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网络化存储已成为解决集群系统高性能存储的有

来源:http://www.hhmtch.com 作者:澳门新葡萄京 时间:2019-11-03 11:24

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。

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