解析Linux新技术对象存储文件系统

2、并发数据访问对象存储体系结构定义了一个新的、更加智能化的磁盘接口OSD。OSD是与网络连接的设备，它自身包含存储介质，如磁盘或磁带，并具有足够的智能可以管理本地存储的数据。计算结点直接与OSD通信，访问它存储的数据，由于OSD具有智能，因此不需要文件服务器的介入。如果将文件系统的数据分布在多个OSD上，则聚合I/O速率和数据吞吐率将线性增长，对绝大多数Linux集群应用来说，持续的I/O聚合带宽和吞吐率对较多数目的计算结点是非常重要的。对象存储结构提供的性能是目前其它存储结构难以达到的，如ActiveScale对象存储文件系统的带宽可以达到10GB/s。

2.3 Lustre对象存储文件系统

Lustre对象存储文件系统就是由客户端(client)、存储服务器(OST，Object Storage Target)和元数据服务器(MDS)三个主要部分组成。Lustre的客户端运行Lustre文件系统，它和OST进行文件数据I/O的交互，和MDS进行命名空间操作的交互。为了提高Lustre文件系统的性能，通常Client、OST和MDS是分离，当然这些子系统也可以运行在同一个系统中。其三个主要部分如图1所示。

图1 Lustre文件系统的组成

Lustre是一个透明的全局文件系统，客户端可以透明地访问集群文件系统中的数据，而无需知道这些数据的实际存储位置。客户端通过网络读取服务器上的数据，存储服务器负责实际文件系统的读写操作以及存储设备的连接，元数据服务器负责文件系统目录结构、文件权限和文件的扩展属性以及维护整个文件系统的数据一致性和响应客户端的请求。 Lustre把文件当作由元数据服务器定位的对象，元数据服务器指导实际的文件I/O请求到存储服务器，存储服务器管理在基于对象的磁盘组上的物理存储。由于采用元数据和存储数据相分离的技术，可以充分分离计算和存储资源，使得客户端计算机可以专注于用户和应用程序的请求;存储服务器和元数据服务器专注于读、传输和写数据。存储服务器端的数据备份和存储配置以及存储服务器扩充等操作不会影响到客户端，存储服务器和元数据服务器均不会成为性能瓶颈。

Lustre的全局命名空间为文件系统的所有客户端提供了一个有效的全局唯一的目录树，并将数据条块化，再把数据分配到各个存储服务器上，提供了比传统SAN的块共享更为灵活的共享访问方式。全局目录树消除了在客户端的配置信息，并且在配置信息更新时仍然保持有效。

三、测试和结论

1、Lustre iozone测试

针对对象存储文件系统，我们对Lustre文件系统作了初步测试，具体配置如下：

3台双至强系统：CPU：1.7GHz，内存：1GB，千兆位以太网

Lustre文件系统：lustre-1.0.2

Linux版本：RedHat 8

测试程序：iozone

测试结果如下：

块写(MB/s/thread) 单线程 两个线程

Lustre 1个OST 2个OST 1个OST 2个OST

21.7 50 12.8 24.8

NFS 12 5.8

从以上的测试表明，单一OST的写带宽比NFS好，2个OST的扩展性很好，显示strip的效果，两个线程的聚合带宽基本等于饱和带宽，但lustre客户方的CPU利用率非常高(90%以上)，测试系统的规模(三个节点)受限，所以没有向上扩展OST和client数量。另外，lustre的cache对文件写的性能提升比NFS好。通过bonnie++初步测试了lustre的元数据处理能力，和NFS比，文件创建速度相对快一些，readdir速度慢。

2、lustre小规模测试数据(文件写测试，单位KB/s)：

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

图2 2个OST / 1个MDS

图3 1个OST/1个MDS

图4 NFS测试

从初步的测试看，lustre的性能和可扩展性都不错。与传统的文件系统相比，对象存储文件系统具有以下优势：

(1)性能。对象存储体系结构没有其它共享存储系统中的元数据管理器瓶颈。NAS系统使用一个集中的文件服务器作为元数据管理器，一些SAN文件系统则采用集中的锁管理器，最后元数据管理将成为一个瓶颈。对象存储体系结构类似于SAN，每个结点都可以直接访问它的存储设备。对象存储体系结构对SAN的改进是没有RAID控制器的瓶颈问题，当计算结点的规模增大时，该优势将非常明显，所有结点的总吞吐率最后将受限于存储系统的规模和网络的性能。存储对象结点发送数据到OSD，OSD自动优化数据的分布，这样减少了计算结点的负担，并允许向多个OSD并行读写，最大化单个Client的吞吐率。

(2)可扩展性。将负载分布到多个智能的OSD，并用网络和软件将它们有机结合起来，消除了可扩展问题。一个对象存储系统有内存、处理器、磁盘系统等，允许它们增加其存储处理能力而与系统其它部分无关。如果对象存储系统没有足够的存储处理能力，可以增加OSD，确保线性增加性能。

(3)OSD分担主要的元数据服务任务。元数据管理能力通常是共享存储系统的瓶颈，所有计算结点和存储结点都需要访问它。在对象存储结构中，元数据服务有两部分组成：inode元数据，管理介质上的存储块分布;文件元数据，管理文件系统的文件层次结构和目录。对象存储结构增加了元数据访问的可扩展，OSD负责自己的inode元数据，增加一个OSD可以增加磁盘容量，并可以增加元数据管理资源。而传统的NAS服务器增加更多的磁盘，则性能将更慢。对象存储系统在容量扩展时，确保持续的吞吐率。

(4)易管理。智能化的分布对象存储结构可以简化存储管理任务，可以简化数据优化分布的任务。例如，新增存储容量可以自动合并到存储系统中，因为OSD可以接受来自计算结点发出的对象请求。系统管理员不需要创建LUN，不需要重新调整分区，不需要重新平衡逻辑卷，不需要更新文件服务器等。RAID块可自动扩展到新的对象，充分利用新增的OSD。