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OpenStack Swift 存储策略

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OpenStack Swift 对象存储及其存储策略简介

Swift 2.0 于 2014 年 7 月 8 日发布,其中最重要的新特性是存储策略(Storage Policy),该特性改变了以往存储系统中存储策略由设计与实施方决定的做法,让用户能够以 Container 为粒度,为不同需求的数据指定不同的副本数量、不同参数的纠删码、不同性能的存储介质、不同地理位置、不同的后端存储设备。存储策略充分体现了 Swift"软件定义存储"(Software Defined Storage)的特点。

为了实现存储策略,Swift 在原先三个环(Ring)的架构基础上进行了改进。Swift 为账户、容器和对象分别定义了的环,通过环将虚拟节点(分区)映射到一组物理存储设备上。在 Swift 2.0 中,每个存储策略对应一个 Object Ring。

Swift 存储策略的配置与使用

配置存储策略

设置存储策略分为两步:编辑配置文件 swift.conf 文件,创建相应的 Object Ring。在配置文件中每个存储策略以[storage-policy:N]开头,其中 N 是策略的编号。对于该文件的解析遵循以下规则:

  1. 如果该文件中没有声明任何策略,Swift 会自己创建一个;
  2. 策略编号应当位非负整数;
  3. 如果没有声明默认策略,Swift 会把编号为 0 的策略设为默认策略;
  4. 策略编号必须唯一;
  5. 策略应当具有名字,策略命名区分大小且必须唯一;
  6. 策略名称只能包含字母、数字和连字符,"Policy-0"只能用于编号为 0 的策略;
  7. 定义策略之后,应当有一个且仅有一个策略被指定为默认策略;
  8. "废弃"(Deprecated)策略不能同时为默认策略。

下面是一个 swift.conf 文件的示例:

[swift-hash]
# random unique strings that can never change (DO NOT LOSE)
swift_hash_path_prefix = changeme
swift_hash_path_suffix = changeme

[storage-policy:0]
name = apple
default = yes

[storage-policy:1]
name = orange
deprecated = yes

完成 swift.conf 文件的编辑,下一步是为每个存储策略创建相应的 Object Ring,方法和创建老版本 Object Ring 类似,只是要在 object 后面加上"-N",这里的 N 是存储策略的编号。例如,为上述编号为 0 和 1 的存储策略创建 Object Ring:

swift-ring-builder object-0.builder create 10 3 1
swift-ring-builder object-1.builder create 10 2 1

使用存储策略

存储策略的使用非常简单,只需要在创建 container 是指定存储策略即可,下面以 SAIO 部署为例加以说明:

curl -v -X PUT -H 'X-Auth-Token: <your auth token>' -H \
    "X-Storage-Policy: orange" \
    http://127.0.0.1:8080/v1/AUTH_test/myCont1
curl -X PUT -v -T file1.txt -H 'X-Auth-Token: <your auth token>' \
http://127.0.0.1:8080/v1/AUTH_test/myCont1/

然后执行:

curl -X GET –v \
 http://127.0.0.1:8080/endpoints/AUTH_test/myCont1/file1.txt

例如,会看到如下结果:

["http://127.0.0.1:6010/sdb1/32/AUTH_test/myCont1/file1.txt",
"http://127.0.0.1:6040/sdb4/32/AUTH_test/myCont1/file1.txt"]

说明 Storage Policy 已经成功发挥作用。

存储策略的应用模式

上述提到副本数量的改变,只是存储策略的应用模式的一种,在实际应用中,可以有以下几种模式:

  1. 缩减或增加冗余

    对于一些数据,它们不需要保证很高的数据持久性和可靠性,比较典型的是图像的缩略图,它们可以由原图降采样得到,在这种情况下,可以对原图采用三副本方案,对缩略图采用双副本方案,降低存储系统的开销。

    图 1.为不同的 Container 指定不同的副本数量
    为不同的 Container 指定不同的副本数量
    为不同的 Container 指定不同的副本数量
  2. 性能分层

    例如,对于一些数据用 HDD 保存,另一些用 SSD 保存。也可以应用于其他存储介质,甚至是不同的存储设备。

    图 2.为不同的 Container 指定不同的存储介质
    为不同的 Container 指定不同的存储介质
    为不同的 Container 指定不同的存储介质
  3. 地理位置约束

    在某些场景下,因为公司或者国家的政策的约束,某些数据必须存储在指定的地理位置,例如混合云场景。有些场景下,用户希望指定数据存放在距离访问客户端比较近的地方。

    图 3.为不同的 Container 指定不同的存储位置
    为不同的 Container 指定不同的存储位置
    为不同的 Container 指定不同的存储位置
  4. 应用纠删码(Erasure Codes)

    对于性能要求不高的场合,应用纠删码。纠删码,又称为删除码,将对象分割为 m 个分片(fragments),并通过编码生成 k 个校验分片,最后将这 n=m+k 个分片放到 Swift 对象存储系统的不同位置(通常是 swift 的不同 zone 中)。对于将 m 个分片编码为 n 个分片的纠删码,记为EC(m, n)。纠删码的示意图如下:

    图 4.纠删码示意图
    纠删码示意图
    纠删码示意图

    纠删码在提高存储空间利用率的同时,保持或增加数据的持久性(durability)和可靠性。但是由于编码、解码和恢复数据往往需要较大的计算量,可能导致性能的降低,所以比较适用于对持久性和可靠性要求比较高,但是访问量并不大的数据存储。

    图 5 .应用纠删码保护数据
    图 5 .应用纠删码保护数据
    图 5 .应用纠删码保护数据

在某视频网站中的应用案例

在某视频网站中,采用 Swift 存储视频文件,并对其部分文件根据视频类型的不同应用不同的存储策略。

视频数据分为三类:1)源片;2)超清视频文件;3)其他不同清晰度的视频文件。源片体积较大,对持久性要求高,但是对访问速度要求较低,并发访问数量和访问频率较低;清晰度较低的视频由超清视频转码得到,针对上述需求,设计存储策略如下:

  1. 源片采用纠删码策略,编码参数为EC(7, 4),即把一个视频文件分割为 4 块,并生成 3 块校验块,存储效率约为 57%;
  2. 超清视频三副本策略,存储效率约为 33%;
  3. 清晰度较低的视频采用双副本策略,存储效率为 50%。

假设设备损坏的概率为 2%,以上三种存储策略的数据持久性分别为:99.9995%,99.9992%和 99.96%。

表 1.存储策略的应用
数据类型 存储策略 存储效率 数据持久性
源片 纠删码EC(7, 4) 57% 99.9995%
超清视频文件 三副本 33% 99.9992%
其他分辨率视频文件 双副本 50% 99.96%

Swift 集群的总结点数量为 54 个节点,总容量约为 2.3PB,集群的部署架构如下图所示,其中 Proxy Server 的数量可以根据需要增加或者减少。采用传统三副本方案,能够保存的视频总长度约为(同一段视频不同分辨率不进行重复统计)3.97×106 分钟。

采用上述存储策略后,保存的视频总长度为 5.89×106 分钟,存储效率提高了 48%。

图 6. 基于 Swift 的视频存储系统的部署架构
基于 Swift 的视频存储系统的部署架构
基于 Swift 的视频存储系统的部署架构

结束语

在大数据时代,随着文件数量和数据体量的增加,文件系统和 NAS 的瓶颈越来越明显,基于 RESTful Web API 的对象存储逐渐受到人们的广泛接受。作为最具代表性,应用最广泛的开源对象存储方案,OpenStack Swift 自诞生以来一直保持着技术上领先的地位,在 Swift 2.0 中推出的存储策略功能,能够让管理员根据自己系统的特点制定不同的存储策略;用户或租户根据自己数据的特点和业务需要,以 Container 为粒度选择存储策略,从而实现成本、数据可靠性、性能等维度上的综合权衡和优化,体现了软件定义存储的特点。本文只是对存储策略做了一个简要的介绍,让读者体会存储策略的用途,进一步深入探索可以查看参考资料了解有关 OpenStack Swift 的更多相关信息。


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Zone=Cloud computing
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ArticleTitle=OpenStack Swift 存储策略
publish-date=11062014