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LoongStore 大規(guī)模集群云存儲系統(tǒng)

1 成果介紹網(wǎng)絡存儲技術(shù)從誕生到現(xiàn)在，已經(jīng)經(jīng)歷了近二十年的歷程。在這個過程中，無論是計算技術(shù)、網(wǎng)絡通信技術(shù)還是信息儲存技術(shù)都發(fā)生了翻天覆地的變化。計算技術(shù)領(lǐng)域，基于開放操作系統(tǒng)上的集群計算技術(shù)已經(jīng)取代大型機；網(wǎng)絡通信領(lǐng)域，開放架構(gòu)的 TCP／IP 通信已經(jīng)統(tǒng)治了一切；在信息存儲技術(shù)上，單塊磁盤的容量已經(jīng)從 G 級別進入 T 級別。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡存儲設備，無論是 FC SAN、 NAS 還是 IP SAN，都是采用以滿足單臺服務器存儲需要為目標的體系設計，在共享能力、性能、可靠性、擴展性以及總體擁有成本上，已經(jīng)無法滿足企業(yè)新的應用需求。如果僅僅通過外圍手段來彌補，必將造成存儲架構(gòu)越來越復雜，用戶管理難度越來越大，總體擁有成本越來越高。為了滿足 IT 技術(shù)發(fā)展的挑戰(zhàn)， LoongStore 集群存儲采用了代表計算技術(shù)、網(wǎng)絡通信技術(shù)以及文件系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展方向的體系架構(gòu)，提供給用戶跨平臺共享、高性能、高可靠、可平滑擴展、使用和維護簡單的高端存儲系統(tǒng)。系統(tǒng)以開放架構(gòu)平臺智能存儲服務器為基本節(jié)點，通過在千兆以太網(wǎng)基礎(chǔ)上不受限制地添加節(jié)點，構(gòu)成了業(yè)界最高的性能、可靠性以及極低總體擁有成本的存儲集群。 LoongStore 為一種大規(guī)模的文件共享存儲系統(tǒng)，它面向海量數(shù)據(jù)、高并發(fā)訪問的環(huán)境。其產(chǎn)品架構(gòu)圖如圖所示：圖 1 LoongStore 產(chǎn)品架構(gòu) LoongStore 產(chǎn)品架構(gòu)支持：單文件系統(tǒng) 100PB支持 2000 個以上節(jié)點并發(fā)支持超過 500 億文件產(chǎn)品主要特點：產(chǎn)品架構(gòu)上：實現(xiàn)了橫向擴展。從原來的單節(jié)點增加 CPU、內(nèi)存、存儲等等的縱向擴展方案往增加節(jié)點數(shù)量的橫向擴展方案的轉(zhuǎn)變，使得容量擴展更加靈活、同時也實現(xiàn)了更低的起始投入成本；產(chǎn)品工作流上：實現(xiàn)了更高效的數(shù)據(jù)讀寫方式。通過實現(xiàn)元數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)通道分離、將數(shù)據(jù)條帶化存儲在不同的存儲服務器上，從而高效實現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行讀寫；產(chǎn)品性能上：實現(xiàn)了高聚合帶寬?？朔艘郧拔募惺酱鎯Φ钠款i，實現(xiàn)了文件切片分布式存儲方案，實現(xiàn)了高聚合帶寬；產(chǎn)品性能上：實現(xiàn)了性能近線性增長。如：（ 1）聚合帶寬隨著存儲集群規(guī)模擴大而線性增長，（ 2）充分發(fā)揮硬件性能，如網(wǎng)卡性能利用率達到了 80%，（ 3）擴展到 100GB/s 以上的聚合性能；產(chǎn)品可靠性上：實現(xiàn)了無單點故障。通過（ 1）為不同目錄的數(shù)據(jù)設置不同的冗余度，（ 2）自動故障探測與恢復，（ 3）設備恢復速度是 RAID 的 5 倍， 750GB SATA 盤恢復時間 15 分鐘，（ 4）元數(shù)據(jù)服務器每兩臺互備等，實現(xiàn)了產(chǎn)品的無單點故障；在產(chǎn)品擴展性方面：實現(xiàn)了在線業(yè)務擴展容量。支持不停業(yè)務在線擴容，并自動遷移均衡數(shù)據(jù)。從而實現(xiàn)不需要關(guān)停業(yè)務的方式輕易擴展容量；在產(chǎn)品管理方面：實現(xiàn)了單點配置管理。產(chǎn)品通過單點實現(xiàn)了所有的配置管理功能，通過內(nèi)置各種自動化處理流程，減少人為參與；產(chǎn)品兼容性方面：兼容各種 X86 架構(gòu)的服務器和 IP 網(wǎng)絡，應用服務器端支持Linux/Windows/Mac 等等。2 應用說明LoongStore 大規(guī)模集群云存儲系統(tǒng)能夠幫助企業(yè)加速信息到價值的轉(zhuǎn)換，目前已經(jīng)在互聯(lián)網(wǎng)、廣電、能源、電信等數(shù)據(jù)密集型行業(yè)幫助企業(yè)實現(xiàn)了突破性的價值。產(chǎn)品主要應用行業(yè)與應用案例有：（ 1）互聯(lián)網(wǎng)：視頻， SNS 等，例如中國國家網(wǎng)絡電視臺（ CNTV），人人網(wǎng)，搜狐；（ 2）能源：大慶油田，中石油勘探開發(fā)研究院總院；（ 3）動漫和廣電：中影集團，教育電視臺等，《建黨偉業(yè)》、《建國大業(yè)》、《孔子》等大片的后期制作就是采用該存儲系統(tǒng)；（ 4）教育及其（ 5）軍工，航天等等領(lǐng)域。3 技術(shù)指標支持 PB 級的存儲容量規(guī)模，最大容量可超過 100PB；可提供幾十甚至上百 GByte/s 的聚合數(shù)據(jù)讀寫帶寬，而且性能可隨存儲規(guī)模的擴展而線性提升；可高效支持海量小文件的存儲和管理，單套系統(tǒng)可高效管理超過 500 億個文件，現(xiàn)有在線系統(tǒng)已經(jīng)超過百億級文件數(shù)量規(guī)模，而且每天仍然以 2000-5000 萬個新文件的速度遞增，每天的下載量為 10-20 億個文件；可支持超過 2000 多個計算節(jié)點（或者應用節(jié)點）同時高效并發(fā)訪問同一套存儲系統(tǒng)；提供完全符合 POSIX 標準的文件級接口，支持全局共享訪問，無須加入第三方共享軟件。前端可同時部署 Linux、 Windows、 Mac 等異構(gòu)計算節(jié)點。所有應用可不經(jīng)過任何修改和移植即可使用存儲服務；支持在線擴展存儲容量，無需終止應用的正常服務，新增容量即插即用。同時提供在線數(shù)據(jù)遷移功能，擴容后可均衡所有設備上的存儲負載；內(nèi)置數(shù)據(jù)高可用機制，一旦發(fā)現(xiàn)硬件故障將自動進行數(shù)據(jù)恢復，無需停止服務。除了能夠冗余磁盤故障之外，即使整個存儲服務器或者磁盤陣列故障都不影響應用正常服務也不會破壞應用數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)存儲只能冗余磁盤故障；如果系統(tǒng)中正常設備上的空閑空間總和不少于故障設備上已經(jīng)使用的空間即可進行數(shù)據(jù)恢復，無須加入新的設備，傳統(tǒng)存儲采用 RAID 機制必須加入新的存儲設備才能進行恢復。確保了系統(tǒng)無間斷持續(xù)運行；l 在線控制存儲設備的負載。在觀察到某塊存儲設備有異常現(xiàn)象時，可以在線手動禁止這塊磁盤的空間分配，設置后系統(tǒng)不再往被禁止分配空間的磁盤內(nèi)寫入新的數(shù)據(jù)，原有的數(shù)據(jù)仍然可用。當設備正常時即可在線放開；提供主動數(shù)據(jù)遷移功能，方便硬件在線更換。當某些設備使用時間超過一定年限，或者是發(fā)現(xiàn)設備有安全隱患時，可以主動將該設備上的數(shù)據(jù)遷移到其它存儲設備，遷移完成后即可將設備移除下線，不影響應用的正常服務；簡易管理，通過單一圖形化界面即可管理和監(jiān)控整個存儲系統(tǒng)；高硬件兼容性，既可以采用傳統(tǒng)的 SAN 或者盤陣作為存儲單元，也可以采用通用的存儲服務器進行構(gòu)建，硬件選型范圍廣，成本低，適合用于構(gòu)建海量的云存儲系統(tǒng)。

清華大學 2021-04-13

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