基于云计算的数据存储架构研究

摘要：随着云计算技术的发展，如何实现云环境中数据的高效存储是云计算提供服务的基本要求，本文详细讨论了云计算环境下数据的存储体系结构，为行业打造自己的数据中心提供了一个可靠的、高可用的、可扩展性的、可灵活管理和安全的参考方案，最后也对不同的企业在云计算中的不同的角色，给出了不同的发展策略。

关键词：云计算； 云存储； 数据存储架构

中图分类号：TP308 文献标识码：A文章编号：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

数据存储是实现信息技术的必备环节，传统方式是将各种数据资源存储在本地进行数据交换。每当企业要建立一套专属的IT软件系统就不仅要购买一定的软件，还要购买相应的硬件资源实现运行和存储，而且还要聘请专业的IT人员对所存储的数据进行维护，特别地对于重要数据还要妥善完成保留存档工作。当今，随着企业的进一步发展，企业就可能要面对硬件资源的升级以及海量数据的存储，这就导致企业必须投入大量的人力和物力以满足企业发展所形成的现实需求。

随着计算机技术、网络技术和信息处理技术的发展，云计算技术应运而生，甫一出现，企业即无需再如以前投入大量的人力和物力来购买硬件资源，具体则包括存储设备以及相关的海量数据在内，而是只需向云中心的服务人员申请所需的资源，再由云中心的服务人员为企业用户分配相应的资源，还可以对用户的申请进行动态分配资源，这就大大降低了企业的运维成本，使企业更加专注于自己的核心业务。云计算的出现，宣告了低成本提供超级计算时代的到来，即可为使用网络提供了几乎无限多的可能，为存储数据提供了几乎无限量的空间，也为各种应用提供了几乎无限大的计算能力。在众多有利态势的高效推动之下，云计算作为未来IT的发展趋势已经不容质疑[1]。

1云存储

云计算是一种新的计算模式，其目的是通过网络将资源整合在一起，使资源得到最大化的优质利用。高性能的存储是构建云计算的基础，云存储可以向用户提供高性能的存储服务，企业将不再需要购买自己的存储服务器。而是只需要付出少许费用就可以从云服务提供商处获得高品质的云存储服务，企业只要专注于核心业务创新能力的提升，由此则进一步强化了企业的核心竞争力[2]。

2云存储体系架构

在云环境中，存储是由许多存储设备通过集群技术整合在一起的共享存储中心。这些设备可以是相同的，也可能是异构的。数据中心通过将这些异构的文件系统整合构建为一个高效的、高可扩展性的整体向用户提供了云存储服务[3]。云计算环境中数据存储体系架构如图1所示。

2.1数据中心

数据中心是存储体系的基础，其中包括各种各样的存储设备，还包括着存放在这些设备上的文件系统。文件系统是存储体系的核心，分布式文件系统可以实现多个存储设备之间的相互协同工作，使网络上不同位置的文件就像在本地一样供服务器按需调用[4]，即对外提供一种服务，也就是通过接口提供了更为强大的数据访问能力。

云存储文件系统的设计受到负载和技术的影响，而根据存储文件系统的特点和要求可以推知，文件系统的技术功能主要包括：安全性管理、一致性管理、文件命名系统、通信管理和容错管理。现在对其重点功能开展如下论述。

数据的可靠性是衡量存储文件系统的最重要指标。在云计算环境中，会有成千上万个节点在参与运算，某一时刻，必然会有某些节点处于故障状态，此时此刻，数据的可靠性就显得尤为重要。所以在文件系统的设计时就需要考虑以下几个方面的问题：第4期赵勇军：基于云计算的数据存储架构研究智能计算机与应用第4卷

（1）可用性原则，即系统中节点为用户提供服务的能力。

（2）可持续性原则，即系统可以持续无故障为用户提供服务的能力。

（3）安全性原则，即系统中节点在出现故障的情况下，数据能够安全恢复的能力。

（4）易维护性原则，即系统在运行过程中减少工作人员的工作量的能力[5]。

文件系统的另一个重要的功能就是进程间的通信，进程的通信都是通过底层网络进行数据交换的。网络进程间的通信协议也是文件系统的重要基础，不能因为存储模式的不同即导致存储产生较高的延迟和缓慢的响应。在云平台中，数据的存储和备份都需要较快的响应速度。

云平台数据的安全性也是云计算中人们普遍关注、却亟待解决的另一核心关键问题。在云计算中，用户数据存储在共享空间当中，无论用户还是云服务提供商，都需要这些存储的数据能够得到完善保护，不会出现恶意泄露以及盗窃。云服务提供商更需要对用户的敏感数据提供妥帖的安全保护，这也成为云服务提供商的首要任务[6]。

若要提高数据中心的安全性，就要根据云平台中的系统文件可能存在的安全威胁来确立相应的安全策略和保护机制。在云平台数据中心存储数据的访问都是基于信任机制的，这通常都是由应用程序来实施管理，在云平台中，多数虚拟机是共享内存和CPU等公共资源的[7]，如何防止这些数据不被错误的虚拟机访问和破坏，就需要考虑以下两个方面的因素：通道安全问题和权限授权问题。其中，通道安全问题主要就是进程或者线程之间通信的安全性问题。通信安全主要涉及数据加密、身份安全认证、数据的完整性和可靠性以及数字签名等安全性方面的相关问题。而授权问题则主要是在通信安全的前提下，对数据中心内部某些资源的可访问性的一种赋权，这可归类于资源访问控制方面的问题。

2.2服务接口

不同的云服务提供商，提供的应用程序服务也是不同的，但通过服务接口的设置却屏蔽了底层服务商的差异性，即用户可以通过接口实现对数据中心内部数据的操作和访问，而无需考虑底层服务商的具体差异，服务商对用户只是根据资源的访问权限来进行分配和控制，如此即保证了云平台中存储系统的灵活性和可扩展性的要求[8]。

2.3服务等级

云服务等级是用户享受云服务商提供云服务的级别，也是云平台中存储服务的一个重要指标。用户所享受的云服务等级与用户向云服务缴纳的费用有关，用户缴纳的费用越高，用户的服务等级就越高，反之，就越低。用户的服务等级越高，用户就能更为快速地享受到定制服务[9]。合理的服务等级收费对用户来说非常重要。

2.4云用户

享受云服务的用户既包括个人，也包括企业等。云用户不需要很大开销就可以得到高性能的计算资源和存储资源，更重要的是这些资源也不需要额外费用来运营和维护。用户只要通过终端设备如手机，平板电脑或者笔记本就可以连到数据中心享受各类服务。企业是云服务的最大收益者，以前企业建立自己的IT系统需要投入大量的人力、物力和财力，而今企业只需要配置软件就可以获得与之前同样的现实效果。

3云存储架构实现的关键技术

云存储系统是一个统一整体，包含多应用、多设备和多服务等众多方面的协同合作。云储存系统的实现既需要由各种结构差异的终端来共同协作，也需要相对成熟的各项技术的通力配合。其中网络带宽等基础设施必须能够提供充足保证，也就是能够屏蔽各种底层硬件基础设施的差异，向用户提供统一的服务。而且，云存储系统作为一个协作的整体，更是集成技术、网格技术以及分布式文件系统的统一整合，由此可使多个设备之间协同工作，并通过将各种闲散的资源集结成群，使服务器具有更加强大的计算能力和存储能力。实现云存储的另一基础就是虚拟化技术，具体来说就是，用户是看不到各种设备之间差异的，并且用户之间的数据也互不影响[10]，用户不必担心计算资源或者存储资源等细节问题，而这些都是由管理员来进行统一管理和调配的。另外需要指出的是，一定的数据加密技术也是保证用户及系统安全的必备利器。

云存储系统的结构模型可分为四层，分别是存储层、基础管理层、应用接口层和访问层，具体如图2所示。

3.1存储层

云存储系统最基础的部分就是存储层。在云存储系统中，各种存储设备比较分散，并且数量众多，这些设备之间均是通过局域网、广域网、Internet或者光纤等连接在一起，再由存储设备管理系统来对这些品种繁多，结构各异，而且分布广泛的设备实现统一管理。针对这些设备，该系统可以实现冗余管理、容错管理和虚拟化的管理，同时也可以对设备的状态进行监控和故障的维护。

3.2基础管理层

存储层系统最核心的部分就是基础管理层。管理层是集群技术、网格技术以及分布式文件系统技术的有机结合体。通过这些技术可以屏蔽底层硬件的差异，使多个不同的图2 云存储层的架构设备实现协同工作，从而对外提供统一的服务，以及具备强大的数据访问能力。

3.3应用接口层

存储层系统最灵活多变的部分就是应用接口层。这一层主要是根据用户的不同需求，向外提供多样化的服务。并且根据应用程序的不同，也需要提供不同的接口。例如：要为视频监控提供合适的接口，为网络硬盘程序提供适合网络硬盘的接口、为视频点播程序提供有关的应用接口等。

3.4访问层

普通的用户可以根据服务提供商允许的授权，输入指定信息登录到服务提供商的云存储系统平台中，并根据费用享受相应等级的云服务。而且，由于服务提供商的不同，所提供的访问策略和访问方式也必将有所不同。4企业对策

随着信息技术的发展，云计算技术也越发成熟。为适应这一形势变化，无论中小企业还是大型企业也都必将发生一场深刻的变革。中小企业为了降低运营成本，企业的传统数据中心则必将会向云数据中心迁移，而大型企业也必将因应时势而建立自己的私有云数据中心。因而在云计算发展的过程中，不同的企业也将随之出台不同的对策[11-12]。

4.1向服务商租用计算资源和存储资源

云计算的提出，对于中小企业来说是一场时代机遇，构建自己的私有云平台，无疑给企业的发展带来了巨大的经济负担。当前中小企业的最佳对策就是向云服务提供商租用计算资源和存储资源，这样中小企业就不需要再支取巨额费用来购买硬件资源，也不需要专门聘请IT管理人员进行设备的维护工作，企业就可以专注于自己核心业务的拓展，从而降低了企业的运营成本，提高了企业在实际市场上的核心竞争力。

4.2构建私有云

虽然现在很多服务商都已提供了大型的云平台，但是对于经济实力雄厚的大型企业来说，鉴于公有云平台的安全性和不确定性，并出于数据的安全和保密的考虑，这些企业所做出的选择通常是构建自己的私有云平台，以增强自身的IT业务处理能力，降低企业的运营成本，并进一步提高企业的综合竞争实力。这样，大型企业既享受到了云计算技术带来的好处，同时也保证了企业核心数据的安全问题，进而又增强了自身的创新能力，由此可使企业在市场竞争中立于持续不败之地。私有云平台结构如图3所示。

5结束语

云计算的提出给企业的发展带来了巨大的变革，得到了越来越多企业的重视和青睐。云计算让更多的资源实现了共享，不仅是计算资源，也包括着存储资源，这就使资源得到了最大化的利用。但是，由于目前的云计算仍未建立一个开放的公共标准，对于云计算服务转移的弹性相应地也就很低。如果一个垄断了用户云计算的公司，出现倒闭或被吞并的情形，那么对用户就将产生非常严重的后果。要使用户能自由地进行信息共享，就必须形成开放的云计算公共标准。此外，虽然云计算的数据对外具有较高的安全性，但用户在使用云计算服务时，用户并不清楚自己的数据的储存位置，以及云计算存储公司是否遵循了当地的隐私协议。因而，如何提供有效机制保证数据的安全性对于云计算的发展和应用则有着重要的理论价值和实际意义。

参考文献：

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[12]陈云勇，陈清金，潘松柏.云计算安全关键技术分析[J].电信科学， 2010（9）：65-68.