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SA-RSR：一种适用于异或类纠删码分布式存储系统的数据读取最优恢复方法 Research Articles

张兴军1,梁宁静1,刘云飞1,张长江1,李洋2

《信息与电子工程前沿（英文）》 2022年第23卷第6期页码 858-875 doi: 10.1631/FITEE.2100242

摘要：

冗余策略经常被用于分布式存储系统，以保证数据的可靠性与可用性。纠删码是一种代表性的冗余策略，具有低存储开销优势，这种优势促进了它在分布式存储系统中的应用。在各种纠删码机制中，异或类纠删码凭借高计算效率变得越来越流行。采用异或类纠删码机制的存储系统，如果发生单节点故障，便会进行数据恢复，该过程需要从幸存节点中下载数据，然后恢复故障节点中的数据。本文提出一种随机搜索恢复算法，SA-RSR，该算法能加速异或类纠删码单节点故障恢复。SA-RSR利用模拟退火技术寻找读取和传输最少数据量的最优恢复机制，且该搜索过程可在多项式时间内完成。最后，为验证该方法的有效性，使用多种异或类纠删码进行仿真验证，并在真实存储系统Ceph中验证。实验结果表明，与传统恢复方法相比，SA-RSR减少了30%的数据读取与传输量，提高了20.36%的数据恢复性能。

关键词：分布式存储系统；数据可靠性与可用性；异或类纠删码；单节点失效；数据恢复

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DDUC：数据更新与编码解耦的纠删码系统 Research Article

屠要峰1,2,肖蓉2,韩银俊1,2,陈正华2,金浩2,齐学成2,孙辛远2

《信息与电子工程前沿（英文）》 2023年第24卷第5期页码 716-730 doi: 10.1631/FITEE.2200466

摘要：在分布式存储系统中，常用的数据冗余方法包括副本和纠删码(erasure code，EC)。相较于副本，EC具有更好的存储效率，但是在更新方面的开销更大。此外，并发更新带来的一致性和可靠性问题给EC应用带来了新的挑战。许多研究工作都致力于优化EC技术，包括算法优化、数据更新方法创新等，但并发更新的一致性和可靠性问题尚未得到很好解决。本文介绍了一种将数据更新与EC编码解耦的存储系统，命名为DDUC，并提出了一种副本与校验块结合的放置策略。基于上述策略，实现了一种两阶段数据更新方法，在第一阶段按照副本模式进行数据更新，在第二阶段由校验节点独立完成EC编码。这样在保证高并发性能的同时，解决了并发更新导致的数据可靠性降低的问题。实验结果表明，和当前主流的存储系统Ceph相比，本文所提出的存储系统并发访问性能提升至1.70–3.73倍，时延仅为Ceph的3.4%–5.9%。

关键词：并发更新；高可靠性；纠删码；一致性；分布式存储系统

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一种采用纠删码缓存的高能效且可靠的存储系统 Article

Ji-guang WAN, Da-ping LI, Xiao-yang QU, Chao YIN, Jun WANG, Chang-sheng XIE

《信息与电子工程前沿（英文）》 2017年第18卷第9期页码 1370-1384 doi: 10.1631/FITEE.1600972

摘要：在现代的多副本节能存储系统中，主副本的磁盘总是保持着开启以对外提供服务，而其他副本的磁盘则可以在负载低时保持关闭状态以节能。然而，因为新的写请求不能够被立即同步到所有的磁盘上，所以系统的可靠性被降低了。本文中，我们设计了一个基于RAID10的具有高可靠性和高能效的副本存储系统——RERAID。RERAID使用主副本磁盘上的一部分空闲空间结合纠删码构造了一个编码缓存来接收新的写请求。因为通过使用纠删码，编码缓存能够支持2个甚至更多磁盘的故障恢复，所以RERAID能够保证与RAID10存储系统想当的可靠性。另外，我们还设计了一个纠删码写（erasure coding write, ECW）算法来缓存那些小的随机写，并把它们合并成大的写数据块，然后并行写入编码缓存中以提高写性能。

关键词：可靠性；高能效；存储系统；纠删码；缓存管理

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大数据存储技术综述 Review

Aisha SIDDIQA, Ahmad KARIM, Abdullah GANI

《信息与电子工程前沿（英文）》 2017年第18卷第8期页码 1040-1070 doi: 10.1631/FITEE.1500441

摘要：对于容量快速增长、日趋多元化的大数据，业界亟需开发可行性更好的存储工具。为满足大数据存储需求，存储机制已经形成从传统数据管理系统到NoSQL技术的结构化转移。然而，目前可用的大数据存储技术无法为持续增长的异构数据提供一致、可扩展和可用的解决方案。在科学实验、医疗保健、社交网络和电子商务等实际应用中，存储是大数据分析的第一步。截至目前，亚马逊、谷歌和阿帕奇等公司形成了大数据存储方案的行业标准，但尚未有关于大数据存储技术性能和容量提升的深入调查和文献报告。本文旨在对目前可用于大数据的最先进的存储技术进行全面调查，提供了一个明确的大数据存储技术分类方法，以帮助数据分析师和研究人员了解和选择更适合其需求的存储机制。为了加快部署可靠和可扩展的存储系统，文中还突出了未来研究面临的几个挑战。

关键词：大数据；大数据存储；NoSQL数据库；分布式数据库；CAP定理；可扩展性；一致性-分区弹性；可用性-分区弹性

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ShortTail：降低纠删码内存存储系统的尾部延迟 Research Article

滕云1,3,李之悦2,4,黄晶1,3,张广艳2,4

《信息与电子工程前沿（英文）》 2022年第23卷第11期页码 1646-1657 doi: 10.1631/FITEE.2100566

摘要：

为获得高性能和高数据可用性，基于纠删码的内存存储系统得到广泛应用。然而，随着集群规模不断增长，服务器级别的性能降级问题出现得越来越频繁，进而导致长尾延迟。在基于纠删码的系统中，由于一个纠删码操作可能依赖于多个子操作的同步完成，长尾延迟的影响被进一步放大。本文提出一种称为ShortTail的基于纠删码的内存存储系统，该系统可实现稳定的性能和较低的读写延迟。首先，ShortTail使用轻量请求监视器监测每个内存节点性能，以便及时发现性能降级节点。其次，ShortTail选择性执行降级读操作和重定向写操作，以避免访问性能降级节点。最后，ShortTail采用一种自适应写策略降低小写请求的写放大程度。本文在Memcached上实现了ShortTail，并将其与两个系统进行比较。实验结果表明，ShortTail最高可降低63.77%的99分位延迟，且显著改善中位延迟和平均延迟。

关键词：纠删码；内存存储系统；节点性能降级；小写请求；尾部延迟

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大数据的分布式机器学习的策略与原则 Review

Eric P. Xing,Qirong Ho,Pengtao Xie,Dai Wei

《工程（英文）》 2016年第2卷第2期页码 179-195 doi: 10.1016/J.ENG.2016.02.008

摘要：

大数据的发展已经引领了对能够学习包含数百万至数十亿参数的复杂模型的机器学习系统的新需求，以保证足够的能力来消化海量的数据集，提供强大的预测分析（如高维潜特征、中介表示和决策功能）。为了在这样的尺度上，在成百上千台的分布式机器集群中运行机器学习算法，关键往往是要投入显著的工程性的努力——有人可能会问，这样的工程是否还属于机器学习的研究领域？考虑到如此“大”的机器学习系统可以极大地从根植于机器学习的统计和算法的理解中受益——因此，机器学习的研究人员应该不会回避这样的系统设计—&mdash它们关注的是机器学习研究传统上注意较少的四个关键问题：一个机器学习程序怎样能分布到一个集群中去？机器学习计算怎样能通过机器间的交流连接起来？这样的交流是如何被执行的？机器间应该交流的内容是什么？通过揭示机器学习程序所独有的，而非常见于传统计算机程序中的基础性的统计和算法上的特点，并通过剖析成功案例，以揭示我们如何利用这些原则来同时设计和开发高性能的分布式机器学习软件以及通用的机器学习框架，我们为机器学习的研究人员和从业者提供了进一步塑造并扩大机器学习与系统之间的领域的机会

关键词：机器学习人工智能大数据大型模型分布式系统原则理论数据并行性模型并行性

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计算系统多级抗衰技术研究

游静,徐建,李千目,刘凤玉

《中国工程科学》 2007年第9卷第2期页码 36-37

摘要：通过分析系统资源的占用和损耗情况，判定系统性能的衰退规律，并据此制定了基于时间的多级软件抗衰策略和基于检测的多级软件抗衰策略，采用有限状态自动机对两种策略进行形式化描述，最后通过Web服务案例说明策略的制定过程实验表明，较之单一系统级软件抗衰，多级抗衰策略可以进一步缩短MTTR，提供更高的系统可用性，同时将抗衰成本降到更低。

关键词：软件抗衰软件老化系统可靠性系统可用性自动机

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一种针对基于一致性哈希的键值存储系统的低能耗副本布局策略 Article

Nan-nan ZHAO,Ji-guang WAN,Jun WANG,Chang-sheng XIE

《信息与电子工程前沿（英文）》 2016年第17卷第10期页码 994-1007 doi: 10.1631/FITEE.1601162

摘要：概要：分布式键值存储作为最常用的分布式存储系统之一，目前广泛部署在大规模数据中心中。然而，大规模数据中心的高能耗是一个亟待解决的问题。为达到较好节能效果，同时满足数据可用性要求，本文提出一个针对基于一致性哈希的分布式键值存储系统的低能耗副本布局策略——GreenCHT，它包括一个分层副本布局方案、一个可靠的分布式日志和一个预测能耗模式调节器GreenCHT将副本分布在互不重叠的多个节点层，而非随机放置于哈希环的部分节点。在分层副本布局中，部分节点层可以维持活动状态，其他节点可以被关闭而不影响数据可用性，以达到节能目的。为保证节能状态下的系统可靠性，对于待机副本的写请求，被重新映射到活动的服务器，以保证系统的容错性。通过修改Sheepdog原有的数据分布算法和副本布局策略，GreenCHT被配置在Sheepdog存储集群中。实验中，GreenCHT能够节省35%–61%能耗，同时维持较好性能和可靠性。

关键词：一致性哈希表；副本布局；能源管理；键值存储系统；可靠性

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ONFS：面向高性能计算的基于内存、固态硬盘和磁盘的层次式混合文件系统 Article

Xin LIU, Yu-tong LU, Jie YU, Peng-fei WANG, Jie-ting WU, Ying LU

《信息与电子工程前沿（英文）》 2017年第18卷第12期页码 1940-1971 doi: 10.1631/FITEE.1700626

摘要：大规模科学计算、新的工作流应用以及检查点操作均需要存储系统具有非常高的带宽和低延迟，这使得高性能存储系统面临严峻的技术挑战。当前基于磁盘的底层存储系统难以满足新一代Eflops超级计算机和应用的要求。为此，本文提出了基于计算结点内存、固态硬盘和磁盘的层次式混合存储系统ONFS (on-line and near-line file system)。它具有三个存储层次和统一的命名空间，支持可移植操作系统接口（portable operating system interface, POSIX）协议，可提供高带宽、低延迟和超大存储容量。本文详细分析了分布式元数据管理、内存借用和归还策略、数据一致性、并行访问控制，以及向下迁移和向上主动预迁移机制。与Lustre相比，运行在ONFS上的典型数据密集型应用可获得6.35倍的I/O加速。

关键词：高性能计算；层次式混合存储系统；分布式元数据管理；数据迁移

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工程结构可靠性分析的高阶矩法研究

宫凤强,李夕兵,邓建

《中国工程科学》 2006年第8卷第5期页码 69-73

摘要：

提出了工程结构可靠性分析的高阶矩方法。主要是基于数值逼近原理，以切比雪夫正交函数族{T_k(x)}做基，利用功能函数的高阶矩信息，通过计算功能函数概率密度函数的逼近表达式，然后根据工程结构可靠性的一般表达式来计算结构的失效概率，进行可靠性分析。通过经典分布函数的数值检验和结构构件失效概率的计算结果比较，表明了该方法在理论上的正确性和工程中的实用性。

关键词：结构可靠性高阶矩切比雪夫多项式失效概率

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腐蚀油气管线的可靠性分析

徐伟,刘茂

《中国工程科学》 2010年第12卷第9期页码 69-72

摘要：

ASME B31G是国际通用的评价腐蚀管线失效应力的标准，考虑到这种方法的保守性，以修正后的B31G模型作为研究腐蚀管线失效应力的基础，考虑管壁厚度、腐蚀速率、工作压力、缺陷深度等随机变量，构建腐蚀油气管线可靠性极限状态函数。然后，采用一次二阶矩法对腐蚀管线进行可靠性分析，得出管线的失效概率、可靠性指标以及剩余使用寿命。此外，为了更加规范的管理腐蚀管线，参照美国石油组织的相关规定，对不同失效概率的管线进行了等级划分。在最后的案例分析中，还讨论失效概率对不同变异系数对的敏感性，计算结果表明失效概率对管壁厚度

关键词：管线腐蚀可靠性分析一次二阶矩失效概率

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可靠性工程中参数的一种估计方法

韩明

《中国工程科学》 2003年第5卷第3期页码 51-56

摘要：

提出了可靠性工程中参数的一种估计方法——新Bayes估计法，给出了失效概率、失效率的新Bayes估计的定义及其新Bayes估计。最后，结合实际问题的数据，进行了具体计算和分析，结果表明所提出的新Bayes估计法有效、可行，便于工程技术人员在工程中应用。

关键词：可靠性工程参数估计新Bayes估计失效概率

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基于风险分析的可靠性指标加速验证方法研究

张辉睿

《中国工程科学》 2015年第17卷第5期页码 31-37

摘要：

传统的可靠性验证试验由于一般在使用条件下进行，且只利用失效数据进行判定，往往需要大量的时间和费用。这对于高可靠长寿命船舶设备可靠性指标的验证是不可接受的。本文提出一种基于风险分析的可靠性指标加速验证方法，该方法利用退化数据进行分析，在试验风险可接受的条件下提前截止试验，得出验证结果。同时，利用高环境应力可以加速退化过程，进一步减少试验时间。本文具体给出了分析和计算提前截止试验和利用高应力进行试验产生的额外风险的方法，保证了验证结果的真实可靠。最后利用案例证实了该方法在减少验证试验时间上的有效性。

关键词：退化数据；加速验证试验；可靠性验证；风险分析；优化设计

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工程化DNA材料构建DNA活字系统实现可持续的数据存储 Article

巩子祎, 宋理富, 裴广胜, 董雨菲, 李炳志, 元英进

《工程（英文）》 2023年第29卷第10期页码 130-136 doi: 10.1016/j.eng.2022.05.023

摘要：

DNA分子作为一种具有潜力的数据存储绿色材料，具有密度高和保存期长的优势。然而，目前DNA数据存储的数据写入依赖于DNA从头合成，写入成本高昂，且产生有害物，限制了其实际应用。在本研究中，我们开发了一种DNA活字存储系统，该系统可以利用由细胞工厂预生产的DNA活字片段进行数据写入。在这个系统中，这些预先生成的DNA片段，在这里称为“DNA活字”，是可重复使用的基本数据单元。通过这个系统，我们成功地将24字节的数字信息编码到DNA中，并通过高通量测序和解码实现了准确读取，这证明了该系统的可行性。通过DNA活字片段的反复使用和生物组装，该系统在降低写入成本方面的潜力非常突出，为经济和可持续的DNA数据存储技术开辟了一条新颖路线。

关键词：合成生物学 DNA信息存储 DNA活字存储系统经济性DNA数据存储

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航天器热控系统的可靠性设计与分析

李运泽,宁献文,王晓明,石晓波

《中国工程科学》 2007年第9卷第7期页码 53-56

摘要：

针对国内外航天器热控制、热管理技术的发展现状，在详细调研各种航天器热控系统组成原理与功能实现方式的基础上，从可靠性的角度出发，归纳、总结了航天器热控系统中串联、并联、表决、储备四种常见的可靠性设计模式及其相应的可靠性分析计算模型，介绍了其在空间站、月球探测系统、火星探测系统等典型航天器上的应用范例，为进一步的航天器热控系统可靠性设计方法与理论分析奠定了基础。