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基于主动网络技术的存储网络关键技术的研究

作　者: 孔华锋
导　师: 余胜生
学　校: 华中科技大学
专　业: 计算机系统结构
关键词: 网络存储主动网络存储网络冗余磁盘阵列拥塞控制网络缓存
分类号: TP333
类　型: 博士论文
年　份: 2004年
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内容摘要

存储网络是传统存储技术与网络技术结合的产物,随着围绕数字化和网络化的各种应用的不断增加,在存储容量以及数据的访问性能、传输性能、高可靠性、可用性和可扩展性等多个方面对存储网络系统的要求越来越高。存储技术通过早期的整合,从DAS直接连接模式过渡到SAN或NAS存储模式后,也更多地需要在存储网络中引入多层智能化服务,例如对多协议/多传输的支持、高可用性、流量管理、QOS、安全和智能诊断等,并最终在存储网络中提供存储应用服务,使存储网络成为公共设施。但受到标准化和兼容性因素的制约,存储网络无法提供及时、有效的支持。主动网络技术提出了可编程的网络体系结构,网络节点具备的处理能力可以动态地扩展、更新和增强,能够主动地进行数据计算和处理,从而在网络中提供面向用户的服务定制功能,支持动态地对网络服务的不同程度的控制。通过对基于主动网络技术的存储网络关键技术的系统研究,利用主动网络技术的主动性、灵活性和可编程的设计思想,对传统存储网络的关键技术进行融合和改进,满足存储网络应用不断增长的要求。首先对主动网络技术进行了深入分析和研究,包括主动网络节点中的主动应用程序、执行环境和节点操作系统等关键部分;其次对主动网络封装协议、主动网络应用编程接口以及数据包在主动网络节点中的处理过程等主动网络技术的相关内容进行了研究和探讨,并与传统网络技术中的相关内容进行了分析比较,指出了主动网络技术的优势,目的在于深入了解主动网络技术的设计思想和基本功能结构,为研究工作提供思路和方法。存储网络系统的可靠性可以通过冗余磁盘阵列技术来保障,通过对常用的RAID结构进行分析,指出了大容量存储网络系统中,使用多重校验RAID结构的必要性,并在对常用的多重校验RAID结构进行容错性和可靠性分析的基础上,提出了主动网络RAID结构。主动网络RAID结构是一种采用主动网络技术,通过在存储网络中布置主动网络节点,并定制相应的存储功能,然后将多个主动网络节点组合在一起,构成具有多级网络RAID和多重校验的主动网络RAID结构。通过对主动网络RAID结构的容错性、可靠性、I/O性能以及相关算法等进行理论分析和测试研究,可以得出主动网络RAID结构具有可靠性、可用性和可扩展性高等优点,适<WP=4>合于大容量、高可靠性要求的数据存储。存储网络中包含大量的数据传输,容易造成网络拥塞和数据丢失,但是数据的正确传输又至关重要,针对传统存储网络技术中拥塞控制机制存在的问题,提出了基于主动网络技术的存储网络拥塞控制模型。该模型包括基于主动网络技术的拥塞检测与控制机制和发送者的主动速率调整机制。基于主动网络技术的拥塞检测与控制机制利用主动网络技术,在主动网络节点中主动提供拥塞检测和拥塞控制功能,缩短发送者的拥塞反应时间,增强了网络拥塞检测和控制的性能,提高了存储网络的平均吞吐量和减小数据包的延迟,也改善了传统拥塞控制机制存在的网络带宽利用率不高、公平性差、容易造成同步和对突发数据流的适应性差等问题。发送者的主动速率调整机制通过引入主动探测数据包,根据存储网络带宽的情况来主动进行传输速率调整,减小了存储网络出现拥塞可能性,提高了存储网络带宽的利用率,并且通过分析和研究相应的传输速率模型和相关算法,提出了发送者速率调整算法。存储网络缓存技术可以减少用户访问存储服务器的次数,是解决存储网络带宽瓶颈的一种有效方法。在分析和研究主动网络技术的基础上,提出了基于主动网络技术的缓存模型,通过在主动网络节点中预取和缓存用户的访问数据,充分地利用网络资源,提高全局命中率,减小访问时延。给出了基于主动网络技术的缓存模型的性能分析,并对主动网络节点中的缓存数据与缓存目录的空间大小的最优比问题进行了理论分析和研究。给出了主动网络节点中主动缓存预取替换算法,通过采用访问转移概率图来计算访问数据之间的逻辑关联度,通过访问数据之间的逻辑关联度来进行访问数据的分组和选择,主动完成访问数据预取和替换,具有计算和存储开销小等特点。

基于主动网络技术的存储网络关键技术的研究

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