TiDedup: A New Distributed Deduplication Architecture for Ceph——论文泛读

ATC 2023 Paper 分布式元数据论文汇总

问题

Ceph 是一个广泛部署的分布式存储系统，Ceph 中的集群级去重设计，由于一些缺点难以在生产环境中使用：（1）去重唯一数据会导致过多的元数据消耗；（2）串行层次化机制对前台 I/O 产生有害影响，并且仅提供固定大小的块算法；（3）现有的引用计数机制需要对整个对象进行低效的完整扫描，并且与 Ceph 的快照不兼容。

挑战

• 重复数据删除架构中的所有组件，在设计时都应考虑到可扩展性。

• 架构应考虑各种数据类型，如文件、块和对象，以寻找数据减少的机会。

• 架构必须与存储系统中的现有服务（如快照操作）兼容。

现有方法局限性

• 无论目标对象中有多少个唯一内容都会盲目执行去重。对唯一对象进行去重只会增加计算和存储开销。由于对象中唯一内容的数量高度依赖工作负载，这种方法可能会削弱去重效率，尤其是在 Ceph 中，因为它是一个用于各种数据集的通用存储系统。

• 依赖于有限的层次化架构，该架构依赖于粗粒度处理和固定大小块划分（FSC），并用单个后台线程的对象存储守护进程（OSD）负责去重所需的所有任务。由于需要使用锁进行耗时的对象枚举，并且由于外部代理的按需去重受到限制，该架构会导致性能下降。此外，FSC 并不总是在实际工作负载中找到重复块的最有效方式 [28, 47]。

• 在其引用管理方法上存在缺陷。它与 Ceph 的快照功能不协同工作，因为它在对象快照上缺乏块引用管理。此外，引用计数方法在识别去重块上的引用不匹配时需要很长时间，因为它需要在存储池中进行完整的对象搜索以计算引用。

本文方法

本文介绍了 TiDedup，针对 Ceph 的新型集群级去重架构。提出三种新颖的方案：

• 选择性的集群级爬取。实现了一个爬取进程，会逐步搜索和识别冗余的块，选择性地触发去重，从而减少开销。

• 基于事件驱动的层次化机制，与内容定义的块划分（CDC）。消除了对象存储守护进程（OSD）的后台工作，并设计成在事件发生时执行反应，以处理多个请求。引入了新的层次化API（set_chunk、tier_flush、tier_evict和tier_promote），以及使用CDC的控制和数据路径。

• 对象ID（OID）共享引用方案。提出了使用OID的高效引用管理方法。通过在相邻的快照之间共享OID引用信息，不仅使去重对象与快照兼容，还在创建快照时将OSD间的消息最小化。通过使用OID作为反向指针，Scrub（用于识别和修复不一致性的作业，例如引用不匹配）能够在不执行完整对象搜索的情况下检查引用是否有效。

我们已经充分验证了 TiDedup，并将其集成到了 Ceph 的主线中，以便在各种实验和生产环境中进行评估和部署。我们的评估结果显示，TiDedup 在真实工作负载上实现了高达 34% 的数据减少，与现有的去重设计相比，它在去重期间提高了 50% 的前台 I/O 吞吐量，并显著减少了超过 50% 的引用修正扫描时间。

实验

实验环境：10台机器，每台机器都配备了双向AMD EPYC 7543，每个NUMA节点32个内核（80个线程），512 GB的DRAM。所有节点都与100 GbE网络相连。六个节点用作存储节点，四个节点是用于客户端。每台机器有六个BM1733 QLC SSD（4 TB），并在单个SSD上运行OSD守护程序。

数据集：内部云数据集、Factory数据集、YCSB

实验对比：空间节省、吞吐量、延迟、不同chunk大小影响、故障恢复、Srcub时间、快照创建和删除时间

总结

对Ceph的重复数据删除进行优化。提出：选择性的集群级爬取，会逐步搜索和识别冗余的块，选择性地触发去重；基于事件驱动的层次化机制，与内容定义的块划分（CDC），消除了对象存储守护进程（OSD）的后台工作，并设计成在事件发生时执行反应，以处理多个请求；对象ID（OID）共享引用方案，在相邻的快照之间共享OID引用信息，使去重对象与快照兼容，在创建快照时将OSD间的消息最小化。通过使用OID作为反向指针，检查引用是否有效时避免全局搜索。