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分散式高可用高效能檔案系統TFS

簡介

TFS(Taobao !FileSystem)是一個高可擴充套件、高可用、高效能、面向網際網路服務的分散式檔案系統,主要針對海量的非結構化資料,它構築在普通的Linux機器叢集上,可為外部提供高可靠和高併發的儲存訪問。TFS為淘寶提供海量小檔案儲存,通常檔案大小不超過1M,滿足了淘寶對小檔案儲存的需求,被廣泛地應用在淘寶各項應用中。它採用了HA架構和平滑擴容,保證了整個檔案系統的可用性和擴充套件性。同時扁平化的資料組織結構,可將檔名對映到檔案的實體地址,簡化了檔案的訪問流程,一定程度上為TFS提供了良好的讀寫效能。

TFS的總體結構

一個TFS叢集由兩個!NameServer節點(一主一備)和多個!DataServer節點組成。這些服務程式都是作為一個使用者級的程式執行在普通Linux機器上的。

在TFS中,將大量的小檔案(實際資料檔案)合併成為一個大檔案,這個大檔案稱為塊(Block), 每個Block擁有在叢集內唯一的編號(Block Id), Block Id在!NameServer在建立Block的時候分配, !NameServer維護block與!DataServer的關係。Block中的實際資料都儲存在!DataServer上。而一臺!DataServer伺服器一般會有多個獨立!DataServer程序存在,每個程序負責管理一個掛載點,這個掛載點一般是一個獨立磁碟上的檔案目錄,以降低單個磁碟損壞帶來的影響。

!NameServer主要功能是: 管理維護Block和!DataServer相關資訊,包括!DataServer加入,退出, 心跳資訊, block和!DataServer的對應關係建立,解除。正常情況下,一個塊會在!DataServer上存在, 主!NameServer負責Block的建立,刪除,複製,均衡,整理, !NameServer不負責實際資料的讀寫,實際資料的讀寫由!DataServer完成。

!DataServer主要功能是: 負責實際資料的儲存和讀寫。

同時為了考慮容災,!NameServer採用了HA結構,即兩臺機器互為熱備,同時執行,一臺為主,一臺為備,主機繫結到對外vip,提供服務;當主機器宕機後,迅速將vip繫結至備份!NameServer,將其切換為主機,對外提供服務。圖中的HeartAgent就完成了此功能。



TFS的塊大小可以通過配置項來決定,通常使用的塊大小為64M。TFS的設計目標是海量小檔案的儲存,所以每個塊中會儲存許多不同的小檔案。!DataServer程序會給Block中的每個檔案分配一個ID(File ID,該ID在每個Block中唯一),並將每個檔案在Block中的資訊存放在和Block對應的Index檔案中。這個Index檔案一般都會全部load在記憶體,除非出現!DataServer伺服器記憶體和叢集中所存放檔案平均大小不匹配的情況。

另外,還可以部署一個對等的TFS叢集,作為當前叢集的輔叢集。輔叢集不提供來自應用的寫入,只接受來自主叢集的寫入。當前主叢集的每個資料變更操作都會重放至輔叢集。輔叢集也可以提供對外的讀,並且在主叢集出現故障的時候,可以接管主叢集的工作。

平滑擴容

原有TFS叢集執行一定時間後,叢集容量不足,此時需要對TFS叢集擴容。由於DataServer與NameServer之間使用心跳機制通訊,如果系統擴容,只需要將相應數量的新!DataServer伺服器部署好應用程式後啟動即可。這些!DataServer伺服器會向!NameServer進行心跳彙報。!NameServer會根據!DataServer容量的比率和!DataServer的負載決定新資料寫往哪臺!DataServer的伺服器。根據寫入策略,容量較小,負載較輕的伺服器新資料寫入的概率會比較高。同時,在叢集負載比較輕的時候,!NameServer會對!DataServer上的Block進行均衡,使所有!DataServer的容量儘早達到均衡。

進行均衡計劃時,首先計算每臺機器應擁有的blocks平均數量,然後將機器劃分為兩堆,一堆是超過平均數量的,作為移動源;一類是低於平均數量的,作為移動目的。

移動目的的選擇:首先一個block的移動的源和目的,應該保持在同一網段內,也就是要與另外的block不同網段;另外,在作為目的的一定機器內,優先選擇同機器的源到目的之間移動,也就是同臺!DataServer伺服器中的不同!DataServer程序。
當有伺服器故障或者下線退出時(單個叢集內的不同網段機器不能同時退出),不影響TFS的服務。此時!NameServer會檢測到備份數減少的Block,對這些Block重新進行資料複製。

在建立複製計劃時,一次要複製多個block, 每個block的複製源和目的都要儘可能的不同,並且保證每個block在不同的子網段內。因此採用輪換選擇(roundrobin)演算法,並結合加權平均。

由於DataServer之間的通訊是主要發生在資料寫入轉發的時候和資料複製的時候,叢集擴容基本沒有影響。假設一個Block為64M,數量級為1PB。那麼NameServer上會有 1 * 1024 * 1024 * 1024 / 64 = 16.7M個block。假設每個Block的元資料大小為0.1K,則佔用記憶體不到2G。

儲存機制

在TFS中,將大量的小檔案(實際使用者檔案)合併成為一個大檔案,這個大檔案稱為塊(Block)。TFS以Block的方式組織檔案的儲存。每一個Block在整個叢集內擁有唯一的編號,這個編號是由NameServer進行分配的,而DataServer上實際儲存了該Block。在!NameServer節點中儲存了所有的Block的資訊,一個Block儲存於多個!DataServer中以保證資料的冗餘。對於資料讀寫請求,均先由!NameServer選擇合適的!DataServer節點返回給客戶端,再在對應的!DataServer節點上進行資料操作。!NameServer需要維護Block資訊列表,以及Block與!DataServer之間的對映關係,其儲存的元資料結構如下:



在!DataServer節點上,在掛載目錄上會有很多物理塊,物理塊以檔案的形式存在磁碟上,並在!DataServer部署前預先分配,以保證後續的訪問速度和減少碎片產生。為了滿足這個特性,!DataServer現一般在EXT4檔案系統上執行。物理塊分為主塊和擴充套件塊,一般主塊的大小會遠大於擴充套件塊,使用擴充套件塊是為了滿足檔案更新操作時檔案大小的變化。每個Block在檔案系統上以“主塊+擴充套件塊”的方式儲存。每一個Block可能對應於多個物理塊,其中包括一個主塊,多個擴充套件塊。
在DataServer端,每個Block可能會有多個實際的物理檔案組成:一個主Physical Block檔案,N個擴充套件Physical Block檔案和一個與該Block對應的索引檔案。Block中的每個小檔案會用一個block內唯一的fileid來標識。!DataServer會在啟動的時候把自身所擁有的Block和對應的Index載入進來。

容錯機制

  1. 叢集容錯

TFS可以配置主輔叢集,一般主輔叢集會存放在兩個不同的機房。主叢集提供所有功能,輔叢集只提供讀。主叢集會把所有操作重放到輔叢集。這樣既提供了負載均衡,又可以在主叢集機房出現異常的情況不會中斷服務或者丟失資料。

  1. !NameServer容錯

Namserver主要管理了!DataServer和Block之間的關係。如每個!DataServer擁有哪些Block,每個Block存放在哪些!DataServer上等。同時,!NameServer採用了HA結構,一主一備,主NameServer上的操作會重放至備NameServer。如果主NameServer出現問題,可以實時切換到備NameServer。
另外!NameServer和!DataServer之間也會有定時的heartbeat,!DataServer會把自己擁有的Block傳送給!NameServer。!NameServer會根據這些資訊重建!DataServer和Block的關係。

  1. !DataServer容錯

TFS採用Block儲存多份的方式來實現!DataServer的容錯。每一個Block會在TFS中存在多份,一般為3份,並且分佈在不同網段的不同!DataServer上。對於每一個寫入請求,必須在所有的Block寫入成功才算成功。當出現磁碟損壞!DataServer宕機的時候,TFS啟動複製流程,把備份數未達到最小備份數的Block儘快複製到其他DataServer上去。 TFS對每一個檔案會記錄校驗crc,當客戶端發現crc和檔案內容不匹配時,會自動切換到一個好的block上讀取。此後客戶端將會實現自動修復單個檔案損壞的情況。

併發機制

對於同一個檔案來說,多個使用者可以併發讀。
現有TFS並不支援併發寫一個檔案。一個檔案只會有一個使用者在寫。這在TFS的設計裡面對應著是一個block同時只能有一個寫或者更新操作。

TFS檔名的結構

TFS的檔名由塊號和檔案號通過某種對應關係組成,最大長度為18位元組。檔名固定以T開始,第二位元組為該叢集的編號(可以在配置項中指定,取值範圍 1~9)。餘下的位元組由Block ID和File ID通過一定的編碼方式得到。檔名由客戶端程式進行編碼和解碼,它對映方式如下圖:



TFS客戶程式在讀檔案的時候通過將檔名轉換為BlockID和FileID資訊,然後可以在!NameServer取得該塊所在!DataServer資訊(如果客戶端有該Block與!DataServere的快取,則直接從快取中取),然後與!DataServer進行讀取操作。

TFS效能資料

  1. 軟體環境描述

【測試機軟體情況描述】
(1) Red Hat Enterprise Linux AS release 4 (Nahant Update 8) 
(2) gcc (GCC) 3.4.6 20060404 (Red Hat 3.4.6-11) 
(3) 部署了TFS客戶端程式 
【伺服器軟體情況描述】
(1) Red Hat Enterprise Linux Server release 5.4 (Tikanga) 
(2) gcc (GCC) 3.4.6 20060404 (Red Hat 3.4.6-9) 
(3) 部署了2臺!DataServer程式。
【伺服器軟體情況描述】
(1) Red Hat Enterprise Linux Server release 5.4 (Tikanga) 
(2) gcc (GCC) 4.1.2 20080704 (Red Hat 4.1.2-46) 
(3) 部署了2臺!NameServer(HA)程式。

  1. 硬體環境描述

【測試機硬體情況描述】
(1) 一枚八核Intel(R) Xeon(R) CPU E5520 @ 2.27GHz 
(2) 記憶體總數8299424 kB 
【伺服器硬體情況描述】cpu/memory等
(1) 一枚八核Intel(R) Xeon(R) CPU E5520 @ 2.27GHz 
(2) 記憶體總數8165616 kB

  1. 隨機讀取1K~50K大小的檔案效能




Read的TPS隨著執行緒數的增加而增加,增長逐漸趨緩,到90執行緒的時候達到第一個高峰,此時再增加讀執行緒,則TPS不再穩定增長。

  1. 隨機寫入1K~50K大小的檔案




Write的TPS線上程數60左右達到高峰,此時再增加寫入執行緒,TPS不再穩定增長。

  1. 在不同執行緒寫壓力下的讀檔案效能







可以看出隨著寫壓力的增加,讀檔案的TPS會大幅下滑。當寫壓力達到一定程度時讀檔案TPS趨緩。

同時,對平均大小為20K的檔案進行了測試,測試中讀:寫:更新:刪除操作的比率為100:18:1:1時,在!DataServer伺服器磁碟util訪問達到80%以上時,響應時間如下: 

TYPE SUCCCOUNT FAILCOUNT AVG(us) MIN(us) MAX(us)
read 100000 0 20886 925 1170418
write 18000 0 17192 2495 1660686
update 1000 0 48489 5755 1205119
delete 1000 0 14221 382 591651

TYPE:操作型別
SUCCCOUNT:成功個數
FAILCOUNT:失敗個數
AVG:平均響應時間
MIN:最短響應時間
MAX: 最大響應時間