一种基于pNFS协议的对象文件系统的设计与实现

随着存储规模的持续增长,SAN环境中基于块的集群文件系统的元数据服务越来越成为系统进一步扩展的瓶颈,基于对象存储设备(OSD)的文件系统成为未来大规模分布式文件系统发展的方向.Linux已有的基于OSD的pNFS文件系统为pNFS+exofs的解决方案,它将文件系统的元数据与数据都保存在OSD上.提出一种新的基于pNFS协议的对象文件系统的实现方案,将元数据和数据的保存和服务分离,文件系统的元数据保存在本地文件系统中,数据保存在OSD设备上.相此已有的pNFS+exofs的方案,该方案的实现和部署更加灵活方便,同时减轻了OSD模拟器的读写负载,有利于元数据和数据存储和服务的单独扩展.     

一种OSD文件系统的设计

OSD文件系统主要承担通用文件系统中存储管理部分的功能,其与通用文件系统存在很大的差异,针对OSD的特征,设计了一种适用于小对象的OsD文件系统,其中提出了“盘区记录表”这种对象ID到对象数据的映射方式和一种新的空间分配策略,同时结合空间分配方式的特点提出了一种主动对象数据调整策略.实验表明,该文件系统在管理小型对象时能有效提高读写性能.     

基于对象存储系统中安全机制的研究

提出了一种用于基于对象存储（OBS）系统中的安全机制，它采用的基于证书的访问控制机制保证了用户对基于对象的存储设备（OSD）中对象的合法访问以及客户和OSD之间所交换的命令和数据的完整性，而安全的基于对象的文件系统的实现又保证了OSD中所存放的数据的保密性，而且还使得系统具有足够的灵活性实现用户之间数据的共享．另外，实验结果表明。系统采用该安全机制所造成的性能损失也是比较小的．对于随机读写安全所造成的性能损失几乎可以忽略不计；对于顺序读写，性能下降了7％-28％．     

一种基于对象存储的文件系统的设计

随着存储技术的飞速发展,对象存储设备面临如何高效存储并管理TB级容量数据的问题.针对Linux通用文件系统Ext2在处理大文件和巨型目录结构时存在的局限性,采用B 树结构设计并实现了一种基于连续块的对象文件系统.对该文件系统进行的测试结果表明,该文件系统的读写效率较高,而且随着文件的增大,性能保持稳定.     

基于对象存储的负载均衡存储策略

对象存储文件系统中将大数据文件分片存储到多个存储节点上,以获取更好的并行I/O性能,提高系统吞吐率.现有对象存储文件系统的存储策略并未充分考虑存储对象本身负载的动态变化,不利于提高系统资源利用率.针对此问题,考虑存储对象的空间及I/O等负载实时变化,提出了一种简单、灵活、高效的负载均衡存储策略,并对该策略进行了实现.实验结果表明,该策略能有效提高对象存储系统资源的利用率和吞吐率,保证对象存储文件系统高效的读写性能.     

对象存储系统的研究

SCSI, ATA/IDE等现有的基于块的存储接口已成为提升存储系统性能、降低存储管理成本的障碍。对象存储技术有望改变现状，成为下一个标准存储接口，使得建立拥有自主管理、数据共享、安全和智能化等特征的存储网络成为可能。该文分析对象存储的特点，设计并实现一个简单的对象存储系统原型，该对象存储系统遵照对象存储的OSD T10标准，由客户端、目标端和IP网络构成，采用iSCSI作为通信协议。读写性能测试分析结果表明，该系统可以满足实际需求。     

纯用户态的网络文件系统——RUFS

针对在使用高速存储硬件时常规网络文件系统会被软件开销影响整体性能的问题,提出了利用存储性能开发套件（SPDK）搭建文件系统的方法,并在此基础上实现了一个网络文件系统RUFS的原型。该系统通过键值存储模拟文件系统的目录树结构以及对文件系统的元数据进行管理,通过SPDK存储文件的内容。另外,利用远程直接内存访问（RDMA）技术对外提供文件系统服务。RUFS相较于NFS+ext4,在4 KB随机访问上,读写吞吐性能分别提高了202.2%和738.9%,读写平均延迟分别降低了74.4%和97.2%;在4 MB顺序访问上,读写吞吐性能分别提高了153.1%和44.0%。在大部分元数据操作上,RUFS相比NFS+ext4也有显著优势,特别是文件夹创建操作,RUFS的吞吐性能提高了约5 693.8%。该系统能够充分发挥高速网络和高速存储设备的性能优势,为用户提供延时更低、吞吐性能更好的文件系统服务。     

基于策略的对象存储文件系统管理模型研究

基于对象存储文件系统结构特点和策略管理思想,提出了对象存储文件系统管理的一般模型.定义了两种策略结构,并通过分析对象存储文件系统节点状态转换逻辑关系,给出了管理策略订制的理论依据.模型及其管理策略订制方法在Lustre对象存储文件系统中得到应用,效果良好.     

纯用户态的网络文件系统——RUFS

针对在使用高速存储硬件时常规网络文件系统会被软件开销影响整体性能的问题，提出了利用存储性能开发套件（SPDK）搭建文件系统的方法，并在此基础上实现了一个网络文件系统RUFS的原型。该系统通过键值存储模拟文件系统的目录树结构以及对文件系统的元数据进行管理，通过SPDK存储文件的内容。另外，利用远程直接内存访问（RDMA）技术对外提供文件系统服务。RUFS相较于NFS+ext4，在4 KB随机访问上，读写吞吐性能分别提高了202.2%和738.9%，读写平均延迟分别降低了74.4%和97.2%；在4 MB顺序访问上，读写吞吐性能分别提高了153.1%和44.0%。在大部分元数据操作上，RUFS相比NFS+ext4也有显著优势，特别是文件夹创建操作，RUFS的吞吐性能提高了约5 693.8%。该系统能够充分发挥高速网络和高速存储设备的性能优势，为用户提供延时更低、吞吐性能更好的文件系统服务。     

基于对象的文件系统I/O分析与评测

目前基于对象的存储设备中多采用通用的文件系统如EXT2、EXT3等进行管理,但面临着对海量数据的高效存储、管理问题.基于对象的文件系统实现了对象按大小在磁盘区域中组织管理,并采用了Hash、最坏适应等机制,提高磁盘利用率的同时显著提升了磁盘吞吐率.对EXT2、EXT3、基于对象的文件系统进行了L/O性能测试及分析.实验表明,基于对象的文件系统的I/O性能是EXT2、EXT3文件系统的2到3倍.     

适用于网络流量延时重放的线性文件系统

在分析了传统的网络流量重放和文件系统技术的基础上,提出了一种可应用于入侵检测系统的网络流量延时重放模型,设计并实现了基于Linux的高速线性文件系统.实验结果表明,该线性文件系统磁盘顺序读写性能优于其它主流文件系统,在网络流量延时重放的应用下,系统吞吐量较采用ext2文件系统提高3%,在高速大容量的IP分组存取条件下可有效地减少系统开销,具有一定的实用价值.     

SFFS：低延迟的面向小文件的分布式文件系统

社交网站和电子商务等网络服务发展迅速,这类服务需要存储大量图片、音乐、微博文本等小文件。传统的分布式存储系统,如HDFS（Hadoop distributed file system）,是面向大文件而设计的,在存储小文件时会产生元数据开销过大,访问延迟较高等问题,不能适应存储海量小文件的应用环境。分析了TFS（Taobao file system）的系统架构和读写流程,发现TFS在每次读/写过程中至少要建立3次网络连接,增大了读写延迟。针对海量小文件存储带来的挑战和TFS存在的问题,提出了一种新的低延迟、高可用的面向海量小文件的分布式存储方案,并实现了分布式文件系统SFFS（small-file file system）。性能测试表明,SFFS和TFS相比,写延迟降低了76.6%,读延迟降低了约10%。通过对系统结构的分析,相比于TFS,SFFS在中心节点的负载更轻,失效恢复更快,在可用性方面更有优势。     

几个常见分布式文件系统特征分析和性能对比

近年来随着云计算市场规模不断增长,作为云计算平台基础设施的云存储系统也随之显得越来越重要。数以万计的互联网应用已经运行于云计算环境,同时大量不同的应用也即将从传统运行环境转移到云计算平台。不同的互联网应用的存储需求可能不一样。例如:应用中涉及的单个文件大小,文件数量,IO访问模式,读写比率等,都对底层存储系统提出了不同的要求。这说明在云计算环境中,单个文件系统可能无法满足全部应用的存储需求,本文尝试通过在单一云计算平台中部署多个不同分布式文件系统来优化存储系统的总体性能。为了优化混合式文件系统的性能,首先需要分析不同文件系统的性能特征。本文通过量化方法分析了云计算环境下几个常用的分布式文件系统,这些文件系统分别是ceph,moosefs,glusterfs和hdfs。实验结果显示:即使针对同一文件的相同读写操作,不同分布式文件系统之间的性能也差异显著,当单个文件的大小小于256MB时,moosefs的平均写性能比其它几个文件系统高22.3%;当单个文件大小大于256KB时,glusterfs的平均读性能比其它几个文件系统高21.0%。这些结果为设计和实现一个基于以上几个分布式文件系统的混合式文件系统提供了基础。     

基于RAM/Disk混合设备模型的FC-SAN存储系统

磁盘存取是基于光纤通道网络的SAN存储系统的目前性能瓶径，在综合和分析目前各种文件系统I／O操作工作负载的研究结果的基础上，提出了一个新的改进FC-SAN存储系统性能的方法：将各种文件系统I／O操作分为大数据量的文件读写操作、小数据量的文件读写操作和文件属性操作，大数据量的文件读写操作还是按照原来的I／O路径进行，存取物理磁盘；但其他各种文件操作包括小数据量的文件读写操作对基于内存的RAMDisk设备进行操作，实验结果显示，基于混合I／O子系统的FC-SAN存储系统的存取速率可以接近线速。     

应用透明的超算多层存储加速技术研究

在E级计算时代,超算系统一般使用多层存储架构以满足应用数据访问的容量和性能需求,这种架构中不同层次的存储介质差异较大,难以实现统一名字空间管理,往往需要应用修改数据访问流程才能最大程度利用到多层存储的性能和容量优势。针对多层存储统一名字空间的问题,提出针对非易失性双列存储模块（NVDIMM）的块级缓存和针对突发缓冲存储（BB）的文件级缓存技术。基于NVDIMM的块级缓存技术对缓存窗口灵活控制,以支持数据块粒度的异步读写,实现NVDIMM与BB层统一名字空间管理;基于BB的文件级缓存技术将数据缓存在BB层中,并动态迁移和管理文件副本,实现BB层与传统磁盘文件系统统一名字空间管理。在神威E级原型验证系统中的测试结果表明,所提出的两种技术较好地解决了多层存储的透明加速难题,NVDIMM块级缓存与BB相比,在缓存窗口16 MB时128 KB顺序读写带宽分别提升27%和36%,8 KB随机读写带宽分别提升20%和37%;基于BB的文件缓存技术利用BB的高带宽支撑数据访问,与全局文件系统相比,128 KB顺序读写带宽分别提升55%和141%,8 KB随机读写带宽分别提升163%和209%。此外,实际应用的测试也表明以上两种缓存技术具有透明的存储加速效果。     

A novel dynamic network data replication scheme based on historical access record and proactive deletion

Data replication is becoming a popular technology in many fields such as cloud storage, Data grids and P2P systems. By replicating files to other servers/nodes, we can reduce network traffic and file access time and increase data availability to react natural and man-made disasters. However, it does not mean that more replicas can always have a better system performance. Replicas indeed decrease read access time and provide better fault-tolerance, but if we consider write access, maintaining a large number of replications will result in a huge update overhead. Hence, a trade-off between read access time and write updating cost is needed. File popularity is an important factor in making decisions about data replication. To avoid data access fluctuations, historical file popularity can be used for selecting really popular files. In this research, a dynamic data replication strategy is proposed based on two ideas. The first one employs historical access records which are useful for picking up a file to replicate. The second one is a proactive deletion method, which is applied to control the replica number to reach an optimal balance between the read access time and the write update overhead. A unified cost model is used as a means to measure and compare the performance of our data replication algorithm and other existing algorithms. The results indicate that our new algorithm performs much better than those algorithms.     

A high performance NAND array file system based on multiple NAND flash memories

The existing NAND flash memory file systems have not taken into account multiple NAND flash memories for large-capacity storage. In addition, since large-capacity NAND flash memory is much more expensive than the same capacity hard disk drive, it is cost wise infeasible to build large-capacity flash drives. To resolve these problems, this paper suggests a new file system called NAFS for large-capacity storage with multiple small-capacity and low-cost NAND flash memories. It adopts a new cache policy, mount scheme, and garbage collection scheme in order to improve read and write performance, to reduce the mount time, and to improve the wear-leveling effectiveness. Our performance results show that NAFS is more suitable for large-capacity storage than conventional NAND file systems such as YAFFS2 and JFFS2 and a disk-based file system for Linux such as HDD-RAID5-EXT3 in terms of the read and write transfer rate using a double cache policy and the mount time using metadata stored on a separate partition. We also demonstrate that the wear-leveling effectiveness of NAFS can be improved by our adaptive garbage collection scheme.