布式文件系統可以實現多個存儲設備之間的相互協同工作，使網絡上不同位置的文件就像在本地一樣供服務器按需調用[4]，即對外提供一種服務，也就是通過接口提供了更為強大的數據訪問能力。

云存儲文件系統的設計受到負載和技術的影響，而根據存儲文件系統的特點和要求可以推知，文件系統的技術功能主要包括：安全性管理、一致性管理、文件命名系統、通信管理和容錯管理。現在對其重點功能開展如下論述。

數據的可靠性是衡量存儲文件系統的最重要指標。在云計算環境中，會有成千上萬個節點在參與運算，某一時刻，必然會有某些節點處于故障狀態，此時此刻，數據的可靠性就顯得尤為重要。所以在文件系統的設計時就需要考慮以下幾個方面的問題：第4期趙勇軍：基于云計算的數據存儲架構研究智能計算機與應用第4卷

（1）可用性原則，即系統中節點為用戶提供服務的能力。

（2）可持續性原則，即系統可以持續無故障為用戶提供服務的能力。

（3）安全性原則，即系統中節點在出現故障的情況下，數據能夠安全恢復的能力。

（4）易維護性原則，即系統在運行過程中減少工作人員的工作量的能力[5]。

文件系統的另一個重要的功能就是進程間的通信，進程的通信都是通過底層網絡進行數據交換的。網絡進程間的通信協議也是文件系統的重要基礎，不能因為存儲模式的不同即導致存儲產生較高的延遲和緩慢的響應。在云平臺中，數據的存儲和備份都需要較快的響應速度。

云平臺數據的安全性也是云計算中人們普遍關注、卻亟待解決的另一核心關鍵問題。在云計算中，用戶數據存儲在共享空間當中，無論用戶還是云服務提供商，都需要這些存儲的數據能夠得到完善保護，不會出現惡意泄露以及盜竊。云服務提供商更需要對用戶的敏感數據提供妥帖的安全保護，這也成為云服務提供商的首要任務[6]。

若要提高數據中心的安全性，就要根據云平臺中的系統文件可能存在的安全威脅來確立相應的安全策略和保護機制。在云平臺數據中心存儲數據的訪問都是基于信任機制的，這通常都是由應用程序來實施管理，在云平臺中，多數虛擬機是共享內存和CPU等公共資源的[7]，如何防止這些數據不被錯誤的虛擬機訪問和破壞，就需要考慮以下兩個方面的因素：通道安全問題和權限授權問題。其中，通道安全問題主要就是進程或者線程之間通信的安全性問題。通信安全主要涉及數據加密、身份安全認證、數據的完整性和可靠性以及數字簽名等安全性方面的相關問題。而授權問題則主要是在通信安全的前提下，對數據中心內部某些資源的可訪問性的一種賦權，這可歸類于資源訪問控制方面的問題。

2.2服務接口

不同的云服務提供商，提供的應用程序服務也是不同的，但通過服務接口的設置卻屏蔽了底層服務商的差異性，即用戶可以通過接口實現對數據中心內部數據的操作和訪問，而無需考慮底層服務商的具體差異，服務商對用戶只是根據資源的訪問權限來進行分配和控制，如此即保證了云平臺中存儲系統的靈活性和可擴展性的要求[8]。

2.3服務等級

云服務等級是用戶享受云服務商提供云服務的級別，也是云平臺中存儲服務的一個重要指標。用戶所享受的云服務等級與用戶向云服務繳納的費用有關，用戶繳納的費用越高，用戶的服務等級就越高，反之，就越低。用戶的服務等級越高，用戶就能更為快速地享受到定制服務[9]。合理的服務等級收費對用戶來說非常重要。

2.4云用戶

享受云服務的用戶既包括個人，也包括企業等。云用戶不需要很大開銷就可以得到高性能的計算資源和存儲資源，更重要的是這些資源也不需要額外費用來運營和維護。用戶只要通過終端設備如手機，平板電腦或者筆記本就可以連到數據中心享受各類服務。企業是云服務的最大收益者，以前企業建立自己的IT系統需要投入大量的人力、物力和財力，而今企業只需要配置軟件就可以獲得與之前同樣的現實效果。

3云存儲架構實現的關鍵技術

云存儲系統是一個統一整體，包含多應用、多設備和多服務等眾多方面的協同合作。云儲存系統的實現既需要由各種結構差異的終端來共同協作，也需要相對成熟的各項技術的通力配合。其中網絡帶寬等基礎設施必須能夠提供充足保證，也就是能夠屏蔽各種底層硬件基礎設施的差異，向用戶提供統一的服務。而且，云存儲系統作為一個協作的整體，更是集成技術、網格技術以及分布式文件系統的統一整合，由此可使多個設備之間協同工作，并通過將各種閑散的資源集結成群，使服務器具有更加強大的計算能力和存儲能力。實現云存儲的另一基礎就是虛擬化技術，具體來說就是，用戶是看不到各種設備之間差異的，并且用戶之間的數據也互不影響[10]，用戶不必擔心計算資源或者存儲資源等細節問題，而這些都是由管理員來進行統一管理和調配的。另外需要指出的是，一定的數據加密技術也是保證用戶及系統安全的必備利器。

云存儲系統的結構模型可分為四層，分別是存儲層、基礎管理層、應用接口層和訪問層，具體如圖2所示。

3.1存儲層

云存儲系統最基礎的部分就是存儲層。在云存儲系統中，各種存儲設備比較分散，并且數量眾多，這些設備之間均是通過局域網、廣域網、Internet或者光纖等連接在一起，再由存儲設備管理系統來對這些品種繁多，結構各異，而且分布廣泛的設備實現統一管理。針對這些設備，該系統可以實現冗余管理、容錯管理和虛擬化的管理，同時也可以對設備的狀態進行監控和故障的維護。

3.2基礎管理層

存儲層系統最核心的部分就是基礎管理層。管理層是集群技術、網格技術以及分布式文件系統技術的有機結合體。通過這些技術可以屏蔽底層硬件的差異，使多個不同的圖2 云存儲層的架構設備實現協同工作，從而對外提供統一的服務，以及具備強大的數據訪問能力。

3.3應用接口層

存儲層系統最靈活多變的部分就是應用接口層。這一層主要是根據用戶的不同需求，向外提供多樣化的服務。并且根據應用程序的不同，也需要提供不同的接口。例如：要為視頻監控提供合適的接口，為網絡硬盤程序提供適合網絡硬盤的接口、為視頻點播程序提供有關的應用接口等。

3.4訪問層

普通的用戶可以根據服務提供商允許的授權，輸入指定信息登錄到服務提供商的云存儲系統平臺中，并根據費用享受相應等級的云服務。而且，由于服務提供商的不同，所提供的訪問策略和訪問方式也必將有所不同。4企業對策

隨著信息技術的發展，云計算技術也越發成熟。為適應這一形勢變化，無論中小企業還是大型企業也都必將發生一場深刻的變革。中小企業為了降低運營成本，企業的傳統數據中心則必將會向云數據中心遷移，而大型企業也必將因應時勢而建立自己的私有云數據中心。因而在云計算發展的過程中，不同的企業也將隨之出臺不同的對策[11-12]。

4.1向服務商租用計算資源和存儲資源

云計算的提出，對于中小企業來說是一場時代機遇，構建自己的私有云平臺，無疑給企業的發展帶來了巨大的經濟負擔。當前中小企業的最佳對策就是向云服務提供商租用計算資源和存儲資源，這樣中小企業就不需要再支取巨額費用來購買硬件資源，也不需要專門聘請IT管理人員進行設備的維護工作，企業就可以專注于自己核心業務的拓展，從而降低了企業的運營成本，提高了企業在實際市場上的核心競爭力。

4.2構建私有云

雖然現在很多服務商都已提供了大型的云平臺，但是對于經濟實力雄厚的大型企業來說，鑒于公有云平臺的安全性和不確定性，并出于數據的安全和保密的考慮，這些企業所做出的選擇通常是構建自己的私有云平臺，以增強自身的IT業務處理能力，降低企業的運營成本，并進一步提高企業的綜合競爭實力。這樣，大型企業既享受到了云計算技術帶來的好處，同時也保證了企業核心數據的安全問題，進而又增強了自身的創新能力，由此可使企業在市場競爭中立于持續不敗之地。私有云平臺結構如圖3所示。

5結束語

云計算的提出給企業的發展帶來了巨大的變革，得到了越來越多企業的重視和青睞。云計算讓更多的資源實現了共享，不僅是計算資源，也包括著存儲資源，這就使資源得到了最大化的利用。但是，由于目前的云計算仍未建立一個開放的公共標準，對于云計算服務轉移的彈性相應地也就很低。如果一個壟斷了用戶云計算的公司，出現倒閉或被吞并的情形，那么對用戶就將產生非常嚴重的后果。要使用戶能自由地進行信息共享，就必須形成開放的云計算公共標準。此外，雖然云計算的數據對外具有較高的安全性，但用戶在使用云計算服務時，用戶并不清楚自己的數據的儲存位置，以及云計算存儲公司是否遵循了當地的隱私協議。因而，如何提供有效機制保證數據的安全性對于云計算的發展和應用則有著重要的理論價值和實際意義。

參考文獻：

[1]袁國駿. 淺談云計算及其發展應用[J]. 實驗室科學， 2009（2）：103-105.

[2]趙勇軍. OPC架構之上的公共數據平臺技術探討[J]. 數字技術與應用， 2013（6）：222.

[3]張桂剛，李超，張勇，等. 云環境下海量數據資源管理框架[J]. 系統工程理論與實踐， 2011（S2）：28-32.

[4]朱團結，艾麗蓉. 基于共享內存的Xen虛擬機間通信的研究[J]. 計算機技術與發展， 2011（7）：5-8，12.

[5]趙又霖，鄧仲華，黎春蘭. 云服務等級協議的生命周期管理研究[J]. 圖書與情報， 2013（1）：51-57.

[6]張峰. 云計算應用服務模式探討[J]. 信息技術與信息化， 2012（2）：81-83.

[7]李大勇. 私有云計算技術在石油行業的應用[J]. 信息系統工程，2012（9）：92-94.

[8]王德政，申山宏，周寧寧.云計算環境下的數據存儲[J].計算機技術與發展， 2011， 4（21）：82-83.

[9]陳康，鄭緯民.云計算系統實例與研究現狀[J].軟件學報， 2009（5）：1340-1342.

[10]趙勇軍. 基于數據庫屬性基礎上的自主安全防護分析[J]. 無線互聯科技， 2013（6）：135.

[11]張慧，邢培振.云計算環境下信息安全分析[J].計算機技術與發展，2011，12（21）：165-167.

[12]陳云勇，陳清金，潘松柏.云計算安全關鍵技術分析[J].電信科學， 2010（9）：65-68.