Curve 技术解析之 MDS 元数据管理
Curve简介
Curve是网易数帆于今年7月份开源的一个高性能、高可用、高可靠的分布式存储系统，主打高性能、低延迟。
Curve设计可以作为多种存储场景的底层存储：例如块存储，对象存储，云原生数据库，EC等。
当前Curve已实现高性能块存储，并且基于这⼀场景对接了OpenStack 和 Kubernetes。OpenStack 上主要是用做云主机的系统盘和云盘，目前已经在线上稳定一年多了。Kubernetes上主要是想作为计算节点的数据目录，这个场景目前在灰度环境中测试验证中。
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github主页：https://opencurve.github.io/
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github代码仓库：https://github.com/opencurve/curve
如上图所示，Curve存储系统的基础设计框架与经典的GFS基本类似，采用有中心节点的架构，核心服务由三个部分组成：
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元数据节点MDS，主要有两个职责，一方面管理和存储元数据信息，另一方面感知集群状态并进行调度。元数据存储在etcd中。
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数据节点ChunkServer， 一方面负责数据的存储，另一方面负责数据一致性（如果底层是多副本，需要负责副本间的数据一致性）。
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客户端Client， 向上层应用提供对文件的操作接口(open、read、write等)， 会和MDS以及ChunkServer交互，与MDS交互实现对元数据的增删改查；与ChunkServer交互实现对数据的增删改查。
还有一个快照克隆服务器：
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快照克隆服务器独立于核心服务，对外提供了http接口，用于处理和管理快照克隆任务。
这篇文章会介绍Curve的元数据的管理，主要是MDS的元数据的管理。
MDS是Curve的元数据管理服务，负责整个集群的元数据管理。MDS的所有元数据信息都会持久化到kv存储中，Curve选择了etcd作为元数据的存储。
为了加快元数据的访问，mds还在内存维护了一个元数据的cache。cache采用LRU(Least Recently Used)淘汰策略，cache最多缓存的记录条目数量，通过mds的配置文件进行配置。
mds存储的元数据包含拓扑信息的元数据，namespace的元数据。所有的信息都是经过一定的编码，以kv的方式保存在元数据中。不同类型的元数据的编码方式不同，所有保存在mds的元数据的key都是以 “prefix + 其他字段”的方式进行编码。value则是对应的元数据序列化为字符串。
不同类型的元数据的前缀不同，这些前缀比如：
const char FILEINFOKEYPREFIX[] = "01";const char SEGMENTINFOKEYPREFIX[] = "02";const char SNAPSHOTFILEINFOKEYPREFIX[] = "03";const char CHUNKSTOREKEY[] = "05";const char TOPOLOGYITEMPRIFIX[] = "10";
拓扑元数据信息
curve的拓扑信息由mds的topology模块管理，topology管理集群的 topo元数据信息。用于管理和组织机器，利用底层机器的放置、网络的规划以面向业务提供如下功能和非功能需求。
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故障域的隔离：比如副本的放置分布在不同机器，不同机架，或是不同的交换机下面。
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隔离和共享：不同用户的数据可以实现固定物理资源的隔离和共享。
下图是一个topology的层级关系图。一个集群可以支持1到多个Pool，每个Pool下有多个zone，每个zone由多个server组成，每个server上有多个chunkserver。
介绍一下各个组件的概念。
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pool: 用于实现对机器资源进行物理隔离，server不能跨Pool交互。运维上，建议以pool为单元进行物理资源的扩容。
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zone: 故障隔离的基本单元，一般来说属于不同zone的机器至少是部署在不同的机架，一个server必须归属于一个zone。
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server: 用于抽象描述一台物理服务器，chunkserver必须归属一个于server。
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Chunkserver: 用于抽象描述物理服务器上的一块物理磁盘(SSD)，chunkserver以一块磁盘作为最小的服务单元。
curve在上物理pool之上又引入了逻辑pool的概念，以实现统一存储系统的需求，即在单个存储系统中可以同时支持块存储、对象存储、进行对象存储。
Curve底层通过不同的文件类型支撑不同上层应用， curve的数据组织形式是文件。Curve提供三种文件类型，PageFile、AppendFile、AppendECFile
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PageFile支持块设备。
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AppendFile支持在线对象存储（规划中）。
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AppendECFile支持近线对象存储可以共存（规划中）。
目前我们只实现了对块存储的支持。
如下图所示LogicalPool与物理pool为多对一的关系，一个物理pool可以存放各种类型的file。当然由于curve支持多个pool，可以选择一个logicalPool独享一个pool。
topo的元数据信息的来源有两种：一部分是curve集群上线时确定的；还有一部分是集群在运行的过程中，通过心跳上报的信息。
集群上线的topo信息，这个是集群上线时，在配置文件中指定。比如下面是一个新集群上线的例子，一个简单的配置文件如下。在这个集群中，有一个物理pool pool1，这个物理pool由3个zone组成，分别为zone1, zone2, zone3。每个zone有一台server。在物理pool上，还创建了一个逻辑pool，逻辑pool使用3个zone，采用3副本。
cluster_map:servers:- name: server1internalip: 192.168.0.1internalport: 8200externalip: 192.168.0.1externalport: 8200zone: zone1physicalpool: pool1- name: server2internalip: 192.168.0.2internalport: 8200externalip: 192.168.0.2externalport: 8200zone: zone2physicalpool: pool1- name: server3internalip: 192.168.0.3internalport: 8200externalip: 192.168.0.3externalport: 8200zone: zone3physicalpool: pool1logicalpools:- name: logicalPool1physicalpool: pool1type: 0replicasnum: 3copysetnum: 100zonenum: 3scatterwidth: 0
心跳上报的topo信息，主要是chunkserver和mds之间的心跳信息。chunkserver会定期向mds发行心跳信息，在心跳信息中其实带有chunkserver的状态信息，比如chunkserver上的负载、容量、副本状态、是否可用等信息。mds根据收到上报的信息，更新拓扑元数据。如果mds一段时间没有收到chunkserver心跳，还会修改chunkserver的状态。
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Online: chunk server在线，正常服务。
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Unstable: chunk server一段时间没收到心跳（默认30s），但是还没有到达offline的时间（默认30min），chunkserver状态改为unstable状态，打印一条warning日志。
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Offline :chunk server超过offline的时间没有收到心跳（默认30min）， chunkserver状态改为offline，打印一条error日志。调度模块感知到offline状态，触发chunk server的recover修复。
namespace元数据信息
curve目前仅支持块存储，每个块设备在mds都有一个对应的文件。为了方便管理，curve还引入类似于文件系统那种层次结构。一个curve集群在curvefs中有且仅有一个根目录“/”，根目录在系统初始化的时候自动创建。目录可以嵌套，目录下可以存放子目录或者文件。
curve的namespace信息一方面保存着文件和目录的元数据信息，一方面还保存着文件和目录的层次关系。
无论是目录，还是文件，统一都用FileInfo表示，区别在于他们的类型不一样。
FileInfo的编码方式：
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key：prefix(2Byte)+parentId(8Byte)+fileName；
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Value：FileInfo序列化后的字符串。
FileInfo的各个字段含义如下：
如下图所示的一个curvefs的目录层次结构，根目录下有目录home和文件tmp，home下有目录dir1，目录dir2，文件filez，dir1下有文件filex，dir2下有文件filey。
如上图所示。这些文件和目录经过编码，以kv的方式保存在etcd中。文件和目录的key的前缀都相同，这里省略了prefix，在KV中，Key是ParentID + "/"+ BaseName，Value是自身的文件ID；这种方式可以很好地平衡几个需求：
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文件列目录：列出目录下的所有文件和目录
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文件查找：查找一个具体的文件
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目录重命名：对一个目录/文件进行重命名
地址空间映射元数据信息：
curve的空间采用瘦分配（thin provisioning）的方式进行空间分配，也就是说卷在开始创建的时候，是没有实际分配空间的，仅仅是在元数据中记录了文件的长度和空间分配的粒度，真正的空间分配只有在地址第一次真正访问到的时候才会触发。
curve的底层按照chunk进行空间管理，但是chunk的切分粒度比较小，如果按照chunk进行分配，大量chunk分配会对元数据造成一定的压力，而且对性能也有影响。所有chunk的分配按照批量分配的原则，也就是一次性分配一批chunk。在chunk之上引入了一个segment的概念。Segment是⼀个逻辑概念，也是空间分配的基本单元。在curve中，一个curve文件会按照segment为粒度去进行空间分配。chunk外⾯包⼀层segment的好处是减少元数据量。
如下图所示，一个curve的文件由若干个segment组成，segment的大小由配置文件指定，目前curve默认segment的粒度为1GB，所以curve的文件大小必须是1GB的整数倍。一个segment由若干个chunk组成。
client在对空间进行读写请求之前，会先去mds查询指定offset和length的空间所在的segment的元数据信息。并把这个元数据信息缓存在client本地，以后client就可以使用缓存在本地的元数据信息对数据进行访问。segment元数据信息包含了以下的字段。
所有的文件在curve中都是由多个Segment组成的。每个segment的元数据记录着该segment是从哪个logicalpool分配出来，这个segment的size，组成这个segment的chunk的size，这个segment在文件中的偏移，以及这个组成这个segment的每一个chunk的信息。
Segment的持久化，Segment的编码方式：
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key：prefix(2Byte)+文件的inodeid(8Byte)+offset(8Byte)；
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Value：PageFileSegment序列化后的字符串。
Segment是由多个chunk组成的，这里的chunk是实际的物理存储单元，对应着chunk server上的⼀个物理⽂件。chunk的元数据，包含了chunk所属的copyset id和chunkid。
每个chunk实际上由多个副本的组成的，chunk的实际的存储位置，由copyset确定。copy保存着chunk的复制组的成员关系，在copyset中，记录着chunk的3个副本实际上分布在哪些chunkserver节点上。copyeset类似于ceph中的pg。为什么不直接记录chunk的3个副本，而是通过chunk→copyset，copyset→三个副本的方式存储元数据呢？
这里简要介绍下引入copyset的好处，后期curve团队还会对copyset进行更加详细的介绍。
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减少元数据量：一般来说实际物理文件chunk不会设置的太大，都是M级别的。如果直接去记录这些chunk的信息，元数据量会很大。引入copyset可以认为就是分组，对于chunk的信息记录就是组信息+组内信息，数据量会少很多。如果为每个Chunk去保存复制组成员关系，需要至少 ChunkID+3×NodeID=20 个byte，而如果在Chunk到复制组之间引入一个CopySet，每个Chunk可以用ChunkID+CopySetID=12个byte。
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减少复制组数量：如果一个数据节点存在 256K个复制组，复制组的内存资源占用将会非常恐怖；复制组之间的通信将会非常复杂，例如复制组内Primary给Secondary定期发送心跳进行探活，在256K个复制组的情况下，心跳的流量将会非常大；而引入CopySet的概念之后，可以以CopySet的粒度进行探活、配置变更，降低开销。
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提高数据可靠性：在数据复制组过度打散的情况下，在发生多个节点同时故障的情况下，数据的可靠性会受到影响。引入CopySet，可提高分布式存储系统中的数据持久性，降低数据丢失的概率。
小结
至此，这篇文章分别从拓扑信息的元数据、namespace元数据、地址空间映射元数据三个方面，介绍了Curve的MDS的元数据的管理，介绍了拓扑信息的组成，元数据的持久化，空间的分配等。
更多Curve MDS技术解读，参考以下视频：
后续Curve团队还会陆续对Curve其他部分进行介绍，欢迎大家持续关注。
作者简介
陈威，网易数帆存储团队资深开发工程师，有多年存储阵列、分布式存储研发运维经验。
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Curve项目已经完全开源到github：https://github.com/opencurve/curve，欢迎感兴趣的小伙伴去star&&fork。如对curve有疑问或者想参加curve的开发，欢迎给我们提issue或者pr。
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