解析Linux新技術(shù)對象存儲文件系統(tǒng)

 隨著高性能計算由傳統(tǒng)的主機方式向網(wǎng)絡化集群演變，傳統(tǒng)的基于主機的存儲架構(gòu)已逐漸向網(wǎng)絡化存儲發(fā)展，計算和存儲分離的趨勢越來越明顯。針對 SAN 和 NAS 的不足，國際上已開展針對 Linux 集群的新型文件系統(tǒng)――對象存儲文件系統(tǒng)的研究，本文重點論述了存儲對象文件系統(tǒng)的架構(gòu)、技術(shù)特點，并針對Lustre 對象存儲文件系統(tǒng)進行了初步測試，結(jié)果表明對象存儲文件系統(tǒng)在可擴展性、性能、易用性等方面都有顯著提高，隨著網(wǎng)絡化存儲技術(shù)的不斷成熟，對象存儲文件系統(tǒng)將成為重要的發(fā)展方向。

一、引言

高性能計算已由傳統(tǒng)的主機方式逐漸向集群方式演變，如TOP500中，1998年只有2臺系統(tǒng)是集群方式，而到2003年已有208臺為集群系統(tǒng)。隨著高性能計算體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展變化，傳統(tǒng)的基于主機的存儲架構(gòu)已成為新的瓶頸，不能滿足集群系統(tǒng)的需求。集群的存儲系統(tǒng)必須有效解決兩個主要問題：(1)提供共享訪問數(shù)據(jù)，便于集群應用程序的編寫和存儲的負載均衡;(2)提供高性能的存儲，在I/O級和數(shù)據(jù)吞吐率方面能滿足成百上千臺規(guī)模的Linux集群服務器聚合訪問的需求。目前，網(wǎng)絡化存儲已成為解決集群系統(tǒng)高性能存儲的有效技術(shù)途徑。

國際上主要有兩類網(wǎng)絡化存儲架構(gòu)，它們是通過命令集來區(qū)分的。第一類是SAN(Storage Area Network)結(jié)構(gòu)，它采用SCSI 塊I/O的命令集，通過在磁盤或FC(Fiber Channel)級的數(shù)據(jù)訪問提供高性能的隨機I/O和數(shù)據(jù)吞吐率，它具有高帶寬、低延遲的優(yōu)勢，在高性能計算中占有一席之地，如SGI的CXFS文件系統(tǒng)就是基于SAN實現(xiàn)高性能文件存儲的，但是由于SAN系統(tǒng)的價格較高，且可擴展性較差，已不能滿足成千上萬個CPU規(guī)模的系統(tǒng)。第二類是NAS(Network Attached Storage)結(jié)構(gòu)，它采用NFS或CIFS命令集訪問數(shù)據(jù)，以文件為傳輸協(xié)議，通過TCP/IP實現(xiàn)網(wǎng)絡化存儲，可擴展性好、價格便宜、用戶易管理，如目前在集群計算中應用較多的NFS文件系統(tǒng)，但由于NAS的協(xié)議開銷高、帶寬低、延遲大，不利于在高性能集群中應用。

針對Linux集群對存儲系統(tǒng)高性能和數(shù)據(jù)共享的需求，國外已開始研究全新的存儲架構(gòu)和新型文件系統(tǒng)，希望能有效結(jié)合SAN和NAS系統(tǒng)的優(yōu)點，支持直接訪問磁盤以提高性能，通過共享的文件和元數(shù)據(jù)以簡化管理，目前對象存儲文件系統(tǒng)已成為Linux集群系統(tǒng)高性能文件系統(tǒng)的研究熱點，如Cluster File Systems公司的Lustre、Panasas公司的ActiveScale文件系統(tǒng)等。Lustre文件系統(tǒng)采用基于對象存儲技術(shù)，它來源于卡耐基梅隆大學的Coda項目研究工作，2003年12月發(fā)布了Lustre 1.0版，預計在2005年將發(fā)布2.0版。Lustre在美國能源部(U.S.Department of Energy：DOE)、Lawrence Livermore 國家實驗室，Los Alamos國家實驗室，Sandia 國家實驗室，Pacific Northwest國家實驗室的高性能計算系統(tǒng)中已得到了初步的應用，IBM正在研制的Blue Gene系統(tǒng)也將采用Lustre文件系統(tǒng)實現(xiàn)其高性能存儲。ActiveScale文件系統(tǒng)技術(shù)來源于卡耐基梅隆大學的Dr. Garth Gibson，最早是由DARPA支持的NASD(Network Attached Secure Disks)項目，目前已是業(yè)界比較有影響力的對象存儲文件系統(tǒng)，榮獲了ComputerWorld 2004年創(chuàng)新技術(shù)獎。

二、對象存儲文件系統(tǒng)

2.1 對象存儲文件系統(tǒng)架構(gòu)

對象存儲文件系統(tǒng)的核心是將數(shù)據(jù)通路(數(shù)據(jù)讀或?qū)?和控制通路(元數(shù)據(jù))分離，并且基于對象存儲設備(Object-based Storage Device，OSD)構(gòu)建存儲系統(tǒng)，每個對象存儲設備具有一定的智能，能夠自動管理其上的數(shù)據(jù)分布，對象存儲文件系統(tǒng)通常有以下幾部分組成。

1、對象

對象是系統(tǒng)中數(shù)據(jù)存儲的基本單位，一個對象實際上就是文件的數(shù)據(jù)和一組屬性的組合，這些屬性可以定義基于文件的RAID參數(shù)、數(shù)據(jù)分布和服務質(zhì)量等，而傳統(tǒng)的存儲系統(tǒng)中用文件或塊作為基本的存儲單位，在塊存儲系統(tǒng)中還需要始終追蹤系統(tǒng)中每個塊的屬性，對象通過與存儲系統(tǒng)通信維護自己的屬性。在存儲設備中，所有對象都有一個對象標識，通過對象標識OSD命令訪問該對象。通常有多種類型的對象，存儲設備上的根對象標識存儲設備和該設備的各種屬性，組對象是存儲設備上共享資源管理策略的對象集合等。

2、對象存儲設備

對象存儲設備具有一定的智能，它有自己的CPU、內(nèi)存、網(wǎng)絡和磁盤系統(tǒng)，目前國際上通常采用刀片式結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對象存儲設備。OSD提供三個主要功能：

(1) 數(shù)據(jù)存儲。OSD管理對象數(shù)據(jù)，并將它們放置在標準的磁盤系統(tǒng)上，OSD不提供塊接口訪問方式，Client請求數(shù)據(jù)時用對象ID、偏移進行數(shù)據(jù)讀寫。

(2) 智能分布。OSD用其自身的CPU和內(nèi)存優(yōu)化數(shù)據(jù)分布，并支持數(shù)據(jù)的預取。由于OSD可以智能地支持對象的預取，從而可以優(yōu)化磁盤的性能。

(3) 每個對象元數(shù)據(jù)的管理。OSD管理存儲在其上對象的元數(shù)據(jù)，該元數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)的inode元數(shù)據(jù)相似，通常包括對象的數(shù)據(jù)塊和對象的長度。而在傳統(tǒng)的NAS系統(tǒng)中，這些元數(shù)據(jù)是由文件服務器維護的，對象存儲架構(gòu)將系統(tǒng)中主要的元數(shù)據(jù)管理工作由OSD來完成，降低了Client的開銷。

3、元數(shù)據(jù)服務器(Metadata Server，MDS)

MDS控制Client與OSD對象的交互，主要提供以下幾個功能：

(1) 對象存儲訪問。MDS構(gòu)造、管理描述每個文件分布的視圖，允許Client直接訪問對象。MDS為Client提供訪問該文件所含對象的能力，OSD在接收到每個請求時將先驗證該能力，然后才可以訪問。

(2) 文件和目錄訪問管理。MDS在存儲系統(tǒng)上構(gòu)建一個文件結(jié)構(gòu)，包括限額控制、目錄和文件的創(chuàng)建和刪除、訪問控制等。

(3) Client Cache一致性。為了提高Client性能，在對象存儲文件系統(tǒng)設計時通常支持Client方的Cache。由于引入Client方的Cache，帶來了Cache一致性問題，MDS支持基于Client的文件Cache，當Cache的文件發(fā)生改變時，將通知Client刷新Cache，從而防止Cache不一致引發(fā)的問題。

4、對象存儲文件系統(tǒng)的Client

為了有效支持Client支持訪問OSD上的對象，需要在計算結(jié)點實現(xiàn)對象存儲文件系統(tǒng)的Client，通常提供POSIX文件系統(tǒng)接口，允許應用程序像執(zhí)行標準的文件系統(tǒng)操作一樣。

2.2 對象存儲文件系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

1、分布元數(shù)據(jù)傳統(tǒng)的存儲結(jié)構(gòu)元數(shù)據(jù)服務器通常提供兩個主要功能。(1)為計算結(jié)點提供一個存儲數(shù)據(jù)的邏輯視圖(Virtual File System，VFS層)，文件名列表及目錄結(jié)構(gòu)。(2)組織物理存儲介質(zhì)的數(shù)據(jù)分布(inode層)。對象存儲結(jié)構(gòu)將存儲數(shù)據(jù)的邏輯視圖與物理視圖分開，并將負載分布，避免元數(shù)據(jù)服務器引起的瓶頸(如NAS系統(tǒng))。元數(shù)據(jù)的VFS部分通常是元數(shù)據(jù)服務器的10%的負載，剩下的90%工作(inode部分)是在存儲介質(zhì)塊的數(shù)據(jù)物理分布上完成的。在對象存儲結(jié)構(gòu)，inode工作分布到每個智能化的OSD，每個OSD負責管理數(shù)據(jù)分布和檢索，這樣90%的元數(shù)據(jù)管理工作分布到智能的存儲設備，從而提高了系統(tǒng)元數(shù)據(jù)管理的性能。另外，分布的元數(shù)據(jù)管理，在增加更多的OSD到系統(tǒng)中時，可以同時增加元數(shù)據(jù)的性能和系統(tǒng)存儲容量。[!--empirenews.page--]

2、并發(fā)數(shù)據(jù)訪問對象存儲體系結(jié)構(gòu)定義了一個新的、更加智能化的磁盤接口OSD。OSD是與網(wǎng)絡連接的設備，它自身包含存儲介質(zhì)，如磁盤或磁帶，并具有足夠的智能可以管理本地存儲的數(shù)據(jù)。計算結(jié)點直接與OSD通信，訪問它存儲的數(shù)據(jù)，由于OSD具有智能，因此不需要文件服務器的介入。如果將文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分布在多個OSD上，則聚合I/O速率和數(shù)據(jù)吞吐率將線性增長，對絕大多數(shù)Linux集群應用來說，持續(xù)的I/O聚合帶寬和吞吐率對較多數(shù)目的計算結(jié)點是非常重要的。對象存儲結(jié)構(gòu)提供的性能是目前其它存儲結(jié)構(gòu)難以達到的，如ActiveScale對象存儲文件系統(tǒng)的帶寬可以達到10GB/s。

2.3 Lustre對象存儲文件系統(tǒng)

Lustre對象存儲文件系統(tǒng)就是由客戶端(client)、存儲服務器(OST，Object Storage Target)和元數(shù)據(jù)服務器(MDS)三個主要部分組成。Lustre的客戶端運行Lustre文件系統(tǒng)，它和OST進行文件數(shù)據(jù)I/O的交互，和MDS進行命名空間操作的交互。為了提高Lustre文件系統(tǒng)的性能，通常Client、OST和MDS是分離，當然這些子系統(tǒng)也可以運行在同一個系統(tǒng)中。其三個主要部分如圖1所示。

圖1 Lustre文件系統(tǒng)的組成

Lustre是一個透明的全局文件系統(tǒng)，客戶端可以透明地訪問集群文件系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，而無需知道這些數(shù)據(jù)的實際存儲位置。客戶端通過網(wǎng)絡讀取服務器上的數(shù)據(jù)，存儲服務器負責實際文件系統(tǒng)的讀寫操作以及存儲設備的連接，元數(shù)據(jù)服務器負責文件系統(tǒng)目錄結(jié)構(gòu)、文件權(quán)限和文件的擴展屬性以及維護整個文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)一致性和響應客戶端的請求。 Lustre把文件當作由元數(shù)據(jù)服務器定位的對象，元數(shù)據(jù)服務器指導實際的文件I/O請求到存儲服務器，存儲服務器管理在基于對象的磁盤組上的物理存儲。由于采用元數(shù)據(jù)和存儲數(shù)據(jù)相分離的技術(shù)，可以充分分離計算和存儲資源，使得客戶端計算機可以專注于用戶和應用程序的請求;存儲服務器和元數(shù)據(jù)服務器專注于讀、傳輸和寫數(shù)據(jù)。存儲服務器端的數(shù)據(jù)備份和存儲配置以及存儲服務器擴充等操作不會影響到客戶端，存儲服務器和元數(shù)據(jù)服務器均不會成為性能瓶頸。

Lustre的全局命名空間為文件系統(tǒng)的所有客戶端提供了一個有效的全局唯一的目錄樹，并將數(shù)據(jù)條塊化，再把數(shù)據(jù)分配到各個存儲服務器上，提供了比傳統(tǒng)SAN的"塊共享"更為靈活的共享訪問方式。全局目錄樹消除了在客戶端的配置信息，并且在配置信息更新時仍然保持有效。

三、測試和結(jié)論

1、Lustre iozone測試

針對對象存儲文件系統(tǒng)，我們對Lustre文件系統(tǒng)作了初步測試，具體配置如下：

3臺雙至強系統(tǒng)：CPU：1.7GHz，內(nèi)存：1GB，千兆位以太網(wǎng)

Lustre文件系統(tǒng)：lustre-1.0.2

Linux版本：RedHat 8

測試程序：iozone

測試結(jié)果如下：

塊寫(MB/s/thread) 單線程 兩個線程

Lustre 1個OST 2個OST 1個OST 2個OST

21.7 50 12.8 24.8

NFS 12 5.8

從以上的測試表明，單一OST的寫帶寬比NFS好，2個OST的擴展性很好，顯示strip的效果，兩個線程的聚合帶寬基本等于飽和帶寬，但lustre客戶方的CPU利用率非常高(90%以上)，測試系統(tǒng)的規(guī)模(三個節(jié)點)受限，所以沒有向上擴展OST和client數(shù)量。另外，lustre的cache對文件寫的性能提升比NFS好。通過bonnie++初步測試了lustre的元數(shù)據(jù)處理能力，和NFS比，文件創(chuàng)建速度相對快一些，readdir速度慢。

2、lustre小規(guī)模測試數(shù)據(jù)(文件寫測試，單位KB/s)：

硬件：Dual Xeon1.7,GigE, SCSI Ultra160 軟件：RedHat8，iozone

圖2 2個OST / 1個MDS

圖3 1個OST/1個MDS

圖4 NFS測試

從初步的測試看，lustre的性能和可擴展性都不錯。與傳統(tǒng)的文件系統(tǒng)相比，對象存儲文件系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：

(1)性能。對象存儲體系結(jié)構(gòu)沒有其它共享存儲系統(tǒng)中的元數(shù)據(jù)管理器瓶頸。NAS系統(tǒng)使用一個集中的文件服務器作為元數(shù)據(jù)管理器，一些SAN文件系統(tǒng)則采用集中的鎖管理器，最后元數(shù)據(jù)管理將成為一個瓶頸。對象存儲體系結(jié)構(gòu)類似于SAN，每個結(jié)點都可以直接訪問它的存儲設備。對象存儲體系結(jié)構(gòu)對SAN的改進是沒有RAID控制器的瓶頸問題，當計算結(jié)點的規(guī)模增大時，該優(yōu)勢將非常明顯，所有結(jié)點的總吞吐率最后將受限于存儲系統(tǒng)的規(guī)模和網(wǎng)絡的性能。存儲對象結(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)到OSD，OSD自動優(yōu)化數(shù)據(jù)的分布，這樣減少了計算結(jié)點的負擔，并允許向多個OSD并行讀寫，最大化單個Client的吞吐率。

(2)可擴展性。將負載分布到多個智能的OSD，并用網(wǎng)絡和軟件將它們有機結(jié)合起來，消除了可擴展問題。一個對象存儲系統(tǒng)有內(nèi)存、處理器、磁盤系統(tǒng)等，允許它們增加其存儲處理能力而與系統(tǒng)其它部分無關(guān)。如果對象存儲系統(tǒng)沒有足夠的存儲處理能力，可以增加OSD，確保線性增加性能。

(3)OSD分擔主要的元數(shù)據(jù)服務任務。元數(shù)據(jù)管理能力通常是共享存儲系統(tǒng)的瓶頸，所有計算結(jié)點和存儲結(jié)點都需要訪問它。在對象存儲結(jié)構(gòu)中，元數(shù)據(jù)服務有兩部分組成：inode元數(shù)據(jù)，管理介質(zhì)上的存儲塊分布;文件元數(shù)據(jù)，管理文件系統(tǒng)的文件層次結(jié)構(gòu)和目錄。對象存儲結(jié)構(gòu)增加了元數(shù)據(jù)訪問的可擴展，OSD負責自己的inode元數(shù)據(jù)，增加一個OSD可以增加磁盤容量，并可以增加元數(shù)據(jù)管理資源。而傳統(tǒng)的NAS服務器增加更多的磁盤，則性能將更慢。對象存儲系統(tǒng)在容量擴展時，確保持續(xù)的吞吐率。

(4)易管理。智能化的分布對象存儲結(jié)構(gòu)可以簡化存儲管理任務，可以簡化數(shù)據(jù)優(yōu)化分布的任務。例如，新增存儲容量可以自動合并到存儲系統(tǒng)中，因為OSD可以接受來自計算結(jié)點發(fā)出的對象請求。系統(tǒng)管理員不需要創(chuàng)建LUN，不需要重新調(diào)整分區(qū)，不需要重新平衡邏輯卷，不需要更新文件服務器等。RAID塊可自動擴展到新的對象，充分利用新增的OSD。[!--empirenews.page--]

(5)安全。傳統(tǒng)的存儲系統(tǒng)通常依賴于Client的身份認證和私有的網(wǎng)絡確保系統(tǒng)安全。對象存儲結(jié)構(gòu)在每個級別都提供安全功能，主要包括存儲設備的身份認證，計算結(jié)點的身份認證，計算結(jié)點命令的身份認證，所有命令的完整性檢查，基于IPSec的私有數(shù)據(jù)和命令等。這些安全級別可以確保用戶使用更高效、更易獲得的網(wǎng)絡，如以太網(wǎng)等。目前panasas已經(jīng)推出了商業(yè)化的對象存儲全局文件系統(tǒng)ActiveScale，對象存儲正在被重視，Lustre也已經(jīng)在(ALC、MCR)或?qū)?RedStorm)在多個大規(guī)模集群上應用，因而對象存儲文件系統(tǒng)將成為未來集群存儲的重要發(fā)展方向。