新一代分布式文件系统XGFS揭秘——元数据服务

新一代分布式文件存储系统XGFS，基于最新一代NVMe/SCM存储介质设计，利用高性能LSM存储引擎，结合XSKY独有专利技术的键值设计，构建出完全自主的元数据服务…本文系揭秘XGFS系列之首篇内容。

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存储介质的高速发展

上一代分布式文件系统元数据服务（MDS），多半基于HDD/SSD介质设计；这种设计不仅元数据访问性能不佳，而且为了实现在慢速介质上通过数量堆积来实现性能与空间扩展，做出了很多架构让步：如动态目录子树、动态迁移等，复杂性高的同时更带来不少稳定性问题。近年来，硬件存储介质从HDD到SSD（MLC/SLC），并快速发展到NVMe/SCM时代，分布式系统尤其是分布式文件存储系统（Distributed File System），需要思考如何发挥出新兴介质的极致性能。
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如何利用新型LSM存储引擎

上一代分布式文件系统如GlusterFS大多使用Linux的单机文件系统ext4/xfs做元数据承载，ext4/xfs底层均采用B树和Page页实现元数据管理；这种MDS设计大多使用上层写入合并等方法来缓解Page空洞和写入带宽低等问题，但仍然严重依赖上游Linux内核，难以面向新型业务需求做出元数据优化和定制，例如同时存储POSIX文件协议和S3对象协议的元数据，同时难以应对分布式文件系统的海量元数据场景，通常需要在存储引擎层做更多的定制，使得利用单机文件系统实现更好元数据系统；
随着LSM存储引擎的快速发展和普及，越来越多的数据库和应用系统选择基于LSM存储引擎来构建整体的分布式系统，如HBase、Cassandra等；LSM存储引擎的写入模式天然适应于SSD/NVMe类存储介质，大大优化了写放大问题并提升存储介质寿命，还带来更高的写吞吐量和介质空间使用率；这些都给分布式文件系统的研发设计带来了启发。
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XGFS架构

XSKY基于对客户业务的深度理解，以及结合新一代存储介质和高性能LSM存储引擎的应用优势，推出了新一代分布式文件存储系统XGFS。XGFS分布式文件存储系统由元数据服务集群和混合盘数据服务共同组成。其继承了XSKY多年在分布式混合盘上的深厚积累以及大规模存储运维能力，包括多级缓存技术、支持副本与EC纠删码、支持延展集群双活、硬盘和网络亚健康处理等，带来了高性价比的整体TCO和丰富的功能特性。另，XSKY XEUS、一体机产品已在NAS市场推出了3年多，并部署了数百个实际生产集群；XGFS多活文件协议网关继承了这些文件产品成熟稳定的文件协议层模块，并在高性能IO直通、多浮动IP切换与回切、多网关节点分区和分子网等方面做了深入的优化，使得XGFS既在处理NFS、SMB等文件协议兼容性上游刃有余，又针对分布式文件的高带宽、高吞吐场景做了靶向优化。XGFS元数据服务的架构具有如下优势：01

基于最新一代NVMe/SCM存储介质设计，充分发挥出新兴介质近百万级IOPS和数GB带宽的性能优势，轻松满足对于文件系统的高频率元数据访问需求；

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利用高性能LSM存储引擎，结合XSKY独有专利技术的键值设计，构建出完全自主的元数据服务；既兼容POSIX文件语义和S3对象语义，又支持用户/用户组、权限/ACL、扩展属性等；

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元数据在本节点的日志保护和节点间的强一致性复制，使得元数据集群轻松应对慢盘、网络异常、节点重启/掉电等故障场景，提供RPO=0的元数据通路；

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使用XSKY自研的高速网络传输模块，原生为RoCE/RDMA高性能网络量身打造，大大降低节点间元数据复制包的传输时延，使得整个元数据集群拥有更高的IOPS性能。

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技术原理

1、LSM存储引擎实现文件元数据管理；XSKY独有专利的KV键值对设计，实现完备的语义支持

利用LSM引擎的范围查询和前缀索引功能，结合独有专利的Key设计，大大提升List、Lookup等操作的执行效率，通过合并索引数据和文件本身的信息，去掉了List操作的二次索引开销，性能相比ext4文件系统提升约40%；在Value设计中，既充分兼容POSIX语义中的size、读写权限、MAC time、变长的xattr扩展属性、Windows ACL权限等，又可扩展支持配额、快照等功能，以及S3对象语义中的etag、last modified等字段；真正实现了元数据按需定制和扩展。2、充分利用LSM引擎能力，打造高效的文件元数据服务XMDS单个元数据服务进程XMDS的设计中，首先需要将面向业务的文件操作，如Open、List、Rename等，组合成原子性的事务，并利用KV的事务特性提交给LSM引擎；这样就做到了既兼容POSIX通用协议，又可以在事务内无损耗的实现配额和快照等高级功能，更进一步实现了每一级目录的实时容量使用情况和趋势能力，提供了丰富的数据分析能力；

XMDS通过在内存中合并大量元数据的修改并一次性提交写日志，充分释放了NVMe/SCM的超高写入带宽和并发吞吐能力；同时日志append-only的写入模式，也大大延长了高速介质的写入寿命；LSM引擎的后台压缩能力，既有效减少了元数据空间管理碎片、空洞问题，提升了硬盘的整体空间利用率，还解决了文件元数据本身的GC问题，使得XMDS轻松应对百亿级别以上的海量文件场景；

最后，单个XMDS还引入了WAL日志机制，当出现本节点上LSM引擎故障并恢复后，可及时回放尚未落盘持久化的事务，保证了数据一致性。3、强一致性的元数据服务集群由多个XMDS共同组成了多副本的XMDS集群，并在多个XMDS间设计了强一致的复制机制：所有元数据的修改都会即时同步到所有关联副本，保证了元数据的强一致性，客户端从任意一个XMDS服务中都能获取到相同的数据视图；

部署在不同物理节点上的XMDS多副本，结合完备的XMDS间全量、增量恢复机制，向上层业务打造出9个9高可靠性的元数据服务；同时，增量与全量恢复IO也做了大量性能优化，实验室3节点实测文件元数据恢复性能为10亿文件/1小时；最后，通过细粒度区间锁实现了恢复IO实现了对元数据读写请求的零阻塞，大大提升了业务可用性；

在元数据服务提供低延迟高吞吐的背景下，创新的将传统分布式文件系统客户端与MDS之间的协议轻量化，解决过去有状态会话的复杂状态维护，颠覆性的实现了客户端访问切换无损耗，让上层各类业务丝滑运行，又能保持过去会话式的元数据性能。4、高性能的网络传输模块原生为RoCE/RDMA等新型网络设计的网络传输模块，利用NUMA Aware的内存池和无锁化设计，极大得降低了CPU开销并减少了互斥等待时间；

通过网络模块与IO栈的深度结合，既避免了不必要的线程上下文切换，又减少了入队出队的损耗，实现了元数据的快速通路，让IO延迟响应进入亚毫秒级别。

05术语表
【未完待续】
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