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(luò)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(luò)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)DD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(luò)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(yīng)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(wù)器聚合訪問的需求。目前，網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(luò)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(yīng)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(yīng)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(xué)的Coda項目研究工作，2003年12月發(fā)布了Lustre 1.0版，預(yù)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(yīng)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(xué)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(shè)備(Object-based Storage Device，OSD)構(gòu)建存儲系統(tǒng)，每個對象存儲設(shè)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(wù)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(shè)備中，所有對象都有一個對象標(biāo)識，通過對象標(biāo)識OSD命令訪問該對象。通常有多種類型的對象，存儲設(shè)備上的根對象標(biāo)識存儲設(shè)備和該設(shè)備的各種屬性，組對象是存儲設(shè)備上共享資源管理策略的對象集合等。

2、對象存儲設(shè)備

對象存儲設(shè)備具有一定的智能，它有自己的CPU、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(yù)取。由于OSD可以智能地支持對象的預(yù)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(wù)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(wù)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(shè)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(dāng)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(yīng)用程序像執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)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(wù)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(wù)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(wù)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(zé)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(shè)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。