中继卫星系统地面云存储架构设计

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引用格式：陈昊，翟政安，高升华，等.中继卫星系统地面云存储架构设计

中继卫星系统地面云存储架构设计#

陈昊，翟政安，高升华，张冰

(

北京空间信息中继传输技术研究中心•北京

• 100094)

摘要：针对中继卫星系统日益增长的海量数据存储需求，探索将云技术应用于中继卫星地面存储系统中，研究 并设计了适用于中继卫星系统的分布式云存储的体系架构。该架构通过分布式存储和存储虚拟化技术，对存储资 源进行了整合，将分布在不同地理位置上的存储网络，集合成一个大规模广域云存储系统，可提供整体存储和访 问的功能，并实现对数据的高效存、取、

“”“”“管”。与传统NAS (Network Attached Storage,网络附加存储）

NAS)

文章编号：

架构分析比较，该架构从系统扩展性、可靠性和服务性等多个方面均更加具有优势，能够适应日益增长的中继卫 星系统海量数据存储需求，解决中继卫星系统中大容量数据存储的瓶颈。关键词：中继卫星；架构设计；云存储；分布式存储；网络附加存储（

V556.8; TP391 文献标志码：A DOI： 10. 72/j. issn. 1674-5620. 2016-05-0392-08

中图分类号：

1674-5620(2016)05-0392-08

Design of Ground Cloud Storage Structure for the

Tracking and Relay Satellite System

CHEN Hao, ZHAI Zheng'an, GAO Shenghua, ZHANG Bin

(Beijing Relay Information Technology Transmission Research Center, Beijing 100094)

Abstract： For mass storage data storage of the Tracking and Data Relay Satellite (TDRS) system, cloud storage

technology is applied to the ground storage. We studied design of the integrated > distributed cloud storage architec­ture and implementation method to solve large capacity data storage of TDRS system, which can adapt to the grow­ing need for mass storage. The distributed storage and storage virtualization technology is applied to integrate storage resources using distributed storage network in different geographical locations? that can set a large scale wide area cloud storage system and provide the overall storage and access functions to save and control data efficient­ly. Finally, the design of the cloud storage architecture is better than the traditional Network Attached Storage (NAS) architecture in terms of system scalability, reliability, service and other aspects.Keywords； Tracking and Data Relay Satellite (TDRS); structure design； Cloud storage; distributed storage; Net­work Attached Storage (NAS)

〇引 言

应日益增长的海量数据存储需求对中继卫星系统 来说越来越迫切。

云存储通过集群应用、网格技术、分布式文 件系统，或类似网格计算等功能联合起来协同工

作，并通过应用软件，为用户提供一定类型的存

随着中继卫星用户的不断拓展，中继卫星单 天需要存储和处理的业务数据量越来越大。然而 目前中继卫星系统的地面存储能力有限，如何适 *

*

收稿日期：

2016-06-23;修回日期：2016-09-07;网络出版时间：2016-10-31 15:19:50 网络出版地址：http://www. cnki.net/kcms/detail/11.4230.TV. 20161031.1519.002«html 基金项目：国家自然科学基金（No. 91438206)第一作者简介：陈昊（1982—)，男，博士，工程师，主要研究方向为航天测控；E-mail: ritian99@21cn. com

第5期陈昊，等.中继卫星系统地面云存储架构设计393

储服务和访问服务[1_2]。云存储具有高资源利用 率、高可用性、高可靠性和高扩展性的特征[3«。 在中继卫星系统中应用云存储技术，构建一体化 存储网络，可以实现数据的分布式网络存储及处 理，可有效提高存储资源的利用率，是未来中继 卫星系统发展的重要思路之一。

本文面向一体化存储网络对于数据分布和获 取的需求，开展分布式网络架构设计与研究。充 分利用现有中继卫星地面系统的存储与计算能力， 设计分层次分模块的云存储架构和分布式文件系 统。通过分布式节点访问控制机制，实现数据的 合理分布与存储。

1国内外研究现状

目前对于云存储的研究，主要集中在云存储的

体系结构和存储模型等方面，涉及的关键技术包括 存储虚拟化[5]、存储加密[6]、重复数据删除[7]、内 容分发和数据备份技术等[]。1111〇等[1°]描述了一 个四层的云存储架构，利用一个高效可扩展的节点 组织模型来应对海量数据的应用。11虹11115等[11]提出 了一种交叉用户副本结构。D.K〇SSmami等™提出 了一种可以根据变化的负载环境自动对自身进行调 节的体系结构。国内的科学家们也对云存储技术开 展了广泛的研究。安宝宇[13]提出一种适用于归档云 存储的轻量级的数据可取回性证明算法。沈晴霓 等[14]以 Role Based Access Control 策略为基础，结 合组织标签和多种安全属性的逻辑组合，提出了一 种灵活的访问控制策略。

云存储技术主要包括云存储架构特点[15]、云 存储模式、分布式计算以及云存储服务模式等方 面™。目前，主流的云架构主要包括HDFS (Hadoop Distributed File System，分布式文件系 统）、MooseFS、Eucalyptus Walrus、OpenStack

Swift、移动蜂窝网架构等。相比而言，HDFS展

现出很多独特的优势，它以支持大数据集合为目 标，一个存储在上面的典型文件大小一般都在千 兆至T字节，一个单一 HDFS实例应该能支撑数 以千万计的文件。HDFS能够实现硬件错误检测， 数据完整性检查和自动的替补。在HDFS上的应 用与一般的应用不同，它主要是以流式读为主， 做批量处理，从而实现数据访问的高吞吐量[1718]。

随着云存储技术的发展，其在民用IT领域应 用越来越广泛，一些IT公司纷纷开始云存储的研

发与推广。最早推出云存储服务的是美国Amazon 公司。Google公司的云存储拥有若干个数据中心。 微软公司的网络硬盘服务也早已上线。IBM推出 了云计算领域的存储战略计划一企业级智能云 存储。在国内，华为、百度、网易、奇虎、金山、 迅雷等公司纷纷开发了自己的云存储系统。尽管国内外开展了大量关于云存储的研究工 作，并且已经形成了很多成功的商业案例。然而， 中继卫星系统具有其自身特点，如节点间地理范 围分布广泛，存在多种类型节点；节点彼此之间 链路受到传输链路质量的影响；同时，中继卫星 系统对数据完整性和安全性有着更高的要求。

因此，面向中继卫星系统数据存储的一体化 需求，有必要探索将云存储的特点应用在中继卫 星地面系统的应用模式，研究相应的分布式存储 架构与数据获取方式，实现中继卫星系统数据存 储高可扩展、低成本，以及资源池化。

2中继卫星系统地面云存储架构设计

分布式存储系统需要具备结构分层和功能分

级的特点：位于同一地区的2个地面站存储之间， 可以通过网络存储技术，将其整合成一个区域云 存储；通过分布式存储技术，将分布在广域地理 位置上的不同云存储，集合成一个大规模广域云 存储系统；采用存储虚拟化技术，将存储资源进 行整合，提供整体存储和访问的功能；采用分布 式文件系统，实现对数据的高效“存”“取”“管”； 将系统控制流与数据流分离，通过元数据节点统

2一管理，.1

保证数据的快速存储和方便获取。

总体架构

假设面向《颗中继卫星、tz个地面接收站、m 个地面云存储中心、f个用户地面中心和1个调度 管控中心。其中，m个地面云存储中心按区域设 计，分别为和北京云存储中心，云存储 中心负责是个地面站的存储，北京云存储中心负 责m—々个地面站的存储。

地面系统总体架构设计，如图1所示。本文 交换中心指实现与用户中心数据交换功能的部分； 调度管控中心指中继卫星云存储系统中承担着整 个系统的业务调度和网络访控功能的部分；用户 地面中心指用户卫星地面站接收站和数据处理中 心。卫星通过10 Gbit/s空间链路与地面进行数据 传输，每个地面站通过超10 Gbit/s核心专线实现

394飞行器测控学报第35卷

与云存储中心的数据传输，云存储中心负责卫星数 据的集中存储，并通过交换中心与各用户地面中心 实现数据服务，各用户地面中心通过10 Gbit/s专线 实现与交换中心的连接，同时为应对地面专线链 路中断的应急问题，采用互联网1 Gbit/s VPN (Virtual Private Network，虚拟专用网）作为辅

助线路。由于各节点间连接链路受到带宽资源等 ，调度管控中心除了承担必需的元数据存储 与访问功能外，还将增强网络整体管理方面的能 力，即通过调度管控中心的管理和调度，实现用 户就近访问的需求。在就近访问不能实现时，考 虑节点间数据的迁移或远程访问。

------10 Gbit/s空间链路 -------10 Gbit/s核心专线 -------1 Gbit/s网路

2.2

地面站架构数据传输服务器对外采用超10 Gbit/s核心专 线和1 Gbit/s VPN双网络链接，内部采用 10 Gbit/s链路，由万兆交换机、千兆交换机、防 火墙等网络设备组成。业务信息运行管理系统由 业务运行管理服务器和业务数据库服务器组成， 负责日常的业务管控和调度执行。

地面站负责接收管控任务，按任务完成卫星

数据的接收与传输，如图2所示。由卫星数据接 收系统、业务信息运行管理系统和数据传输系统 组成。卫星数据接收系统采用10 Gbit/s网络链路 连接，由卫星接收器、卫星数据接收处理服务器 组成，并且可以根据需要进行扩展。

第5期陈昊，等.中继卫星系统地面云存储架构设计395

图

2地面站架构设计图

Fig. 2 Ground station architecture

2. 3

地面云存储中心结构

地面云存储中心负责卫星数据存储和数据传

输共享服务，如图3所示，由云存储服务系统、 业务信息管理系统和数据传输服务系统组成。

云存储数据节点阵列

图

3地面站存储架构图

Fig. 3 Ground station storage architecture

云存储系统通过阵列形式组建，由云存储命 名节点服务器和云存储数据节点服务器阵列组成， 提供高链路带宽（可采用双千兆网络阵列或者万 兆网络阵列）、高效并发读写性能，以及海量可扩 展的数据存储容量。数据传输服务器采用超 10 Gbit/s核心专线和1 Gbit/s VPN双网络链接，

由云存储系统虚拟 FTP (File Transfer Protocol， 文件传输协议）服务器，以及万兆交换机、千兆 交换机、防火墙等网络设备组成。业务信息管理 系统，由业务运行管理服务器和业务数据库服务 器组成，负责日常的业务管控和调度执行。

2. 4

地面调度管控和交换中心结构

地面调度管控和交换中心负责卫星数据交换、 数据服务以及业务调度，如图4所示，由数据交 换系统、业务调度系统、状态监控系统和网络服 务系统组成。

数据交换系统是地面中心系统的核心，由千 兆交换机、万兆交换机、防火墙、万兆交换机阵

列组成，负责链接地面站和用户地面中心的 10 Gbit/s专线，其中地面站由于存在多星同时接 收的可能，因此地面站与中心的链路可能需要考 虑采用超10 Gbit/s的核心专线链路。

业务调度系统采用双千兆（可升级万兆）和 1 Gbit/s VPN的双网络链接，由业务调度服务器、 业务信息数据库服务器组成，负责任务的规划和 数据业务的调度。状态监控系统采用双千兆（可 升级万兆）和1 Gbit/s VPN的双网络链接，负责 监控管理卫星和地面站的运行状态。网络服务系 统采用双千兆（可升级万兆）和1 Gbit/s VPN的 双网络链接，提供面向用户的网络化平台服务。

2.5

地面总体链路

地面用户中心通过网络服务平台提交数据业

务申请，完成任务规划。地面站通过10 Gbit/s空 间链路完成数据接收，存入云存储中心，云存储 中心再按照管控中心业务指令，将数据经地面中 心万兆交换机阵列推送至指定用户地面中心，在 空间链路中断或地面专线链路中断过程中造成的 数据延时传输，可通过专线带宽恢复后闲时补传， 或VPN网络实时应急传输。

2.6

地面系统信息流程

地面站云存储数据服务结构由数据存储层、 数据中间件层、应用服务层和表示层组成，见 图5。

数据存储层包括关系型数据库和HDFS分布式 文件存储系统，关系型数据库负责业务等信息的存 储管理，HDFS分布式文件存储系统负责海量数据 分布式并行存储。数据中间件层提供数据存储层的 数据交互引擎。应用服务层负责提供数据交互服务 接口，包括 IIS (Internet Information Services，互联

396飞行器测控学报第35卷

、千兆交换机

中心部署地面站

11

交

换中心

塵

万兆交换机

云存储中心

地面站

管控中心

北京云存储中心

地面站

1 Gbit/i VPN

用户地面中心

用户地珂中心用户埤面中心

用户地阔中心用巧地面中心1 Gbit/s VPN ^^

10 Gbit/s专线•1 Gbit/s 网路-图4调度中心和交换中心架构

Fig. 4 Architecture of control and switching center

表示层

客户端程序

浏览器

平台应有程序接口

业务和数据的交互。

地面系统服务信息流指用户地面中心向调度 管控中心提交任务请求到获取数据的过程中信息 和数据的主要流程，包括以下内容。

1) 划请求。

2) 令计划。

3)

用户地面中心向调度管控中心提交任务计 调度管控中心的网络服务平台服务器接收

;

到用户请求后，通过业务调度服务器编制任务指

调度管控中心的业务调度服务器将编制完

成的任务指令下达给地面站。

4) 地面站的业务运行管理服务器接收到指令

Oracle/MySQL

后，按计划时间驱动卫星接收系统接收数据。5) 卫星接收系统开始接收数据后，由卫星数 据接收系统服务器将数据上传到区域数据中心云 存储平台。6) 数据接收开始上传后，由卫星数据接收系 统服务器向业务信息数据库服务器更新任务状态， 同时区域数据中心云存储平台也将同步更新状态， 而区域数据中心业务运行管理服务器将状态变更 信息，发送给调度管控中心状态监控服务器。

5云存储数据服务技术流程

Fig. 5 Technical process of cloud storage data

图

息服务）\\Tomcat网络服务平台和HDF^Based FTP Server虚拟云存储FTP服务。表示层主要为用 户交互平台，例如通过浏览器、客户端或插件进行

第5期陈昊，等.中继卫星系统地面云存储架构设计397

7) 面中心，其中2个地面云存储中心分别为云 调度管控中心状态监控服务器将任务状态

存储中心和北京云存储中心。更新到业务信息数据库，并告知网络服务平台服

3.1存储性能对比务器。

8) 调度管控中心网络服务平台服务器告知用 云存储方案与NAS存储方案在存储性能上的 户地面中心任务状态，并附数据请求地址。对比分析如表1所示。9) 用户地面中心根据数据请求地址向区域数 表1性能对比分析据中心请求数据。

10) 区域数据中心云存储系统虚拟FTP服务 器接收到用户请求后，驱动云存储系统传输数据。 2.7地面系统数据并发读写机制

1)

云存储数据并发写机制。地面站数据存储

通过区域数据中心云存储方案进行建设，数据写

人机制基于HDFS分布式并行文件系统。写人数 据流按指定大小且按数据顺序切成标准数据块， 在采用经典3倍冗余下，每个数据块的写人会驱 动3个节点进行写操作，并将数据流的切分信息和 数据块的记录位置保存在命名节点上。

2) 云存储数据并发读机制。区域数据中心云 存储数据读取机制同样基于HDFS分布式并行文 件系统。在命名节点中获取读取数据流的数据块 切分信息及各数据块的位置信息，通过命名节点 的优化调度，让各个数据节点将指定数据块输出 到目标数据流的目标位置上，完成数据并发读取

操作。3) 云存储数据冗余恢复机制。区域数据中心

云存储数据冗余恢复机制同样基于HDFS分布式 并行文件系统。命名节点负责对各个数据节点进 行心跳监控，当发现节点故障丢失时，将立即启 动数据恢复操作。首先在数据块位置信息中发现 故障节点中丢失的数据块对象，然后查找冗余数 据块的记录位置，通过优选节点，将冗余数据块 复制恢复到其他站点上，以保证每个数据块的冗 余度不低于最低冗余度。由于数据块的均匀分布， 数据的恢复操作是通过多节点并发执行的，具有 非常高的恢复效率。

3中继卫星系统地面云存储性能分析

将上述云存储架构设计方案与传统NAS

(Network Attached Storage，网络附加存储），分 别从存储系统性能、可靠性和建设成本3个方面 进行比较，分析系统设计的优缺点。

假设面向6颗中继卫星、6个地面接收站、2 个地面云存储中心、1个地面中心和若干个用户地

Tab. 1 Comparative analysis of performance

比较内容

云存储中心传统NAS

北京，93 ，162 6个地面站， 节点，8块

节点，8台，32块 方案描述

6 Tbyte6 Tbyte

8块

6 Tbyte

硬盘/节点，硬盘/节点，

服务器，

3倍冗余

3倍冗余RaidlO，2倍冗余最高写入 需求40 Gbit/s

70 Gbit/s

(20 Gbit/s)/站

最高写入 速度349. 18 Gbit/s 608. 27 Gbit/s180. 22 bit/s最大写310 Gbit/s540 Gbit/s(40 Gbit/s)/站带宽775%1 350%100%(参照）写需求满足度775%771. 43%200%最低读取需求

40 Gbit/s70 Gbit/s(20 Gbit/s)/站最高读取速度

1 047. 54 1824. 81 Gbit/sGbit/s360, 45 Gbit/s最大读

930 Gbit/s1 620 Gbit/s(80 Gbit/s)/站带宽1 162. 5%2 025%100%(参照）

读需求满足度2 325%2 314.29%

400%

对外读写带宽

80 Gbit/s

140 Gbit/s(40 Gbit/s)/站

说明:1)云存储节点与传统NAS都采用万兆网 卡。2)云存储方案最高写入速度为硬盘数XI. 408 + 3,其中3为3倍冗余，硬盘读写效率为1.408 (Gbit/s)/盘;传统NAS方案最高写入速度为硬盘 数XI. 408 + 2,其中采用RAID10 2倍冗余造成了 写性能损耗。3)云存储方案最大写带宽为节点数

X10 + 3,其中3为3倍冗余，带宽为10 Gbit/s;传

统NAS方案最大写带宽为节点数X10 + 2,其中2 表示2倍冗余。4)云存储方案最高读取速度为硬 盘数XI. 408;传统NAS方案最高读取速度为硬盘 数XI. 408。5)云存储方案最大读带宽为节点数X 10 Gbit/s;传统NAS方案最大读带宽为节点数X 10 Gbit/s。6)需求满足度为读写瓶颈值与需求值

398飞行器测控学报第35卷

的比值。

结论:1)云存储方案相比传统NAS方案，在单 位性能方面具有明显优势，其中写效率高于传统 NAS平均3.88倍，读效率高于传统NAS平均 5. 82倍。2)云存储方案相比传统NAS方案，在最 大性能方面具有明显优势，其中写效率高于传统 NAS分别13. 5倍、7. 75倍和3. 91倍，读效率高于 传统NAS分别20. 25倍、11. 62倍和5. 87倍。

3.2

可靠性对比

云存储方案与NAS存储方案在可靠性方面的

对比分析如表2所示。

表

2可靠性对比分析

Tab. 2 Reliability comparison analysis

比较内容云存储中心

传统

NAS节点数93(北京）

162(）

8数据冗余度

332

0. 032 3

0. 018 50.25节点冗余度

12. 92%

7. 40%

100%(参照）7. 716X10—61. 427X10-6

0. 4X10-2数据遗失率

0. 172%

0. 031 8%

100%(参照）

节点故障恢复

自动实时

自动实时

人工

节点故障0. 010 80. 006 20. 125影响比

8. %

4. 96%

100%(参照)

节点稳定性

普通级

普通级

企业级

说明：i)节点冗余度，表示数据随机分布下，每

个节点出现冗余数据的概率，节点冗余度越高，节 点故障造成数据遗失的可能性越大，计算方法为数 据冗余+节点数。2)数据遗失率，表示数据全部冗 余丢失的概率，计算方法为（数据冗余+节点数）X ((数据冗余一 1) + (节点数一 1))X…，直到冗余数 为0。3)节点宕机影响比，表示1个节点故障后对 系统整体的影响比重，计算方法为1 +节点数。

结论：1)云存储方案相比传统NAS方案的数 据遗失率低很多，分别是后者的1. 376%、0. 172% 和0.031 8%。2)云存储方案节点故障支持自动实 时恢复，而NAS存储系统节点故障需要人为维修 和恢复。3)云存储方案相比传统NAS方案的节点 故障对系统整体的影响度低很多，分别是后者的

17. 04%、8. %和 4. 96%。

3.3小 结

通过上述分析，如表3所示，云存储方案在性 能效率、可扩展性、可靠性和服务性等多方面都比 传统架构更具优势。

表

3云存储架构与NAS存储架构对比

Tab. 3 Comparison of cloud storage architecture and NAS

storage architecture

要点

云存储

传统

NAS

并行架构，读、

性能效率

写、传输带宽等根受制于单节点性据节点数量效率倍 能和配置

增，具有明显优势

架构灵活，支持

扩展更新能力弱，可扩展性

热扩展，可分批建有些需要做复杂的设,逐步淘汰更新迁移工作

高可靠性

,3倍冗

余，自动恢复，具有

可靠性

合理的分配机制保 2倍冗余

障，降低数据丢失 风险

支持云平台服务

服务性

扩展和服务模式 服务单一

创新

4结 论

本文根据中继卫星系统数据存储的需求，研究 了结构分层、功能分级的面向一体化需求的分布式

云存储网络架构，设计了地面站及其调度管控中 心、数据交换中心之间的信息和数据流程，并从系 统存储性能、可靠性等方面与传统的NAS相比较， 发现云存储方案比传统架构更具优势。本文所设 计的中继卫星系统云存储架构和实现方式期望能 为中继卫星地面系统的规划设计提供参考。

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