隨著信息化程度的不斷提高，全球數(shù)據(jù)日益膨脹。面對當(dāng)前PB級的海量數(shù)據(jù)存儲需求，傳統(tǒng)的存儲系統(tǒng)在容量和性能的擴(kuò)展上存在瓶頸。云存儲以其擴(kuò)展性強(qiáng)、性價(jià)比高、容錯性好等優(yōu)勢得到了業(yè)界的廣泛認(rèn)同。由于其前瞻性，眾多企業(yè)都將其作為進(jìn)軍云計(jì)算的第一步。分布式文件系統(tǒng)和分布式塊存儲作為云存儲中重要的技術(shù)，成為奠定云存儲發(fā)展的重要基石。
對于大多數(shù)專注于云計(jì)算本身的IT技術(shù)人員來說，對分布式文件系統(tǒng)和分布式塊存儲未必有深入的了解。為此，UCan下午茶-武漢站，我們邀請了分布式文件系統(tǒng)、分布式塊存儲以及云存儲相關(guān)的技術(shù)專家，一起聊聊分布式存儲的那些事兒。
分布式文件系統(tǒng)產(chǎn)品架構(gòu)解析
UCloud 鄧瑾
分布式存儲產(chǎn)品在各類產(chǎn)品業(yè)務(wù)中是必不可少的基礎(chǔ)設(shè)施，了解存儲產(chǎn)品的設(shè)計(jì)思路及使用場景，可以讓用戶更好地基于存儲產(chǎn)品構(gòu)建自己的業(yè)務(wù)邏輯。來自UCloud 文件存儲研發(fā)工程師鄧瑾，圍繞UCloud分布式文件系統(tǒng)UFS的設(shè)計(jì)理念和開發(fā)實(shí)踐，分享了如何解決業(yè)務(wù)多樣性對存儲產(chǎn)品的要求、如何解決前一代產(chǎn)品中遇到的局限性以及如何避免同類的開源產(chǎn)品的瓶頸等難題。
鄧瑾認(rèn)為，分布式文件系統(tǒng)是傳統(tǒng)文件系統(tǒng)的延伸，用戶可以通過分布式技術(shù)手段和公有云規(guī)模效應(yīng)，獲取傳統(tǒng)文件系統(tǒng)所沒有的存儲能力：1）scale out: 容量和性能的線性/近線性提升；2）fault tolerant: 屏蔽硬件故障，提升數(shù)據(jù)可靠性與系統(tǒng)可用性；3）lower TCO & pay-as-you-go: 這是云計(jì)算產(chǎn)品所獨(dú)有的特性，它能夠給應(yīng)用層的用戶提供一些比較低的TCO。
UFS（UCloud File System）是UCloud完全自主研發(fā)、面向公有云業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)的高可用/高可靠文件存儲服務(wù)。設(shè)計(jì)之初，研發(fā)團(tuán)隊(duì)主要是利用開源軟件GlusterFS快速在公有云環(huán)境中進(jìn)行產(chǎn)品原型驗(yàn)證，但在運(yùn)營過程中發(fā)現(xiàn)，GlusterFS在多租戶的公有云環(huán)境中有較多的痛點(diǎn)和難點(diǎn)，如規(guī)模拓展性具有瓶頸(peering開銷大)，節(jié)點(diǎn)數(shù)量受限；無法進(jìn)行多集群的管理與灰度管理；索引操作容易引起高IO從而影響數(shù)據(jù)操作性能，小文件訪問和大目錄操作性能極差等等，基于這些問題，UCloud最終決定進(jìn)行自研產(chǎn)品的設(shè)計(jì)改進(jìn)。
根據(jù)開源方案運(yùn)營的痛點(diǎn)，UCloud首先將索引和數(shù)據(jù)分離，自定義的索引結(jié)構(gòu)和語義，便于后續(xù)拓展非 NFS 協(xié)議；然后獨(dú)立設(shè)計(jì)的存儲服務(wù)，支持 set 管理、灰度等策略；此外，設(shè)計(jì)支持百萬級大目錄和TB+文件大小并支持QoS，對多租戶場景下的用戶訪問進(jìn)行隔離；最后，通過數(shù)據(jù)加密與切片策略，保證數(shù)據(jù)的安全性。下圖為UFS 1.0 的方案架構(gòu)。
通常，一個成熟的架構(gòu)需要經(jīng)歷發(fā)現(xiàn)問題->改造實(shí)踐->發(fā)現(xiàn)新問題->再改造升級的過程，通過這種不斷的迭代升級，最后趨于穩(wěn)定，UFS架構(gòu)亦如是。在運(yùn)營過程中，UCloud存儲研發(fā)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)UFS 1.0方案仍然一些局限性，如存儲模型比較適合小分片場景，不夠通用；固定的底層存儲分片造成了一定的空間浪費(fèi)；存儲層支持的文件尺度較?。粚﹄S機(jī)寫的支持不夠等等。因此，團(tuán)隊(duì)在UFS 1.0的基礎(chǔ)上進(jìn)行了新一輪架構(gòu)升級。
新架構(gòu)對存儲層做了優(yōu)化，采用了append-only 模型，如下圖，Stream代表一個文件流，可在尾部追加；Extent是stream中的數(shù)據(jù)分片，分片大小不固定，每個extent 以文件的形式落地。在數(shù)據(jù)層，由streamsvr負(fù)責(zé)維護(hù)stream和extent的索引/路由信息，extentsvr維護(hù)extent內(nèi)的block索引信息，提供直連客戶端的讀寫請求。
插件式的引擎設(shè)計(jì)，可以降低寫入毛刺，并充分利用內(nèi)存buffer降低讀毛刺。此外，為了解決底層存儲引擎隨機(jī)寫不友好的問題，系統(tǒng)采用了FileLayer設(shè)計(jì)，對熱點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，降低存儲壓力。
分布式存儲中的數(shù)據(jù)分布算法
奧思數(shù)據(jù) 李明宇
數(shù)據(jù)分布算法是分布式存儲的核心技術(shù)之一，不僅僅要考慮到數(shù)據(jù)分布的均勻性、尋址的效率，還要考慮擴(kuò)充和減少容量時數(shù)據(jù)遷移的開銷，兼顧副本的一致性和可用性。奧思數(shù)據(jù)創(chuàng)始人兼CTO 李明宇現(xiàn)場分析了幾種典型的數(shù)據(jù)分布算法的優(yōu)缺點(diǎn)，并分享了具體實(shí)現(xiàn)中會遇到的一些問題。
一致性哈希算法因其不需要查表或通信過程即可定位數(shù)據(jù)，計(jì)算復(fù)雜度不隨數(shù)據(jù)量增長而改變，且效率高、均勻性好、增加/減少節(jié)點(diǎn)時數(shù)據(jù)遷移量小等特性受到開發(fā)者喜愛。但具體到實(shí)際應(yīng)用中，這種算法也因其自身局限性遇到了諸多挑戰(zhàn)，如在“存儲區(qū)塊鏈”場景下，幾乎不可能獲取全局視圖，甚至沒有一刻是穩(wěn)定的；企業(yè)級IT場景下，存在多副本可靠存儲問題，數(shù)據(jù)遷移開銷巨大。
所謂存儲區(qū)塊鏈，可以理解為分布式存儲（p2p存儲） + 區(qū)塊鏈，它通過token激勵，鼓勵大家貢獻(xiàn)存儲資源，參與構(gòu)建一個全世界范圍的分布式存儲系統(tǒng)。因?yàn)樾枰畲罅坑脩糇园l(fā)參與，因此會涉及上億甚至幾十億節(jié)點(diǎn)的尋址和路由問題，目前業(yè)界主要的解決方案主要有Chord、Kademlia等。不過，Chord算法效率較低，會產(chǎn)生較高延遲，可以采用Finger table，除了記錄當(dāng)前節(jié)點(diǎn)以及下一節(jié)點(diǎn)位置，同時還記錄當(dāng)前節(jié)點(diǎn)2^i+1的位置，降低計(jì)算復(fù)雜度，最終降低延遲。
企業(yè)級IT場景下，數(shù)據(jù)分布算法包括Dynamo、Ceph的CRUSH、Gluster的Elastic Hashing以及Swift的Ring等。這些算法都有相似的特點(diǎn)，首先它們都是基于/借鑒一致性哈希，增加/減少節(jié)點(diǎn)時數(shù)據(jù)遷移量小。其次，引入對數(shù)據(jù)中心物理拓?fù)涞慕＃–luster Map），數(shù)據(jù)多副本 / EC分片跨故障域 / 可用區(qū)分布。另外，這些算法還可以對節(jié)點(diǎn)劃分權(quán)重，數(shù)據(jù)分布和容量/性能匹配，輔助擴(kuò)容。
總體來說，這兩類方案均是基于一致性哈希算法實(shí)現(xiàn)，只是因?yàn)樾枨蟛煌庞辛瞬煌母倪M(jìn)方向。企業(yè)級更注重副本故障域的分布；而對于P2P存儲，則更注重在節(jié)點(diǎn)隨時退出隨時加入的情況下，保證數(shù)據(jù)能夠在有效時間內(nèi)尋址。
云硬盤架構(gòu)升級和性能提升
UCloud 葉恒
云硬盤作為云計(jì)算的基礎(chǔ)存儲產(chǎn)品，為云服務(wù)器提供了高可用、高可靠、持久化的數(shù)據(jù)塊級隨機(jī)存儲。云盤的性能和數(shù)據(jù)可靠性尤為重要，UCloud根據(jù)過去運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，在過去一年里重新設(shè)計(jì)了云盤的底層架構(gòu)，提升了普通云盤的性能，并支持了NVME高性能存儲。UCloud塊存儲研發(fā)工程師葉恒，著重講解了UCloud云硬盤的架構(gòu)升級和性能提升實(shí)踐。
通過對現(xiàn)階段問題和需求的分析，UCloud存儲研發(fā)團(tuán)隊(duì)首先整理了架構(gòu)升級的目標(biāo)：1）解決原有軟件架構(gòu)不能充分發(fā)揮硬件能力的局限；2）支持SSD云盤，提供QoS保證，充分發(fā)揮后端NVME物理盤的IOPS和帶寬性能，單個云盤IOPS可達(dá)2.4W；3）支持更大容量云盤，32T甚至更大；4）充分降低IO流量的熱點(diǎn)問題；5）支持并發(fā)創(chuàng)建幾千塊云盤，支持并發(fā)掛載幾千塊云盤；6）支持老架構(gòu)云盤在線向新架構(gòu)遷移，支持普通云盤在線遷移至SSD云盤。
根據(jù)上述目標(biāo)，UCloud定制了IO路徑優(yōu)化、元數(shù)據(jù)分片、線程模型設(shè)計(jì)、防過載策略、在線遷移五大改造方向。
IO路徑優(yōu)化：老架構(gòu)中，整個IO路徑有三大層，第一層宿主Client側(cè)，第二層Proxy側(cè)，第三層存儲Chunk層。為了降低延時，優(yōu)化后的方案將 Proxy 的功能拆分，將路由獲取交給了Client，IO讀寫Client可直接訪問存儲Chunk層。整個IO路徑就變成了2層，對于讀 IO 而言，一次網(wǎng)絡(luò)請求可直達(dá)后端存儲節(jié)點(diǎn)，其時延平均可降低 0.2-1ms。
元數(shù)據(jù)分片：老架構(gòu)中，UCloud 支持的分片大小是 1G。但在特殊場景下（如業(yè)務(wù) IO 熱點(diǎn)局限在較小范圍內(nèi)），1G 分片會使普通 SATA 磁盤的性能非常差。新架構(gòu)中，UCloud 將元數(shù)據(jù)分片調(diào)小，支持 1M 大小的數(shù)據(jù)分片。并采用以一套統(tǒng)一規(guī)則計(jì)算獲取路由的方案，節(jié)省IO路徑消耗，保證1M分片下，元數(shù)據(jù)的分配和掛載暢通無阻。
線程模型設(shè)計(jì)：傳統(tǒng)架構(gòu)采用單線程傳輸，單個線程寫 IOPS 達(dá) 6W，讀 IOPS 達(dá) 8W，難以支持后端 NVME 硬盤幾十萬的 IOPS 以及 1-2GB 的帶寬。為了利用 NVME 磁盤的性能，UCloud采用了多線程傳輸模型，并通過IO路徑、路由獲取等軟件細(xì)節(jié)的優(yōu)化，減少CPU消耗。
防過載策略：多線程并行工作壓測時，UCloud模擬了熱點(diǎn)集中在某個線程上的場景，發(fā)現(xiàn)該線程CPU基本處于99%-100%滿載狀態(tài)，而其它線程則處于空閑狀態(tài)。為了解決這個問題，存儲團(tuán)隊(duì)采用定期上報(bào)線程CPU以及磁盤負(fù)載狀態(tài)的方式，當(dāng)滿足某線程持續(xù)繁忙而有線程持續(xù)空閑時，選取部分磁盤分片的IO切換至空閑線程，來規(guī)避部分線程過載。
在線遷移：老架構(gòu)普通云盤性能較差，部分普通云盤用戶業(yè)務(wù)發(fā)展較快，希望從普通云盤遷移至SSD云盤，滿足更高的業(yè)務(wù)發(fā)展需要。面對用戶訴求，UCloud采用從系統(tǒng)外圍支持在線遷移的方式，快速達(dá)到在線遷移的目的。
據(jù)了解，SSD云盤相比普通云盤，IOPS提升了13倍，穩(wěn)定性提升了3倍，平均時延降低了10倍。新架構(gòu)推出后，已服務(wù)了現(xiàn)網(wǎng)用戶的3400多個云盤實(shí)例，總存儲容量達(dá)800TB，集群每秒IOPS均值31萬。
基于CephFS的改進(jìn)及優(yōu)化
深信服科技 盧波
據(jù)IDC的調(diào)查報(bào)告顯示，企業(yè)中80%的數(shù)據(jù)都是非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)每年都按指數(shù)增長60%。分布式文件存儲以其靈活擴(kuò)展、快速部署等特點(diǎn)越來越受到政府、教育、醫(yī)療等行業(yè)用戶的青睞。隨著OpenStack技術(shù)的發(fā)展，Ceph成為了分布式存儲的明星，來自深信服科技的存儲研發(fā)專家盧波結(jié)合深信服研發(fā)的分布式存儲系統(tǒng)EDS，分享了深信服針對Ceph的文件存儲所做的一些改進(jìn)及優(yōu)化，以及未來的一些思考。
Ceph 是一個分層的架構(gòu)，底層是基于 CRush（哈希）的分布式對象存儲---Rados，上層提供對象存儲（RadosGW）、塊存儲（RDB）和文件系統(tǒng)（CephFS）三種訪問方式。其中，CephFS 始于 Sage Weil 的博士論文研究，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)分布式的元數(shù)據(jù)管理以支持 EB 級別數(shù)據(jù)規(guī)模。下圖為CephFS的整體結(jié)構(gòu)。
ceph-mds: 緩存文件系統(tǒng)元數(shù)據(jù)，并將元數(shù)據(jù)持久化到rados中，自身運(yùn)行在rados之上，本身并不存儲數(shù)據(jù)。
open：客戶端從MDS獲取文件元數(shù)據(jù)
write：客戶端直接通過rados進(jìn)行數(shù)據(jù)寫入操作
所有數(shù)據(jù)的操作時均通過客戶端直接訪問raods，多客戶端的數(shù)據(jù)訪問操作時依靠OSD來控制，元數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)可以在不同的存儲池中?？梢钥吹?，CephFS是一個分布式系統(tǒng)，需要跨網(wǎng)絡(luò)訪問，因此在實(shí)際使用中，其IO路徑較長，導(dǎo)致延時較高，性能受限。為了解決此問題，深信服科技基于此架構(gòu)進(jìn)行了系列改進(jìn)。
全局緩存：緩存是整系統(tǒng)全局共享的，即只要緩存在任意一個節(jié)點(diǎn)上的文件分條數(shù)據(jù)，其它任意節(jié)點(diǎn)再次收到該數(shù)據(jù)的訪問請求后都可以從一級緩存中命中該數(shù)據(jù)。通過全局緩存，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)合并，利用K-V存儲的高吞吐，從而大大提高系統(tǒng)整體性能。
FusionStorage：FusionStorage塊存儲根據(jù)業(yè)務(wù)不同的IO大小，智能地對不同大小的IO采取不同的處理方式。對于小塊IO，F(xiàn)usionStorage塊存儲采用多副本的方式寫入分布式EC Cache中，并在Cache中做條帶聚合；而對于大塊IO，則繞過分布式EC Cache，直接提交EC寫入后端硬盤。由于大塊IO直接下盤，系統(tǒng)可以釋放原來大塊IO占用的寶貴的Cache資源，緩存更多的隨機(jī)小塊I/O，間接的提高了隨機(jī)小塊I/O的Cache命中率，提升系統(tǒng)隨機(jī)小IO的性能。而HDD在寫入大塊順序IO時，寫性能差距相比SSD并沒有那么明顯，加上多塊HDD并發(fā)處理，在大塊順序IO的場景下系統(tǒng)也能獲得很好的寫入帶寬，兼顧了系統(tǒng)的整體性能。
