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什么是对象存储?OSD架构及原理

发布于2020-03-18

  • 对象存储

什么是对象存储?什么是OSD对象存储设备?


存储局域网(SAN)和网络附加存储(NAS)是我们比较熟悉的两种主流网络存储架构,而对象存储(Object-based Storage)是一种新的网络存储架构,基于对象存储技术的设备就是对象存储设备(Object-based Storage Device)简称OSD。


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对象存储的发展历史:


1999年成立的全球网络存储工业协会(SNIA)的对象存储设备(Object Storage Device)工作组发布了ANSI的X3T10标准。


对象存储的优点:


总体上来讲,对象存储同兼具SAN高速直接访问磁盘特点及NAS的分布式共享特点。


SAN(Storage Area Network)结构


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。


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。


对象存储结构


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。


对象存储与传统网络存储的区别


对象存储在很多重要方面与SAN和NAS迥然不同,对存储管理员而言最显著的区别在于对象存储没有LUNs,卷以及RAID等要素。对象数据不是存储在固定的块,而是在大小可变的“容器”里。鉴于元数据(metadata)和数据本身可通过传统数据访问方法进行访问,对象存储允许数据被直接访问。此外,支持对象级和命令级的安全策略设置。


对象存储结构组成部分(对象、对象存储设备、元数据服务器、对象存储系统的客户端):



对象存储架构


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信息(Meta Data)的组合,这些属性信息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,OSD同块设备的不同不在于存储介质,而在于两者提供的访问接口。OSD的主要功能包括数据存储和安全访问。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、对象存储系统的客户端Client


为了有效支持Client支持访问OSD上的对象,需要在计算节点实现对象存储系统的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。


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。


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。

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