解析Linux新技术对象存储文件系统

　　随着高性能计算由传统的主机方式向网络化集群演变，传统的基于主机的存储架构已逐渐向网络化存储发展，计算和存储分离的趋势越来越明显。

　　针对 SAN 和 NAS 的不足，国际上已开展针对 Linux 集群的新型文件系统――对象存储文件系统的研究，本文重点论述了存储对象文件系统的架构、技术特点，并针对Lustre 对象存储文件系统进行了初步测试，结果表明对象存储文件系统在可扩展性、性能、易用性等方面都有显著提高，随着网络化存储技术的不断成熟，对象存储文件系统将成为重要的发展方向。
　　一、引言

　　高性能计算已由传统的主机方式逐渐向集群方式演变，如TOP500中，1998年只有2台系统是集群方式，而到2003年已有208台为集群系统。随着高性能计算体系结构的发展变化，传统的基于主机的存储架构已成为新的瓶颈，不能满足集群系统的需求。集群的存储系统必须有效解决两个主要问题：（1）提供共享访问数据，便于集群应用程序的编写和存储的负载均衡；（2）提供高性能的存储，在I/O级和数据吞吐率方面能满足成百上千台规模的Linux集群服务器聚合访问的需求。目前，网络化存储已成为解决集群系统高性能存储的有效技术途径。

　　国际上主要有两类网络化存储架构，它们是通过命令集来区分的。第一类是SAN（Storage Area Network）结构，它采用SCSI 块I/O的命令集，通过在磁盘或FC（Fiber Channel）级的数据访问提供高性能的随机I/O和数据吞吐率，它具有高带宽、低延迟的优势，在高性能计算中占有一席之地，如SGI的CXFS文件系统就是基于SAN实现高性能文件存储的，但是由于SAN系统的价格较高，且可扩展性较差，已不能满足成千上万个CPU规模的系统。第二类是NAS（Network Attached Storage）结构，它采用NFS或CIFS命令集访问数据，以文件为传输协议，通过TCP/IP实现网络化存储，可扩展性好、价格便宜、用户易管理，如目前在集群计算中应用较多的NFS文件系统，但由于NAS的协议开销高、带宽低、延迟大，不利于在高性能集群中应用。

　　针对Linux集群对存储系统高性能和数据共享的需求，国外已开始研究全新的存储架构和新型文件系统，希望能有效结合SAN和NAS系统的优点，支持直接访问磁盘以提高性能，通过共享的文件和元数据以简化管理，目前对象存储文件系统已成为Linux集群系统高性能文件系统的研究热点，如Cluster File Systems公司的Lustre、Panasas公司的ActiveScale文件系统等。Lustre文件系统采用基于对象存储技术，它来源于卡耐基梅隆大学的Coda项目研究工作，2003年12月发布了Lustre 1.0版，预计在2005年将发布2.0版。Lustre在美国能源部(U.S.Department of Energy：DOE)、Lawrence Livermore 国家实验室，Los Alamos国家实验室，Sandia 国家实验室，Pacific Northwest国家实验室的高性能计算系统中已得到了初步的应用，IBM正在研制的Blue Gene系统也将采用Lustre文件系统实现其高性能存储。ActiveScale文件系统技术来源于卡耐基梅隆大学的Dr. Garth Gibson，最早是由DARPA支持的NASD（Network Attached Secure Disks）项目，目前已是业界比较有影响力的对象存储文件系统，荣获了ComputerWorld 2004年创新技术奖。

　　二、对象存储文件系统

　　2.1 对象存储文件系统架构,

　　对象存储文件系统的核心是将数据通路（数据读或写）和控制通路（元数据）分离，并且基于对象存储设备（Object-based Storage Device，OSD）构建存储系统，每个对象存储设备具有一定的智能，能够自动管理其上的数据分布，对象存储文件系统通常有以下几部分组成。

　　1、对象

　　对象是系统中数据存储的基本单位，一个对象实际上就是文件的数据和一组属性的组合，这些属性可以定义基于文件的RAID参数、数据分布和服务质量等，而传统的存储系统中用文件或块作为基本的存储单位，在块存储系统中还需要始终追踪系统中每个块的属性，对象通过与存储系统通信维护自己的属性。在存储设备中，所有对象都有一个对象标识，通过对象标识OSD命令访问该对象。通常有多种类型的对象，存储设备上的根对象标识存储设备和该设备的各种属性，组对象是存储设备上共享资源管理策略的对象集合等。

　　2、对象存储设备

　　对象存储设备具有一定的智能，它有自己的CPU、内存、网络和磁盘系统，目前国际上通常采用刀片式结构实现对象存储设备。OSD提供三个主要功能：

　　（1） 数据存储。OSD管理对象数据，并将它们放置在标准的磁盘系统上，OSD不提供块接口访问方式，Client请求数据时用对象ID、偏移进行数据读写。

　　（2） 智能分布。OSD用其自身的CPU和内存优化数据分布，并支持数据的预取。由于OSD可以智能地支持对象的预取，从而可以优化磁盘的性能。

　　（3） 每个对象元数据的管理。OSD管理存储在其上对象的元数据，该元数据与传统的inode元数据相似，通常包括对象的数据块和对象的长度。而在传统的NAS系统中，这些元数据是由文件服务器维护的，对象存储架构将系统中主要的元数据管理工作由OSD来完成，降低了Client的开销。

　　3、元数据服务器（Metadata Server，MDS）

　　MDS控制Client与OSD对象的交互，主要提供以下几个功能：

　　（1） 对象存储访问。MDS构造、管理描述每个文件分布的视图，允许Client直接访问对象。MDS为Client提供访问该文件所含对象的能力，OSD在接收到每个请求时将先验证该能力，然后才可以访问。

　　（2） 文件和目录访问管理。MDS在存储系统上构建一个文件结构，包括限额控制、目录和文件的创建和删除、访问控制等。

　　（3） Client Cache一致性。为了提高Client性能，在对象存储文件系统设计时通常支持Client方的Cache。由于引入Client方的Cache，带来了Cache一致性问题，MDS支持基于Client的文件Cache，当Cache的文件发生改变时，将通知Client刷新Cache，从而防止Cache不一致引发的问题。

　　4、对象存储文件系统的Client

　　为了有效支持Client支持访问OSD上的对象，需要在计算结点实现对象存储文件系统的Client，通常提供POSIX文件系统接口，允许应用程序像执行标准的文件系统操作一样。

　　2.2 对象存储文件系统的关键技术

　　1、分布元数据传统的存储结构元数据服务器通常提供两个主要功能。（1）为计算结点提供一个存储数据的逻辑视图（Virtual File System，VFS层），文件名列表及目录结构。（2）组织物理存储介质的数据分布（inode层）。对象存储结构将存储数据的逻辑视图与物理视图分开，并将负载分布，避免元数据服务器引起的瓶颈（如NAS系统）。元数据的VFS部分通常是元数据服务器的10％的负载，剩下的90％工作（inode部分）是在存储介质块的数据物理分布上完成的。在对象存储结构，inode工作分布到每个智能化的OSD，每个OSD负责管理数据分布和检索，这样90%的元数据管理工作分布到智能的存储设备，从而提高了系统元数据管理的性能。另外，分布的元数据管理，在增加更多的OSD到系统中时，可以同时增加元数据的性能和系统存储容量。

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