对象存储3：对象存储的原理、构造和详解

前两篇介绍了对象存储的基础，包括存储类型，常用存储分类和分类方法。

SCSI,TCP/IP,FC等存储介质以及DAS\NAS\SAN等存储网络，请参考：对象存储1：传统存储类型和分类。

文件存储，块存储以及对象存储等数据存储格式，请参考： 对象存储2：云平台数据存储类型。

 

1.对象存储基础

对象存储的命名，是由其存储数据的格式来的，它的数据是以对象object的形式存储。

文件存储的数据存储单位为文件；块存储的数据存储单位为数据块；块存储的存储单位为对象。

1.1 数据格式

一个文件包含了两部分内容，属性和内容（即数据）；属性又称元数据metadata，是指数据的属性内容，比如文件大小、创建时间、修改时间、存储路径等。

像FAT32文件系统，是直接将一份文件的数据与metadata一起存储的。存储过程先将文件按照文件系统的最小块大小来打散（如4M的文件，假如文件系统要求一个块4K，那么就将文件打散成为1000个小块），再写进硬盘里面，过程中没有区分数据/metadata的。每个块最后会告知你下一个要读取的块的地址，然后一直这样顺序地按图索骥，最后完成整份文件的所有块的读取。所以无论系统性能多么强，都只能按顺序一个块一个块的读取，只有读完前一个块，才能开始读取下一个块。读写效率就成了最大的瓶颈。

块存储与对象存储 传统数据访问层次、虚拟数据访问模型

 

 

1.2 对象存储原理

对象存储将元数据独立了出来，元数据里写明了数据的所有属性，包括打散后的每个块所存储的位置。对象存储将元数据和数据进行了分开存储，这样只要读取到了元数据，就能找到所有的数据块，并可以同时对数据块进行读取，大大提高了数据处理的效率。

对象存储中用来存储元数据的节点是控制节点，称为元数据服务器（服务器+对象存储管理软件），里面主要负责存储对象的属性（主要是对象的数据被打散存放到了那几台分布式服务器中的信息）；负责存储数据的分布式服务器叫做OSD，主要负责存储文件的数据部分。当用户访问对象，会先访问元数据服务器，元数据服务器只负责反馈对象存储在哪些OSD，假设反馈文件A存储在B、C、D三台OSD，那么用户就会再次直接访问3台OSD服务器去读取数据。这时候由于是3台OSD同时对外传输数据，所以传输的速度就加快了。当OSD服务器数量越多，这种读写速度的提升就越大，通过此种方式，实现了读写快的目的。

另一方面，对象存储软件是有专门的文件系统的，所以OSD对外又相当于文件服务器，那么就不存在文件共享方面的困难了，也解决了文件共享方面的问题。

1.3 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。

对象的构成

 

2.对象存储的结构

根据对象存储原理所讲的，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。对象存储的结构包括元数据服务器（控制节点MDS）和数据存储服务器（OSD），两者进行数据的存储，还需要客服端client进行存储的服务访问和使用。架构如下图：

对象存储架构图

 

2.1 对象存储设备OSD

对象存储设备是对象存储的核心设备，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。

2.2 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。

2.3 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。
 

3. 对象存储文件系统的关键技术：

3.1 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。

3.2 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。
 

 

 

 

3.对象存储常用场景