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中国传媒大学存储实验室

Storage Technology Labs, Communication University of China

 

科技部存储产业技术创新战略联盟成员单位

国家计算机质量监督检测中心存储测评联合实验室

实验室介绍 →

中国传媒大学存储实验室长期从事信息存储的理论研究和网络存储技术开发,和国家信息中心合建存储技术工程中心,和声讯公司、中科院声学所合建安防大数据北京市重大实验室,系存储产业技术创新战略联盟首批成员单位,海量存储标准工作委员会成员单位。

人才培养 →

实验室现有博士生5人、硕士生10人,是培养存储技术人才的优质基地,已毕业硕士研究生20人,大部分毕业后分配到政府机关、研究院所和知名企业,成为了存储研究和技术领域的精英人才,一小部分到美国、日本等发达国家存储研究机构攻读博士学位。

科学研究 →

实验室的研究方向包括:网络存储技术,云存储技术,存储测评技术,数据容灾技术,媒体存储技术,数据归档存储技术等。实验室完成了“十一五”国家863重大专项“海量存储系统关键技术”课题的研究工作,目前承担科技部支撑计划项目课题研究工作。

地址:北京市朝阳区定福庄东大街1号45#楼5层

电话:010-65783324  

邮箱:zhuligu@cuc.edu.cn

邮编:100024

传真:010-65783241

联系人:朱老师

研究与开发

  • PCS云存储服务平台 →

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    PCS云存储服务平台是一种创新的云集成系统,集在线存储、多机同步、桌面备份、数据归档、数据发布与共享等存储应用为一体,可以帮助用户建设一个功能强大的存储服务平台。

    1. 实验室长期从事信息存储理论研究和技术开发,为科技部存储产业技术创新战略联盟首批会员单位和信息存储专业委员会常务委员单位。
    2. 实验室承担了信息存储领域的863重大专项和科技支持计划等项目课题研究工作。

    2009年,第一代云归档软件CAStor固定内容存储系统获北京市第二批自主研发的新技术产品称号。

    2009年,第一代云备份软件WFS网络存储系统获北京市第二批自主研发的新技术产品称号。

    2010年关键技术《一种快速去重的文件数据复制方法》 获国家发明专利。

    2011年,获工业和信息化部软件与集成电路促进中心(CSIP) “基于安全可控硬件产品云计算解决方案推介会”评选的优秀示范项目。

    云存储平台

    1.   基于虚拟化的存储资源管理技术支持接入不同的存储设备
    2.   基于对象存储提供可性能的扩展性
    3.   基于HTTP协议提供标准的Web存储服务接口,便于应用接入和开发
    4.   基于数据库技术管理元数据支持进行查询
    5.   不同的云存储应用无缝集成,为用户提供丰富的存储服务

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            基于创新技术和丰富存储技术积累成就存储架构上的进步,在存储虚拟化和对象存储架构技术、文件传输和远程复制技术、虚拟盘技术、资源平台技术等方面进行了深入开发,具有强大的技术优势和鲜明的功能特色。

    技术优势
    • 强大的存储管理技术,基于存储虚拟化的使底层存储可以采用不同的存储设备实现数据存储。
    • 基于对象的存储技术来保存用户的文件,系统在各存储节点自动进行数据迁移达到平衡状态,通过增加存储节点,数据存储容量可扩展,性能可线性提升。
    • 对象存储提供标准的REST、SOAP接口,方便应用的开发和接入。
    • 云存储服务基于相同软件架构进行设计,可以无缝集成。采用基于RESTful HTTP的访问方式,并采用数据库技术管理的元数据提供查询功能,基于文件虚拟化技术实现云文件便捷、快速操作。

    功能特色

    • 云存储服务以其全制式、全形态、全系列、全场景的产品,可以满足人们生活、工作、休闲娱乐等各种情景下的存储应用需求。
    • 在功能、业务和信息上,实现紧密的融合,摆脱时间、地点的限制,真正实现随时随地的互联网生活。
    • 让终端软件及云存储服务深度融合,以求达到用户、终端、存储服务三者联动、融合的共生关系。
    • 将终端与云存储紧密结合起来,通过整合硬件、业务和软件的超越终端,实现了化繁为简、无处不在、情景智能和融合体验的目标。

     

    在线存储

            异地办公和出差需携带笔记本和移动存储设备,增加了员工的负担和担心。在线存储服务解决了企业员工移动办公的数据存储问题,员工可以在不同的办公地点、使用不同的机器,如使用公用桌面机或移动设备来存取在云存储系统上的文件,数据任何时间、任何地点都相随身边。pcf13

    云存储用户可以直接通过浏览器基于Web界面对文件进行操作,包括文件的存储(上传、下载)、管理(重命名、复制、移动和删除)、搜索和共享。文件及其元数据分别保存在分布对象存储系统以及分布式数据库中,用户使用的空间为虚拟空间,使用者无需关心底层的具体实现,操作简便,速度快。

    功能特色
    1. 化繁为简,文件存取、操作的WEB页面如Windows界面一样友好,操作简洁,用户一上手就会,免学习、免记忆;
    2. 无处不在,即插即用,用户可以通过企业、家庭、个人三个连接中心,便捷的把各种终端连接起来,而终端作为云的连接点,构建无处不在的云网络,随时随地都能实现轻松而便捷的链接;
    3. 按需分配存储空间,基于虚拟空间使存储分配非常灵活,可以随着数据的不断扩展而扩充用户的存储空间。
    4. 融合体验,可以使用户在一种终端上实现多种应用和体验,同一类业务在不同终端的无缝体验,以及信息便能在多终端上同步体现;
    5. 与Windows交互情景智能,终端能够根据用户属性(身份、使用习惯)、状态属性(时间、位置、环境),智能呈现所需要的信息,让消费者能在正确的时间和准确的地点上,得到最合适、最贴切的回应和感知。

    同步复制

            当用户在公司的电脑修改同步目录下的文件,所有修改会自动地“同步”到云存储中,当下次在家里的电脑上需要使用这些文件时,只需登录所拥有的账户,所有被同步的文件均会自动下载到家里的电脑中。同样,用户在家里的电脑对某文件的修改,也会同步回公司的电脑上。所有这一切均是全自动的,这样文件可以随时随地都能保持着最新版本。

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    技术特色

    通过移动网络、广域网连接的终端,形成了一个都构建在弱连接网络上的分布式系统。网络的不稳定以及用户任意地加入和离开网络,使得节点间会出现任意的网络分隔。为避免网络分隔对节点数据可用性的影响,满足用户对任意副本数据的修改,只能在节点间维护弱一致性,甚至最终一致性。在用户修改数据后,利用复制技术将用户的更新传播到不同节点,从而实现多节点的数据同步。用户最为熟悉的数据组织方式是以文件为单位的目录结构,云存储系统实现了一个以文件为单位的多主机目录同步服务。

    功能特色

    1. 云服务器中的个人数据文件以本地虚拟盘的方式呈现,虚拟盘的工作方式完全类似于一个本地硬盘。
    2. 在虚拟盘中,用户可直接编辑、修改、删除或增加文件,也可对文件进行更名、移动等操作。
    3. 虚拟盘中的数据能自动同步云服务器中。
    4. 通过云服务器,能实现同一账号在多个终端的数据一致性。
    5. 通过分片传输、断点续传技术,支持大文件上传到云服务器。
    6. 在云存储中的同步文件可以基于浏览器直接访问,方便异地办公和出差时随时访问。

    云备份服务

            计算机病毒、硬件被盗或损坏、离职员工的恶意删除、文件损坏等人为误操作或物理安全隐患因素等,时刻威胁着企业的数据安全。备份服务实现无人工干预的实时数据备份,为企业员工全提供全方位的数据安全保证服务,防止硬件丢失、病毒、人为出错、硬件故障造成的数据丢失。
    利用云存储的简单管理,让用户进行备份后无需维护备份设备,这极大的降低了备份数据的维护成本,给用户带来极大便利和快捷。

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    通过基于Windows和手机的备份客户端软件,用户可以快速的部署个人数据备份策略,获得安全、高效、智能的个人数据备份服务。

            通过基于Windows和手机的备份客户端软件,用户可以快速的部署个人数据备份策略,获得安全、高效、智能的个人数据备份服务。

    技术特色

    以云存储平台为支撑,针对个人用户实现了对用户桌面数据的备份。用户在客户端上进行简单的操作便可以将数据备份到云端,以及从云端进行数据的恢复。

    云备份客户端支持对用户文件目录的完全备份,增量备份和差异备份,从而减少备份窗口。在用户恢复时,将按照备份时间点对整个目录进行恢复。云备份端对每个文件作了一定的版本控制,支持用户不同备份时间点的恢复。在备份、恢复过程中,用户可对备份、恢复进度进行详细的监控并控制数据的备份、恢复进展。针对现在用户数据的不断膨胀,大文件的出现,云备份端结合对象存储系统支持对大文件的备份,用户可以备份2G以内的大文件。对于大文件备份采用多线程传输,文件内冗余消除等技术降低备份用时,缩小备份窗口。云备份端可以定时地自动运行数据的备份,同时用户也可以手动进行数据备份和恢复。

    备份客户端运行于客户机上,根据用户所使用的云存储服务,备份客户端将数据备份到不同的云存储平台上。在备份策略上,备份类型分为完全备份,增量备份和差异备份。系统支持两种备份策略的传输,默认采用完全备份+增量备份的方式,从而减少备份时需要传输的数据量。

    云归档

            云归档将文献扫描、影像、数码照片、电子文件等重要资料集中长期保存,并提高利用效率;提供了一个理想的协作环境,采用了一整套完整的通用归档流程,使企业可以通过多种渠道来实现数字资产的存储、管理、分发和再利用。

            可以广泛应用于电子文件、e-mail、图片、音视频资料的归档存储和多媒体资源库的建设,适用于政府机关、高等院校、图书馆、科研院所、博物馆、档案馆、出版社、金融机构、公司企业等单位进行文献、档案、内部资料的归档存储和信息库的建设、管理及网络内容服务。
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    技术特色

    基于磁盘和磁带的归档存储中,需要创建、分配和监控存储来确保一切正常。利用云存储作为归档是一个可行的选择。使用云存储作为归档可以为用户带来很多好处。云存储作为归档的解决方案使用了本地设备将最近归档数据缓存在本地磁盘以便快速恢复、然后将数据迁移到云存储中作为长期保存。云归档解决方案都是按需使用型的,所以这对于规模最小的企业也是一个理想的选择。

    此外,云归档还解决了其他归档形式可能给IT员工带来的操作问题。对于存储数据的长期利用,一方面,云归档针对不同类型数据的特点,开发了在线的应用软件,它独立于客户端环境,不依赖客户端的操作系统和应用环境,另一方面,云归档存储系统通过开放的Web Service服务为其应用提供充分的支持,允许云归档直接与用户的应用进行集成。

    云归档提供的简单而有效的企业级访问和安全的集中式存档系统,企业可实现“认证一次,各处使用”的目标。通过直观的、图形化的门户界面来简化企业对各种数字资源的归档管理。数字资源归档为这些不同种类的资源提供了综合的管理能力,包括存储与访问管理、过程自动化与工作流程管理、版本控制和安全的登陆/登出功能等。同时,基于云存储接口技术,在归档的各个处理页面采用了与服务器端异步通信,分块载入的方式,系统的各项归档操作不会造成冗余数据的传输,而是将最新的修改和更新信息在服务器端与客户端进行传输,极大的提高了网络传输效率,同时也改善了用户体验。

    资源发布  资源共享

            企业中数据大部分保存在员工的主机上无法充分发挥其价值,采用云存储进行数据存储通过资料的发布和共享,从而使数据价值最大化。

    资源发布服务集全体员工之力来建立企业数据资源平台,可以提高企业资源的利用效率和企业的竞争力。

    数据共享服务依据企业结构和协作办公需求搭建共享平台,解决了企业内部的数据共享问题,方便了及时的共享工作文件和协同办公。

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    资源发布

    1. 支持将文件或文件夹发布到资源中心。
    2. 发布的资源可以提供URL,可以通过URL直接定位到数据。
    3. 可以对发布的数据进行标签分类。
    4. 资源中心的数据可以供所有用户访问,并可以根据需要开放给非注册用户访问。
    5. 可统计资源中心的热门数据。

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    好友分享

    1. 管理员可以授权用户创建好友圈子。
    2. 拥有圈子创建权限的用户可以创建多个圈子。
    3. 圈子内的用户可以通过创建者添加,也可以通过用户申请后创建者批准加入。
    4. 圈子内的成员可共享圈子成员提供的数据共享。

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    协作共享

    1. 支持只读分享和协同分享两种方式共享。
    2. 支持对文件或文件夹的共享。
    3. 支持将数据共享给某个用户、用户群组的所有用户和基于项目创建的圈子中的所有用户。
    4. 支持共享留言,方便协同工作。
  • MPX多协议网络存储平台 →

    MPX网络存储平台采用SAS 2.0磁盘接口技术,支持6Gb/s SAS及3Gb/s SATA磁盘,并同时具有网络文件、iSCSI和FC主机接口,可以组建NAS、IP-SAN和FC-SAN存储系统。

    MPX可以提供2~8Gbps的传输带宽和高达48TB的存储容量的单台设备,或者扩展成海量多协议存储平台,提供超过100 Gbps的传输带宽和PB级的存储空间。

    MPX凭借其高可靠性、高性能和大容量的优点,可满足从部门应用程序到数据中心级的关键业务系统的存储需求,例如数据库、WEB服务、高性能计算、视频存储等不同应用环境。

    MPX网络存储平台采用RAID技术、热拔插硬盘、多千兆以太网口,全冗余交换架构及N+1热备电源,智能控制风扇,彻底保护了用户的数据安全。

    MPX采用最先进的iSCSI和FC技术,为用户提供方便扩充的集中存储系统;采用LDAP用户认证技术和NFS、CIFS等网络文件系统技术,为用户提供安全可靠的共享网络存储系统。

    MPX直接在标准的以太网络上运行,完全与现有的以太网络基础设施和已有的网络管理软件兼容,不需要专有的网络设备,提供了一个经济的高性能网络存储解决方案。

    MPX网络存储平台具备功能完善、操作简单、高效率的存储管理功能,基于向导提高用户的体验。

    MPX基于统一的存储架构能够实现存储资源的整合,采用面向应用业务的驱动管理方式,将应用业务与存储管理无缝结合。

    主要优势

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    单台设备后端磁盘可以通过Scale-Up(JBOD)方式扩展和Scale-Out(集群)方式扩展,以满足空间和I/O性能需求。

     

    • 适应数据中心进行灵活扩展

    提供的6GB/s SAS等高性能带宽连接以及多协议(NAS、iSCSI、FC)的支持能够适用于复杂环境下的数据中心,良好的扩展性能够随着数据中心的发展而进行灵活、低成本的扩展。

    • 降低TCO成本

    在智能化的统一存储管理体系结构基础上,可以简化存储管理,提高存储管理效率从而有效降低存储TCO成本。

    • 满足关键型业务要求

    通过智能高效的数据恢复技术可以防止关键业务进行中因为磁盘意外损坏而导致的不可恢复的业务中断。

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    • 全新存储业务整合方式

    MPX能够将NAS、iSCSI以及FC技术整合提供统一的存储服务,可以实现整合存储以改善资源管理并保护数据,并且通过虚拟化技术提高存储资源利用率。
    随着存储系统不断的发展以及存储功能不断的丰富,要掌握这些存储资源的管理需要花很多时间学习新的存储术语,了解新的存储管理流程。MPX系统所采用的方式与传统管理方式不同,它摒弃纷繁复杂、晦涩难懂的存储术语,把这些术语换成大家最熟悉明了的表达方式,并且将存储和应用业务融入存储管理之中,简化用户管理,极大提高存储管理的效率,并且降低存储TCO成本。

    • 简单而且高效

    MPX以简单为设计理念,利用应用业务驱动的资源调配和管理功能,可以很轻松地有效管理存储资源。从初始安装到为服务器创建存储空间,通过完善具有提示信息的简单的几步应用向导就能够完成。从文件共享管理到存储应用业务创建,所有任务都能以简单的向导的形式完成。这样能够节省时间、减少工序,花费不到10分钟就能为服务器存储调配好存储空间。
    MPX可以简化操作并且减少管理开销。管理围绕面向应用业务展开,还可使用灵活的资源调配向导,使用户立即熟悉设备的使用,而通过存储管理工作流程将快照和存储空间管理结合起来,可使操作得到简化,并使数据得到全面保护。

    产品介绍

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    • 高性能

    MPX硬件平台采用64位多核高性能处理芯片,64位双通道内存,64位高达10GB/s的系统总线,64位存储操作系统,可提供高级功能有助于满足未来的发展和变更需求。
    采用最新6 G b / s的 SA S协议磁盘接口,传输速率属业内最高,还能提供简单高效的容量扩展。支持8Gb光纤通道主机接口技术;优化的Cache 算法可大幅提高写操作性能;支持数据预取技术,使I/O 响应速度加快,并使硬盘的使用寿命延长。

    • 高效率

    可在同一机箱内混合使用SAS 和SATA硬盘。
    可将多个存储分区整合成一个存储池,可无需停机进行现动态扩展容量。
    采用高性能RAID重构算法,在提升RAID数据重构的效率的同时减小重构时的系统开销和降低能耗、散热和空间需求,从而节省电源和散热成本。

    • 高可靠

    支持多种 RAID级别(RAID 0、1 、3 、5 、6、10、50),可以根据应用模型调整数据条带的大小;具备自动化故障切换的冗余硬件,减少停机时间,支持局部热备盘、全局热备盘或空闲磁盘热备。
    全模块化硬件架构和连接设计,系统可靠性更高;支持磁盘热插拔、磁盘漫游和全局热备盘,对数据提供全方位的完整性保护;采用冗余的热插拔电源,支持电源自动故障切换和在线故障电源更换;采用良好的冷却系统架构,具有更高的散热效率。

    • 可扩展

    采用完全开放式架构,从多个层面和维度(容量,缓存,I/O处理能力和互连带宽等)实现Scale-Up/Out,满足各个层面应用业务对存储空间、性能和可靠性等各方面的需求。单台设备后端磁盘可以通过Scale-Up(JBOD)方式扩展至数百块磁盘;也支持Scale-Out(集群)方式扩展至数千块磁盘,达到PB级别的存储空间。

    技术规格

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    我们的客户

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  • 低能耗存储设备研制及产业化(国家科技支撑计划项目) →

    课题的总体目标为:通过对数据存储和管理技术的研究,降低存储系统的能耗成本和运营成本。相关的技术包括SSD与传统存储混合使用,动态电源管理技术,智能数据管理技术等,通过在本课题研制的产品中应用这些技术,达到比传统存储系统节能30%的效果。

    实验室负责的研究任务是存储利用率的评价与静态分析。研究内容包括:建立系统的存储利用率监测与分析指标体系;基于存储利用率监测技术,建立智能的存储资源自动分配机制,提出综合考虑存储利用率、系统整体性能、可用性和能耗因素的优化管理算法。

  • 一种企业级私有云中的虚拟化实现 →

    曾赛峰,朱立谷,李强,张福

    ZENG Sai-Feng,ZHU Li-Gu,LI Qiang,ZHANG Fu

    中国传媒大学 存储实验室, 北京市 100024

    Laboratory of Networked Storage, Communication University of China, Beijing 100024, China

    E-mail: saifengzeng@126.com,Phn: +86-158-1042-1317

     

    Implementation of virtualization on a private enterprise cloud storage system

    Abstract:Coming with the cloud storage, the virtualized technology has been widely applied in cloud storage system, at the same time, the new data center deployment and management appears. In this paper we describe WFS, a enterprise private cloud storage system. The virtualization technologies such as unified storage management, virtual path, separation of data and metadata, interface of cloud storage, multi-path access and so on, are employed in the private cloud storage system which is divided in four layers. With deeply analyzing of the system, the features and deployed mode of the virtualization be explored, and we show that the virtualization plays a more and more important role in increase resource utilization rate, enhance system security and ease use.

    Key words:cloud storage; private cloud; virtualization

    摘  要:在云存储的概念被提出之后,虚拟化技术在云存储系统中得到了广泛的应用,出现了全新的数据中心部署和管理方式。本文实现了一个企业级私有云存储系统WFS,在WFS云存储系统的四层架构中,分别采用了统一存储管理、虚拟路径、数据与元数据分离、云存储接口、多路径访问等虚拟化技术。通过对该系统进行分析,将说明虚拟化技术在云存储系统中的应用方式、特点以及在提高资源利用率、增强系统安全性、易用性等方面的重要作用。

    关键词:云存储;私有云;虚拟化

    文献标识码: A    中图分类号:  TP302

    1引言

             云存储是指通过集群应用、网格技术或分布式文件系统等功能,将网络中大量各种不同类型的存储设备通过应用软件集合起来协同工作,共同对外提供数据存储和业务访问功能的系统[1]。云存储系统的分类标准有多种,根据部署方式和服务对象的不同可以分为公有云、私有云和混合云三类[2]

    在云存储系统中涉及到大量的物理设备、通信协议甚至不同的操作系统,如果不采用虚拟化技术,面对复杂的物理设备和应用环境系统管理将会变得异常艰难,并且系统的资源利用率、安全性也会大幅降低。SNIA(Storage Networking Industry Association)的研究数据表明未采用虚拟化的磁盘其空间利用率只能达到30%-50%[3],因此统一资源管理、高度虚拟化是云存储系统的显著特征。

    虚拟化是从逻辑角度而不是物理角度来对资源进行配置,它为一组类似的资源提供通用的抽象接口集,从而隐藏属性和操作之间的差异。通过虚拟化可以使用与资源抽象前的方法访问抽象后的资源,从而不受实现、位置或底层资源物理配置的限制。虚拟化具有降低运营成本、提高应用兼容性、加速应用部署、提高服务可用性、提升资源利用率、动态调度资源、降低能源消耗等技术优势。

    目前,市场上有众多的企业在提供云服务。提供公有云服务的有“Google App Engine”、“Amazon EC2”、“IBM Developer Cloud”以及国内的“无锡云计算中心”,提供私有云服务的有“中化云计算”,荷兰的“iTricity云计算中心”则提供混合云服务。根据IBM对云服务使用方式的客户感兴趣程度调查发现,对私有云感兴趣的客户占64%,公有云则为30%。国内的企业和事业单位更倾向于在企业内部管理企业的数据,为此本文设计实现了一个企业级私有云存储系统 WFS (Web File System)。

    虚拟化技术在WFS云存储系统中得到了充分的使用。WFS云存储系统模型主要由存储层、基础管理层、应用接口层、访问层四层组成。在存储层系统能兼容不同类型的物理存储设备,从而可以利用企业现有的服务器进行快速部署,有效降低了企业的成本;在基础管理层采用虚拟路径保存数据,提高了系统的安全性,并在一定程度上消除了数据冗余;在应用接口层系统提供不同的访问协议接口,用户可以通过不同方式连接云存储系统;在访问层通过有效利用元数据信息、共享、搜索等功能实现了数据的多路径访问,从而提高了企业内部数据的利用率。

     

    2系统层次结构

    WFS云存储系统是一款集资源收集、管理、服务的文件存储产品。对外提供基于Web的访问方式,提供文件在线存储、备份、共享、搜索、多版本控制等功能。内部采用多种虚拟化技术,底层提供FC、FCOE、iSCSI、NFS、CIFS和自定义的API访问接口。WFS云存储系统的层次结构如图1所示。

    1、存储层。存储层是WFS云存储系统最基础的部分,通过底层的统一存储管理平台,WFS云存储系统能快速部署在不同类型的存储设备之上,典型的存储设备为廉价PC机,它们通过高速网络进行互联。存储设备还可以采用磁盘阵列、存储区域网络(Storage Area Network, SAN)、网络附属存储(Network Attached Storage, NAS)。统一存储管理平台使WFS系统能够兼容异构的存储设备。

    2、基础管理层。基础管理层是WFS云存储系统最核心的部分,也是其最难以实现的部分。基础管理层通过集群、分布式文件系统和逻辑卷管理等技术,实现了多个存储设备之间的协同工作,使多个存储设备可以对外提供同一种服务,并提供更强更好的数据访问性能。

    3、应用接口层。在应用接口层WFS云存储系统提供了不同的服务接口,根据不同的接

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    图1  WFS云存储系统层次结构

    口提供不同的应用服务,如通过Http访问接口,用户能使用浏览器直接存储文件,并对文件进行共享,搜索等操作。通过自定义的API接口开发的客户端能实现个人数据自动备份,以及个人的多机数据自动同步,应用接口层是WFS云存储中较为灵活的部分。

    4、 访问层。任何一个授权用户都可以登录访问云存储系统,享受云存储服务。WFS云存储系统根据用户授权的不同,提供不同的服务等级和内容。

    在WFS云存储系统的四层架构中采用了不同的虚拟化技术,如图2所示。

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    图2  WFS系统中的虚拟化技术

    作为企业级私有云存储系统,WFS对系统的存储容量、数据访问性能、存储扩展能力以及安全性有很高的要求。WFS云存储系统在存储层采用了独立冗余磁盘管理(Redundant Array of Independent Dist, RAID)技术,RAID是存储虚拟化技术的雏形,它通过将多块物理磁盘以阵列的方式组合起来,为上层提供统一的存储空间,以及数据备份和容灾服务。用户可以通过创建、删除、扩展等操作来设置存储空间的大小。并且可以通过配置磁盘阵列获取RAID0、RAID1、RAID5三种级别的RAID,不同的RAID级别提供不同的访问性能和安全级别,用户根据自己的具体需求进行选择。

    在RAID的上层,WFS云存储系统的统一存储管理平台采用了LVM技术,LVM是在磁盘驱动器和文件系统之间添加的一个逻辑层,用来为文件系统屏蔽下层磁盘驱动器,提供抽象的逻辑卷,在逻辑卷上建立文件系统。WFS云存储系统在一个或多个RAID上创建卷组,然后在卷组上创建逻辑卷,用户可以根据具体需要对逻辑卷进行命名,例如光纤卷、iSCSI卷等。对于不同的逻辑卷采用不同的协议进行访问,并且对于各逻辑卷,WFS提供创建、删除和扩容等操作。

    用户能通过多种接口将文件上传到WFS云存储系统中,系统将自动获取文件的元数据信息,数据的存储采用数据与元数据分离的技术,所有元数据信息保存在一个分布式的数据库中供访问层使用,WFS云存储系统将根据内容计算文件的Hash值,对于文件的访问均基于该Hash值进行。通过Hash值的利用WFS云存储系统有效地实现了重复数据的删除,并提高了系统的安全性。访问层通过操作储在分布式数据库中的数据,实现文件的多路径访问、共享、搜索等功能。

    3实现与关键技术

    3.1系统设计

    WFS云存储系统基于Web进行访问,通过在Web界面的服务配置,管理员可以定制系统需要的模块,如网络管理、存储管理、以及系统的应用功能。普通云用户则可以直接通过Web浏览器对文件进行操作,主要包括文件的存储、搜索、共享。文件及其元数据分别保存在分布式文件系统以及分布式数据库中。用户使用的空间为虚拟空间,可以通过参数直接设定其大小,使用者无需关心底层的具体实现。开发人员则可以使用WFS云存储系统提供的接口进行二次开发。WFS云存储系统的系统架构如图3所示。

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    图3 WFS云存储系统设计

    3.2虚拟路径

    SNIA 在CDMI( Cloud Data Management Interface)[4]中定义了云存储的资源域模型,云存储中所有的资源通过URI进行描述,资源采用数据和元数据分离存储,元数据包括了对资源的访问控制,第三方可增加自定义元数据。

    WFS云存储系统提供用户备份文件和目录的功能,文件上传时系统自动提取文件的文件名、类型、大小、创建日期等元数据。并且采用MD5算法,根据文件内容计算文件的Hash值,然后用该Hash值重命名上传的文件,所有文件按日期归类存放在存储系统内,所有元数据则存储在分布式的数据库中。由于WFS提供目录备份的功能,因此文件夹同样会被计算Hash值,该Hash值作为文件的父目录元数据保存在数据库中。文件和文件父目录的Hash值以及文件的操作权限经过组合后,作为该文件的URI对外提供。

    用户通过Web访问WFS云存储系统对文件进行复制,剪切,删除等操作时,并非对实际文件进行操作,只需要更新数据库记录,从而提高了系统的效率。由于Hash值是根据文件内容进行计算,因此用户上传相同文件时,只需要保存一个父本和对上传次数的计数,从而消除数据冗余。

    3.3 云存储接口

    在云存储服务之上是系统需要直接处理的云存储接口,WFS云存储系统设计了一个云存储接口层。提供基于Http、Https等标准协议的访问,同时提供自定义的API访问接口,文件的访问传输可以根据需要采用不同的接口。自定义的API接口严格遵循SNIA中定义的CDMI接口标准,由于WFS系统主要针对的是存储备份应用,因此仅适用了基础的云存储接口,主要包括创建数据对象、更新数据对象、获取数据对象、删除数据对象等。例如,请求文件列表的数据结构如下所示:

    <?xml version=”1.0″ encoding=”UTF-8″?>

    < clientmsg > clientmsgvalue</clientmsg >

    < action > getfilelist< /action >

    < wpid > 0bbeba4afd179c0a12043f9aa68eab93</wpid >

    <vernum>1</vernum>

    <startRecordNum>1 <startRecordNum>

    通过该请求获得的文件列表的数据结构如下:

    <?xml version=”1.0″ encoding=”UTF-8″?>

    < Errormsg ></Errormsg >

    <data>

    < CreateTime >20100823112105</CreateTime>

    < FileName >海阔天空.mp3</FileName >

    < FileType >mp3</ FileType >

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    根据自定义的API接口我们开发了一个云备份客户端,该客户端实现了用户数据本地数据的实时备份,以及多机之间的数据同步。并且能够对本地文件系统中的整个目录进行备份,同时支持大文件的断点续传,在大文件传输方面采用了分片和多线程的传输,有效提高了数据的传输率。

    3.4多路径访问

    如何提高数据的利用率是一个存储系统需要解决的重要问题,WFS云存储系统采用了Web2.0技术,提供了跨平台的数据共享和服务,支持移动设备访问,支持多种浏览器。在Web端,系统根据文件的类型显示相应的图标,由于数据的显示以及对数据的操作均是通过对数据库记录的操作来完成,因此可以不考虑数据冗余,利用元数据等描述信息为数据的访问提供多个入口,如图4所示。

    4

    图4 数据访问路径示意图

    其访问入口包括类型、大小、日期、创建者等,通过不同路径访问的某一文件,在数据存储池中只存在一个实例。例如按类型可以设定有视频、音频、文档、图片,如果需要查找某一首歌曲,可以通过进入音频目录快速定位目标。元数据作为描述文件的重要信息,可以用来作为搜索的信息源。WFS云存储系统采用元数据作为关键字提供模糊搜索和精确搜索功能,进一步加强了系统的数据定位能力。

     

    实验结果

        基于WFS云存储平台的接口,我们实现了一个备份客户端的原型,利用实验室的私有云平台进行了性能实验,实验环境如下:

    1) 硬件组成

    服务器端:基于PC的服务器;双64b Inter Xeon 2.0GHz,4048KB Cache CPU;8GB内存,挂载RAID5存储2TB,1000Mbps网卡;

    客户端:Intel Core2 2.53GHz CPU,2GB内存,SATA 7200转硬盘,1000Mbps网卡;网络:1000Mbps交换机构建的LAN。

    2) 软件环境

    服务器端:Red Hat AS5(内核2.6.30),Web服务器APACHE(2.2.16);

    客户端:Windows XP(SP2)

     5

    图5 FTP与备份客户端的写速度对比

    我们选用40M到320M不等的数据,分别采用单线程,双线程,四线程进行上传,并与FTP进行对比。从图5的对比分析可以看出,虽然采用单线程传输备份客户端只有FTP传输速度的一半,但在采用四个线程对大文件进行传输时其速度是FTP的两倍。从图中还反映出,对于小文件,仅对单个文件采用多线程机制并不能发挥出其优越性,如图40M大小的文件四线程传输并不能加快传输。针对小文件,我们可以利用多个线程分别对不同的小文件进行传输。

     

    结论

    本文分析了一个企业级私有云存储系统,通过阐述虚拟化技术在该云存储系统的四层架构中的实现方式,说明了虚拟化技术实现的多样性和重要性。基础设施层的虚拟化技术提高了系统的容灾备份能力,虚拟路径的使用则在很大程度上消除了数据冗余,云存储接口为系统提供了多种访问方式,增强了系统的兼容性,元数据的充分利用则有效地提高了存储系统中数据的利用率。

     

    参考文献:

    [1]      ZHAN Ying, SUN Yong, Cloud Storage Management Technology;2009 Second International Conference on Information and Computing Science, Page 309

    [2]      Storage Networking Industry Association. Cloud Storage For Cloud Computing. http://www.snia.org/

    [3]     Storage Networking Industry Association. Storage Vatualization.  http://www.snia.org/

    [4]      Storage Networking Industry Association. Cloud Data Management  Interface(CDMI). http://www.snia.org/

     

     

     

     

     

     

     

    作者联系信息:

    曾赛峰

    北京市朝阳区定福庄东大街1号45号楼5层501室(100024)

    saifengzeng@126.com

  • 基于云存储实现多机文件同步 →

    邵宪津,朱立谷,李强

    Xianjin Shao,     Ligu Zhu,  Qiang Li

    1.中国传媒大学 存储实验室 北京市 100024

    1. Laboratory of Networked Storage, Communication University of China, Beijing 100024, China

     

    File Synchronization of Multiple Computers base on Cloud Storage

    Abstract: With the widespread of computers and the social development, both the personal remote and electronic office are becoming more and more popular, which results in the issue that how to synchronize of large amounts of data on multiple computers. In this paper, the mechanism of metadata is used to synchronize directories of files and control file version, and the segmentation to speed the transmissioin of a large file according to the property that the cloud storage can store additionally. Then, the platform of cloud storage is responsible for relaying and caching the new version of files to achieve the synchronization among multiple computers.

     

    Keyword: cloud storage; file synchronizer; metadata

     

    摘要:随着计算机的大众化以及社会的发展,个人异地办公和电子化办公越来越普遍。随之而来的问题是如何实现大量的数据在多台计算机之间进行同步。使用元数据机制实现文件目录同步和文件版本控制。根据云存储可以对文件追加存储的特性,采用文件分片机制提高大文件传输效率。通过云存储平台进行中转缓存,实现多台计算机之间数据的同步。

    关键词:云存储;文件同步;元数据

    文献标识码: A    中图分类号:  TP311

     

    引言

    正是因为网络的发展和个人计算机的普及以及存储产品性价比的提高,使得文件同步的实现成为了可能。推动了文件同步技术的发展。首先,云理念的提出以及云存储的应用,为个人用户将大量的个人文件存储到远程云端提供了存储空间。云存储不仅仅以存储服务的形式提供了大容量的存储空间,而且提供了有效的数据管理机制,进一步保证了数据的有效性和安全性。其次,网络技术的发展,尤其是Internet的发展,使得网络负载能力和容错能力得到大大的提高。网络的发展为大量文件安全、可靠、快速的传输提供了路径。

    人们进行异地办公和电子化办公越来越普遍。这样就出现了一个问题,如何把最新版本的数据更新到异地办公的另外一台计算机上?即我们在本地修改完成文件,异地计算机如何获得最新的文件。文件同步可以很好的解决了这么一个问题。它实现了多台计算机之间文件的更新,从而方便了人们的异地办公等。

    本文在以下部分将对多机文件同步的定义和一些相关研究进行阐述。对多机文件同步客户端的设计与实现进行描述。

    相关研究

    近年来,国内和国际上的研究机构对存储服务和如何提高文件远程传输效率进行了大量的研究,主要研究成果包括大文件同步、云存储和备份等。

    2.1 大文件同步

    现在研究机构对大文件同步的研究取得了一定的成果,比如在低带宽环境下如何以最小的代价实现大文件的同步,详细技术见参考文献[4]。该文献详细讨论了大文件同步的细节,但是其前提环境是仅仅对一个文件的两个版本在不同计算机之间的同步。在大文件同步中往往忽略了对文件目录的控制。

    2.2 云存储

    云存储作为一种新的理念被提出后,受到各大厂商和研究机构的热捧。云存储通过网络为个人或者企业提供存储服务和存储软件功能。云存储有两大基本特征:第一:云是由一些廉价的服务集群构成。第二:通过服务集群、分布式存储和数据冗余,一个文件在云存储中拥有多个副本以达到云存储的高可用性和高扩展性[8],例如Amazon的S3。

    2.3 文件备份

    根据距离进行分类,文件备份可以分为较短距离的备份和远程备份。其中远程备份时,客户端通过Internet网络与服务器端连接,向服务器端备份同步数据或者从服务器端恢复数据。一个好的远程备份系统,即使在低宽带、低网速的环境下,也能够提供高效、快速、可靠的数据传输链路。[10]

    现在文件备份的研究成果表明,文件备份可以很好的完成本地文件与远程备份之间的同步。但是文件备份最终是实现文件的恢复,无法进行多机之间的文件同步。此外,文件同步不需要云存储端进行复杂的版本控制。

    系统设计

    3.1 多机文件同步

    多机文件同步指的是同一个文件的不同版本存在于两个或者多个计算机上。将不同计算机上不同版本的该文件通过计算机网络更新为最新版本的文件的过程。即,假设现在有计算机A、B、C,在三台计算机中有同一个文件F。起初F在三台电脑上的版本是相同的。某一时刻A上的文件被修改,B、C上的文件F变为old版本的文件而A上的文件F变为new版本的文件。多机文件同步就是通过网络实现将B、c上old版本的F更新为new版本的过程。

    多级文件同步与传统的人们通过拷贝实现的文件同步相比较,有以下优点:

    1)    文件同步使得同一文件在多台计算机中保持数据一致性更加方便。通过网络实现了多台计算机的同一文件的同步,与传统的使用移动存储设备相比较更加方便。

    2)    文件同步克服了人工同步过程中可能出现的遗漏某台计算机的现象。使得文件同步的出错率大大降低,提高了数据的一致性。

    3.2 系统设计

    云存储以存储即服务的理念,对外提供高可靠、高扩展和高效率的存储服务。多级同步以云存储为中转平台,采用间接同步方式代替直接多机同步方式。因为在某一台计算机中的文件版本发生更新时,需要同步的计算机不一定处于开机状态。云存储与传统存储设备相比较有着其无法替代的优势:

    1)       提供多种类型的网络在线存储服务。

    2)       在数据安全、可靠和效率等方面比较高效,而且云存储规模大、服务范围广。

    3)       有其自身的高效的管理系统,减少了用户的数据管理开销。

    4)       能够满足365*24不间断的提供在线存储服务。

    如下图:

     基于云存储实现多机文件同步1

    图1 系统架构

    三台处于不同地域的计算机A、B、C进行文件同步。它们将各自所拥有的加入到文件同步中的文件的最新版本同步到云端,然后处于不同地域的计算机与云端进行通讯获取最新版本的文件来替换本地的旧版本的文件。多机文件同步的目的是将最新版本的文件同步到其他异地计算机。所以,在整个多机文件同步中,云存储端只需要保留最新版本的文件和文件相关信息,不需要维护该文件的多个版本。

    上述三台计算机A、B、C处于同步状态,它们在任何时候任何地点均可以进行文件同步。根据三台计算机拥有者的不同可以分为不同的同步情形:第一、三台计算机属于一个人拥有,那么此时是属于一人多机的情况下进行同步。第二、三台计算机在理论上属于协同工作的一个小组,但是它们处于不同的地域,此时属于多机同步之间的协同工作。第三、参与同步的计算机是上述两种情形的混合。

    客户端运行客户机上,云存储数据可以分为元数据和数据。元数据在文件同步中发挥着至关重要的作用。一方面,进行各同步文件目录的控制,另一方面,进行文件版本的控制。客户端与云端采用HTTP或者HTTPS传输协议。

    系统结构与关键技术实现

    4.1 系统整体结构

    基于云存储实现多机文件同步2

    图2 系统结构图

    系统结构如图2所示,可分为4个层次,存储层、接口层、核心层、用户层。存储层可以是私有的云存储也可以是公有的云存储。接口层是云存储对外提供的API。核心层是整个客户端软件的核心逻辑。用户层提供用户权限控制。

    其中核心层各组成部分如下:

    1)  本地存储。客户端的本地磁盘等存储设备。

    2)  元数据。从本地提取需要同步的文件的元数据,包含路径、名称、创建日期、最新修改日期、版本号、上一层路径、相对路径等。通过元数据与同步策略相结合实现文件的同步。

    3)  传输管理。控制文件的上传和下载。本地文件版本以及云端文件版本和文件更新时间决定文件的上传和下载。传输管理模块主要实现了同步复制和异步复制两种机制。同步复制是指当文件发生更新时,自动进行文件同步。异步复制又称为定时复制,是指客户端设定本地同步时间,在到达同步时间时自动进行文件同步。

    4)  同步策略即文件上传和下载的策略。如果本地存在文件并且是最新版本的那么需要根据上传策略进行同步到云端,如果云端版本高于现有版本那么需要将云端文件同步即下载到本地。根据文件更新的多少,采用完全传输和部分传输。

    5)  数据传输。根据同步策略在该模块中形成文件上传和文件下载的队列。该模块完成数据上传和下载的操作并对上传和下载进行控制。根据更新文件大小的不同,客户端自动采用分片传输和不分片两种传输方式。

    6)  用户模块。用户模块对用户进行身份验证和权限控制。

    4.2 关键技术

    4.2.1目录结构控制

    当对文件夹进行同步时,数据进行同步之前,需要完成对文件目录的同步,即此次同步的顶层文件夹下所有文件夹进行同步。由于文件夹没有具体的数据,所以文件夹的同步是通过更新元数据完成的。在进行数据同步之前,首先扫描本地文件夹更新本地元数据记录。这里的更新是成为伪更新,即只是标记元数据修改、删除和新增状态,将已同步修改为未同步。其次,与云端进行通信完成元数据的同步,根据云端元数据与本地元数据的比较,最终决定元数据的状态。

    在元数据中如何实现文件夹层次结构和文件夹的父子关系的表示?在元数据中保存文件夹的相对目录和文件夹的父文件夹的相对目录以及文件夹所在的相对层数。这里的相对均指相对于要同步的最顶层的那一个文件夹。而在顶层的文件夹中保存的是该文件夹的绝对路径。并且对于每个拥有绝对路径的文件夹有一个统一的ID号,这个ID号是有云存储产生的。通过将元数据同步到云端,在云端同样会建立一个文件夹的树形结构。文件数据传输完毕时,更新元数据的修改时间和元数据的状态。

    4.2.2文件版本控制

    同步的目的是实现文件的同步更新。每个客户端上只是保存着同步文件的一个版本,并且是该客户端已知的最新版本。云存储作为同步的平台,其上保存的文件版本是真实的最新。最糟糕的情况下,每台计算机拥有不同的版本。因此,整个系统中文件的版本数量是一定的,即不会大于参与同步的计算机的数目。

    版本控制,采用版本号与文件修改时间相互配合的方式实现。同步数据传输之前,首先将本地版本号与云端的版本号进行比较,将云端版本的文件修改时间与本地版本的修改时间比较。只有当二者完全吻合的或者版本号吻合情况下,才说明不需要进行同步。否则进行文件同步。进行文件同步时,将本地文件版本号修改为云端的版本号。

    4.2.3大文件传输

    大文件同步的主要问题是如何加快大文件的传输,并且维护文件传输过程的一致性。云存储通常提供文件的追加写入,不提供文件的随机写接口,对大文件进行分片后也只能逐片追加,不能利用多线程机制加快文件传输。客户端采用这一个简单的机制,来利用多线程加快文件传输。系统在分片的基础上,将文件进行分段,除最后一段外,每段含有相同数目的文件片。系统在云端为每一段文件创建一个独立的文件,同时系统创建一个特殊的文件,按分段顺序记录这些段的cid。这样针对每一段再利用独立的线程进行传输,来加快文件的上传。不过该方法也有一定的局限,在出口带宽受限的网络环境中,对速度并没有大的提升。

    对于文件传输的一致性,需要考虑在文件传输过程中,文件以排他写的方式打开进行传输。系统计算文件HASH并与原有HASH进行比对,如果HASH变化,系统这里没有做算法的优化,只是简单地清除掉云端已传的文件片,然后重新进行传输。

    系统测试与效果

    我们实现了一个同步客户端的原型,利用实验室的私有云平台进行了性能实验。实验环境如下:

    1)  硬件组成

    服务器端:基于PC的服务器;双64b Inter Xeon 2.0GHz,4048KB Cache CPU;8GB内存,挂载RAID5存储2TB,1000Mbps网卡;客户端:Intel Core2 2.53GHz CPU,2GB内存,SATA 7200转硬盘,1000Mbps网卡;网络:1000Mbps交换机构建的LAN。

    2)  软件环境

    服务器端:RedHat AS5(内核2.6.30),Web服务器APACHE(2.2.16);客户端:Windows XP(SP2)。

    3)  测试方法

    选用不同大小的连续数据文件进行测试,文件上传和下载包括元数据提取,文件分片等操作。先进行的是分片测试,通过选用不同的分片大小测试出该环境下最佳的文件分片。

    基于云存储实现多机文件同步3

    图3 文件分片测试

    在第一个试验中,我们选用50M,100M的数据文件分别用不同的片大小进行上传。从128KB到8MB,结果表明在分片大小为4M时具有最大写速度,速度大小为7MBps。

    基于云存储实现多机文件同步4

    图4 文件同步测试

    在第二个试验中,我们选用4KB到200MB的数据文件分别进行同步上传和同步下载。根据实验结果反应,我们在系统中根据文件数据大小采用不同的传输策略是有效的。文件传输速率在7MBps左右。

    总结

    通过对云存储和文件备份进行分析,提出以云存储为平台的多机文件同步。详细介绍了多机文件同步客户端软件的设计与实现。本文中采用元数据机制,实现文件目录同步和文件版本控制等。采用分片技术,加快大文件的同步。充分利用了云存储可以接受第三方元数据的特点以及提供的API接口,实现了多机文件同步的设计。

     

    致谢  在本课题的研究阶段非常感谢朱老师给予的指导,感谢李强等同学给予的帮助。

    参考文献:

    [1]     SNIA. Cloud Data Management Interface(CDMI). http://cdmi.sniacloud.com.

    [2]     AMAZON-S3. Amazon Simple Storage Service (Amazon S3). http://www.amazon.com/s3.

    [3]     S. Balasubramaniam, Benjamin C. Pierce, What is a File Synchronizer?; International Conference on Mobile Computing and Networking, Page 98

    [4]     Torsten Suel, Patrick Noel, Dimitre Threndafilov, Improved File Synchronization Techniques for Maintaining Large Replicated Collections over Slow Networks; Data Engineering, 2004. Proceedings. 20th International Conference on, Page 153

    [5]     Utku Irmak, Svilen Mihaylov, Torsten Suel, Improved Single-Round Protocols for Remote File Synchronization; INFOCOM 2005. 24th Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies. Proceedings IEEE, Page 1665

    [6]     Hao Yan, Utku Irmak, Torsten Suel, Algorithms for Low-Latency Remote File Synchronization; The 27th Conference on Computer Communications. IEEE , IEEE INFOCOM 2008, Page 655

    [7]     ZHAN Ying, SUN Yong, Cloud Storage Management Technology;2009 Second International Conference on Information and Computing Science, Page 309

    [8]     Jiabin Deng, JuanLi Hu, Anthony Chak Ming LIU, Juebo Wu, Research and Application of Cloud Storage; Intelligent Systems and Applications (ISA), 2010 2nd International Workshop on

    [9]     张会健, 网络存储中的快照技术;科技浪潮,2009年3月,总第73期,第27页

    [10]     何宇平, 李涛, 胡晓琴, 彭勇, 马晓旭, 应用于远程文件备份系统的关键技术;计算机应用研究,2009年1月,第26卷,第361页

    [11]     周可, 云存储技术及应用;中兴通讯技术,2010年8月,第16卷,第24页

     

     

    作者联系信息:

     

    1.邵宪津; 2.北京市朝阳区中国传媒大学45号501实验室(100024); 3.sxjin_8809@139.com。

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