开源分布式存储系统的对比

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概述

目前比较热门的分布式文件系统有如下几种:

  • Ceph
  • GlusterFS
  • Sheepdog
  • Lustre
  • Swift
  • Cinder
  • TFS
  • HDFS
  • MooseFS
  • FastDFS
  • MogileFS

开源协议说明

  • GPL:不允许修改后和衍生的代码做为闭源的商业软件发布和销售,修改后该软件产品必须也采用GPL协议;
  • GPL V2:修改文本的整体就必须按照GPL流通,不仅该修改文本的源码必须向社会公开,而且对于这种修改文本的流通不准许附加修改者自己作出的限制;
  • GPL V3:要求用户公布修改的源代码,还要求公布相关硬件;
  • LGPL:更宽松的GPL。

全量对比

存储系统 Ceph GlusterFS Sheepdog Lustre Swift Cinder TFS HDFS MooseFS FastDFS
开发语言 C++ C C C Python Python C++ Java C C
开源协议 LGPL GPL V3 GPL V2 GPL Apache Apache GPL V2 Apache GPL V3 GPL V3
数据存储方式 对象/文件/块 文件/块 对象 对象 文件 文件 文件/块
集群节点通信协议 私有协议(TCP) 私有协议(TCP)/RDAM(远程直接访问内存) totem协议 私有协议(TCP)/RDAM(远程直接访问内存) TCP 未知 TCP TCP TCP TCP
专用元数据存储点 占用MDS 双MDS 未知 占用NS 占用MDS 占用MFS
在线扩容 支持 支持 支持 支持 支持 未知 支持 支持 支持 支持
冗余备份 支持 支持 支持 支持 未知 支持 支持 支持 支持
单点故障 不存在 不存在 不存在 存在 不存在 未知 存在 存在 存在 不存在
跨集群同步 不支持 支持 未知 未知 未知 未知 支持 不支持 不支持 部分支持
易用性 安装简单,官方文档专业化 安装简单,官方文档专业化 未知 复杂,而且Lustre严重依赖内核,需要重新编译内核 未知 目前来说框架不算成熟存在一些问题 安装复杂,官方文档少 安装简单,官方文档专业化 安装简单,官方文档多 安装简单,社区相对活跃
适用场景 单集群的大中小文件 跨集群云存储 弹性块存储虚拟机 大文件读写 openstack对象存储 openstack块存储 跨集群的小文件 Mapreduce使用的文件存储 单机群大中文件 单机群中小文件
FUSE挂载 支持 支持 支持 支持 支持 未知 未知 支持 支持 不支持
访问接口 POSIX POSIX 未知 POSIX/MPI POSIX 未知 不支持POSIX 不支持POSIX POSIX 不支持POSIX

部分对比

Openstack SwiftCeph 的对比

在当前的开源对象存储项目中,OpenStack Swift 和Ceph无疑是佼佼者。OpenStack Swift通过大肆宣传,在市场上知名度很高。而Ceph是作为开源对象存储竞争产品出现的,以其丰富的功能和卓越的性能见长。两者都是开源的,但都有其短板。Ceph和Swift,哪种更好?在这个问题上大家争论不休,选择Swift还是Ceph这是一个问题!

Ceph这样的系统一般不支持跨机房,跨地域的大规模部署。如果部署只在单一地域,没有计划扩展到多个地域时,Ceph会是很好的选择。但是,如果要考虑大规模部署的话,Swift可能更为适合。因为它的多地域能力会胜过 Ceph。从安全角度来看,Swift封闭的复制网络更为安全,但是,如果云基础架构本身已经很安全,存储安全性优先级便会降低,这时可能Ceph更适合。其实,在同一个云基础架构里同时拥有这两种选择也是可行的。比如说,可以使用Ceph作为本地高性能存储,而Swift则作为多地域Glance后台,但是,拥有这两种选择的解决方案花费必然更多,对于资金雄厚的企业来说为了避免长时间纠结,可以一试。 对于中小企业来讲还是得悉心衡量利弊以及自身的需求,做好整体把控为妙。关于Swift和Ceph二者的选择,更重要的是要从两者的架构角度分析各自的优缺点,并且需要结合自身的应用场景、技术实力、运营实力来进行评估,具体问题具体分析,不必纠结,正所谓寸有所长,尺有所短,选择最合适的才是最好的。

Ceph用C++编写而Swift用Python编写,性能上应当是Ceph占优。但是与Ceph不同,Swift专注于对象存储,作为OpenStack组件之一经过大量生产实践的验证,与OpenStack结合很好,目前不少人使用Ceph为OpenStack提供块存储,但仍旧使用Swift提供对象存储。

CephHDFS 对比

Ceph对比HDFS优势在于易扩展,无单点。HDFS是专门为Hadoop这样的云计算而生,在离线批量处理大数据上有先天的优势,而Ceph是一个通用的实时存储系统。虽然Hadoop可以利用Ceph作为存储后端(根据Ceph官方的教程死活整合不了,自己写了个简洁的步骤: http://www.kai-zhang.com/cloud-computing/Running-Hadoop-on-CEPH/), 但执行计算任务上性能还是略逊于HDFS(时间上慢30%左右 Haceph: Scalable Meta- data Management for Hadoop using Ceph)。

部分存储系统介绍

TFS

TFS(Taobao File System)是由淘宝开发的一个分布式文件系统,其内部经过特殊的优化处理,适用于海量的小文件存储,目前已经对外开源;
TFS采用自有的文件系统格式存储,因此需要专用的API接口去访问,目前官方提供的客户端版本有:C++/JAVA/PHP。

  • 特性
    • 1)在TFS文件系统中,NameServer负责管理文件元数据,通过HA机制实现主备热切换,由于所有元数据都是在内存中,其处理效率非常高效,系统架构也非常简单,管理也很方便;
    • 2)TFS的DataServer作为分部署数据存储节点,同时也具备负载均衡和冗余备份的功能,由于采用自有的文件系统,对小文件会采取合并策略,减少数据碎片,从而提升IO性能;
    • 3)TFS将元数据信息(BlockID、FileID)直接映射至文件名中,这一设计大大降低了存储元数据的内存空间;
  • 优点
    • 1)针对小文件量身定做,随机IO性能比较高;
    • 2)支持在线扩容机制,增强系统的可扩展性;
    • 3)实现了软RAID,增强系统的并发处理能力及数据容错恢复能力;
    • 4)支持主备热倒换,提升系统的可用性;
    • 5)支持主从集群部署,其中从集群主要提供读/备功能;
  • 缺点
    • 1)TFS只对小文件做优化,不适合大文件的存储;
    • 2)不支持POSIX通用接口访问,通用性较低;
    • 3)不支持自定义目录结构,及文件权限控制;
    • 4)通过API下载,存在单点的性能瓶颈;
    • 5)官方文档非常少,学习成本高;
  • 应用场景
    • 1)多集群部署的应用
    • 2)存储后基本不做改动
    • 3)海量小型文件

根据目前官方提供的材料,对单个集群节点,存储节点在1000台以内可以良好工作,如存储节点扩大可能会出现NameServer的性能瓶颈,目前淘宝线上部署容量已达到1800TB规模(2009年数据)。

FastDFS

FastDFS是国人开发的一款分布式文件系统,目前社区比较活跃。如上图所示系统中存在三种节点:Client、Tracker、Storage,在底层存储上通过逻辑的分组概念,使得通过在同组内配置多个Storage,从而实现软RAID10,提升并发IO的性能、简单负载均衡及数据的冗余备份;同时通过线性的添加新的逻辑存储组,从容实现存储容量的线性扩容。

文件下载上,除了支持通过API方式,目前还提供了apache和nginx的插件支持,同时也可以不使用对应的插件,直接以Web静态资源方式对外提供下载。

目前FastDFS(V4.x)代码量大概6w多行,内部的网络模型使用比较成熟的libevent三方库,具备高并发的处理能力。

  • 特性
    • 1)在上述介绍中Tracker服务器是整个系统的核心枢纽,其完成了访问调度(负载均衡),监控管理Storage服务器,由此可见Tracker的作用至关重要,也就增加了系统的单点故障,为此FastDFS支持多个备用的Tracker,虽然实际测试发现备用Tracker运行不是非常完美,但还是能保证系统可用。
    • 2)在文件同步上,只有同组的Storage才做同步,由文件所在的源Storage服务器push至其它Storage服务器,目前同步是采用Binlog方式实现,由于目前底层对同步后的文件不做正确性校验,因此这种同步方式仅适用单个集群点的局部内部网络,如果在公网上使用,肯定会出现损坏文件的情况,需要自行添加文件校验机制。
    • 3)支持主从文件,非常适合存在关联关系的图片,在存储方式上,FastDFS在主从文件ID上做取巧,完成了关联关系的存储。
  • 优点
    • 1)系统无需支持POSIX(可移植操作系统),降低了系统的复杂度,处理效率更高
    • 2)支持在线扩容机制,增强系统的可扩展性
    • 3)实现了软RAID,增强系统的并发处理能力及数据容错恢复能力
    • 4)支持主从文件,支持自定义扩展名
    • 5)主备Tracker服务,增强系统的可用性
  • 缺点
    • 1)不支持POSIX通用接口访问,通用性较低
    • 2)对跨公网的文件同步,存在较大延迟,需要应用做相应的容错策略
    • 3)同步机制不支持文件正确性校验,降低了系统的可用性
    • 4)通过API下载,存在单点的性能瓶颈
  • 应用场景
    • 1)单集群部署的应用
    • 2)存储后基本不做改动
    • 3)小中型文件根据

目前官方提供的材料,现有的使用FastDFS系统存储容量已经达到900T,物理机器已经达到100台(50个组)。

MooseFS

MooseFS是一个高可用的故障容错分布式文件系统,它支持通过FUSE方式将文件挂载操作,同时其提供的web管理界面非常方便查看当前的文件存储状态。

  • 特性
    • 1)从下图中我们可以看到MooseFS文件系统由四部分组成:Managing Server 、Data Server 、Metadata Backup Server 及Client
    • 2)其中所有的元数据都是由Managing Server管理,为了提高整个系统的可用性,Metadata Backup Server记录文件元数据操作日志,用于数据的及时恢复
    • 3)Data Server可以分布式部署,存储的数据是以块的方式分布至各存储节点的,因此提升了系统的整体性能,同时Data Server提供了冗余备份的能力,提升系统的可靠性
    • 4)Client通过FUSE方式挂载,提供了类似POSIX的访问方式,从而降低了Client端的开发难度,增强系统的通用性

元数据服务器(master):负责各个数据存储服务器的管理,文件读写调度,文件空间回收以及恢复。

元数据日志服务器(metalogger):负责备份master服务器的变化日志文件,以便于在master server出问题的时候接替其进行工作。

数据存储服务器(chunkserver):数据实际存储的地方,由多个物理服务器组成,负责连接管理服务器,听从管理服务器调度,提供存储空间,并为客户提供数据传输;多节点拷贝;在数据存储目录,看不见实际的数据。

  • 优点
    • 1)部署安装非常简单,管理方便
    • 2)支持在线扩容机制,增强系统的可扩展性
    • 3)实现了软RAID,增强系统的 并发处理能力及数据容错恢复能力
    • 4)数据恢复比较容易,增强系统的可用性5)有回收站功能,方便业务定制
  • 缺点
    • 1)存在单点性能瓶颈及单点故障
    • 2)MFS Master节点很消耗内存
    • 3)对于小于64KB的文件,存储利用率较低
  • 应用场景
    • 1)单集群部署的应用
    • 2)中、大型文件

GlusterFS

GlusterFS是Red Hat旗下的一款开源分布式文件系统,它具备高扩展、高可用及高性能等特性,由于其无元数据服务器的设计,使其真正实现了线性的扩展能力,使存储总容量可 轻松达到PB级别,支持数千客户端并发访问;对跨集群,其强大的Geo-Replication可以实现集群间数据镜像,而且是支持链式复制,这非常适用 于垮集群的应用场景

  • 特性
    • 1)目前GlusterFS支持FUSE方式挂载,可以通过标准的NFS/SMB/CIFS协议像访问本体文件一样访问文件系统,同时其也支持HTTP/FTP/GlusterFS访问,同时最新版本支持接入Amazon的AWS系统
    • 2)GlusterFS系统通过基于SSH的命令行管理界面,可以远程添加、删除存储节点,也可以监控当前存储节点的使用状态
    • 3)GlusterFS支持集群节点中存储虚拟卷的扩容动态扩容;同时在分布式冗余模式下,具备自愈管理功能,在Geo冗余模式下,文件支持断点续传、异步传输及增量传送等特点
      Yuyj GlusterFS.png
  • 优点
    • 1)系统支持POSIX(可移植操作系统),支持FUSE挂载通过多种协议访问,通用性比较高
    • 2)支持在线扩容机制,增强系统的可扩展性
    • 3)实现了软RAID,增强系统的 并发处理能力及数据容错恢复能力
    • 4)强大的命令行管理,降低学习、部署成本
    • 5)支持整个集群镜像拷贝,方便根据业务压力,增加集群节点
    • 6)官方资料文档专业化,该文件系统由Red Hat企业级做维护,版本质量有保障
  • 缺点
    • 1)通用性越强,其跨越的层次就越多,影响其IO处理效率
    • 2)频繁读写下,会产生垃圾文件,占用磁盘空间
  • 应用场景
    • 1)多集群部署的应用
    • 2)中大型文件根据目前官方提供的材料,现有的使用GlusterFS系统存储容量可轻松达到PB
  • 术语
    • brick:分配到卷上的文件系统块;
    • client:挂载卷,并对外提供服务;
    • server:实际文件存储的地方;
    • subvolume:被转换过的文件系统块;
    • volume:最终转换后的文件系统卷。

Ceph

Ceph是一个可以按对象/块/文件方式存储的开源分布式文件系统,其设计之初,就将单点故障作为首先要解决的问题,因此该系统具备高可用性、高性能及可 扩展等特点。该文件系统支持目前还处于试验阶段的高性能文件系统BTRFS(B-Tree文件系统),同时支持按OSD方式存储,因此其性能是很卓越的, 因为该系统处于试商用阶段,需谨慎引入到生产环境。

  • 特性
    • 1)Ceph底层存储是基于RADOS(可靠的、自动的分布式对象存储),它提供了LIBRADOS/RADOSGW/RBD/CEPH FS方式访问底层的存储系统,如下图所示
    • 2)通过FUSE,Ceph支持类似的POSIX访问方式;Ceph分布式系统中最关键的MDS节点是可以部署多台,无单点故障的问题,且处理性能大大提升
    • 3)Ceph通过使用CRUSH算法动态完成文件inode number到object number的转换,从而避免再存储文件metadata信息,增强系统的灵活性
  • 优点
    • 1)支持对象存储(OSD)集群,通过CRUSH算法,完成文件动态定位, 处理效率更高
    • 2)支持通过FUSE方式挂载,降低客户端的开发成本,通用性高
    • 3)支持分布式的MDS/MON,无单点故障
    • 4)强大的容错处理和自愈能力5)支持在线扩容和冗余备份,增强系统的可靠性
  • 缺点
    • 1)目前处于试验阶段,系统稳定性有待考究
  • 应用场景
    • 1)全网分布式部署的应用
    • 2)对实时性、可靠性要求比较高官方宣传,存储容量可轻松达到PB级别

MogileFS

开发语言:perl

开源协议:GPL

依赖数据库

Trackers(控制中心):负责读写数据库,作为代理复制storage间同步的数据

Database:存储源数据(默认mysql)

Storage:文件存储

除了API,可以通过与nginx集成,对外提供下载服务。

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