Linux新技術(shù)對象存儲文件系統(tǒng)

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(luò)連接的設(shè)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(wù)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(yīng)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(dá)到的，如ActiveScale對象存儲文件系統(tǒng)的帶寬可以達(dá)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(wù)器(OST，Object Storage Target)和元數(shù)據(jù)服務(wù)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(dāng)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。

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(luò)讀取服務(wù)器上的數(shù)據(jù)，存儲服務(wù)器負(fù)責(zé)實際文件系統(tǒng)的讀寫操作以及存儲設(shè)備的連接，元數(shù)據(jù)服務(wù)器負(fù)責(zé)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(yīng)客戶端的請求。 Lustre把文件當(dāng)作由元數(shù)據(jù)服務(wù)器定位的對象，元數(shù)據(jù)服務(wù)器指導(dǎo)實際的文件I/O請求到存儲服務(wù)器，存儲服務(wù)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(yīng)用程序的請求;存儲服務(wù)器和元數(shù)據(jù)服務(wù)器專注于讀、傳輸和寫數(shù)據(jù)。存儲服務(wù)器端的數(shù)據(jù)備份和存儲配置以及存儲服務(wù)器擴充等操作不會影響到客戶端，存儲服務(wù)器和元數(shù)據(jù)服務(wù)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(wù)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

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(wù)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(shè)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(dāng)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(luò)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(fù)擔(dān)，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(fù)載分布到多個智能的OSD，并用網(wǎng)絡(luò)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(dān)主要的元數(shù)據(jù)服務(wù)任務(wù)。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(wù)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(fù)責(zé)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(wù)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(wù)，可以簡化數(shù)據(jù)優(yōu)化分布的任務(wù)。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(wù)器等。RAID塊可自動擴展到新的對象，充分利用新增的OSD。

(5)安全。傳統(tǒng)的存儲系統(tǒng)通常依賴于Client的身份認(rèn)證和私有的網(wǎng)絡(luò)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(shè)備的身份認(rèn)證，計算結(jié)點的身份認(rèn)證，計算結(jié)點命令的身份認(rèn)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(luò)，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(yīng)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。