面向分布式存储系统的低复杂度再生码研究

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在分布式存储系统中,为抵抗因节点失效而造成的数据丢失,需在系统中引入数据冗余机制。再生码是近年来新出现的一种数据冗余技术,其具有高效的存储效率与最优的节点修复带宽,因此备受关注。再生码中有两类非常重要的码,分别是具有最小节点存储容量的MSR(Minimum Storage Regenerating)码和具有最小修复带宽的MBR(Minimum Bandwidth Regenerating)码。在实际的分布式存储系统中,除了需优化存储效率和修复带宽之外,还有其它开销需要进一步优化。本文主要从更新复杂度与系统节点个数这两个方面研究了高码率MSR码的构造,并且从数据修复的磁盘I/O开销与计算开销上对MBR码进行了研究。首先,研究了编码矩阵为对角阵的(k+2,k)MSR码,该类码具有最优更新性质,并且更加适用于改造现有的基于传统纠删码的分布式存储系统。通过深入研究Cadambe等人提出的(kk+2,k)Hadamard MSR码以及Tang等人给出的新修复方案,本文构造了两类新的编码矩阵为对角矩阵的(k+2,k)MSR码,在给定的节点存储容量下,这两类新码的系统节点个数均达到了 Tamo等人给出的理论上界。其次,研究了(k+r,k)高码率MSR码的系统节点个数与更新复杂度。已知的(k+r,k)高码率MSR码中,具有最多系统节点个数的不具有最优更新性质。通过深入研究Li等人给出的编码矩阵类型Ⅲ,给出了一种新的编码矩阵类型,在相同的条件下,新的编码矩阵类型可以使MSR码具有更小的更新复杂度。然后,基于新的编码矩阵类型与Li等人给出的编码矩阵类型Ⅰ,给出了一类新的(k+r,k)MSR码。在给定的节点存储容量下,新码具有最多的系统节点个数,而且更新复杂度优于其它具有最多系统节点个数的MSR码,并达到近似最优。最后,研究了具有Repair-by-Transfer性质的MBR码,这类码的修复带宽与磁盘I/O开销都等于节点存储容量,并且计算开销为零,很容易被实施到分布式存储系统中。通过结合部分重复码与MDS码可构造出具有Repair-by-Trasnfer性质的MBR码,然而部分重复码采用查表修复方式,使得系统需要维护一张修复表。为了降低修复表的存储开销,本文给出了准循环部分重复码,该类码的关联矩阵由循环矩阵组成,可以大大降低修复表的存储开销。在准循环部分重复码的构造上,建立了其与 QC-LDPC(Quasi-Cyclic Low Density Parity Check)码的联系,利用 QC-LDPC码的成熟研究成果,给出了准循环部分重复码的构造方法及相应的参数要求。
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