lustre文件系统简介
集群文件系统lustre的介绍及应用
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Ｓ Ｉ Ｎ Ｅ Ｅ Ｈ Ｏ Ｏ ＹＩＦ Ｒ ＴＯ Ｃ Ｅ Ｃ ＆Ｔ Ｃ Ｎ Ｌ Ｇ Ｎ Ｏ ＭＡ Ｉ Ｎ
２１年 ０２
第５ 期
集群文件 系统 ｌｓ ｅ ｕｔ 的介绍及应用 ｒ
马 艳军 吕 爽 刘 一谦
ｆ 四川 省气 象信 息 中心 四川
【 摘
成都
６ ７ ） １０ １ ０
【 关键词 】 集群文件 系统 ；ｕ ｅＭＤ ； Ｓ ｄ ｄ Ｌｓ ； ＳＯ Ｔ； ｂ ￣ ｒ
Ｉ ｔ ｏ ｃ ｉ ｎ ａ ｄ Ａｐ ｉａｔ ｎ ｏ ｕｓｅ ｌ ｓｅ Ｌｕｓｒ ｎ ｒ ｄｕ ｔｏ ｎ ｐｌ ｉ ｆ Ｃｌ ｔ ｒ Ｆｉ Ｓｙ ｔ ｍ ｃ ｏ ｅ ｔｅ
ＭＡ ｎ ｊｎ Ｌ ｈ ａ ｇ Ｌ Ｕ Ｙｉｑａ Ｙａ －ｕ Ｖ Ｓ ｕ ｎ Ｉ — ｉｎ （ｉｈ ａ ｅｅ ｒｌｇｃｌ ｎｏｍａｉｎＣ ｎｒ， ｈ ｎ ｄ ｉ ｕ ｎ，１ ０ １ Ｓｃ ｕ ｎＭ ｔｏｏｏ ｉａ ｆｒ ｔ ｅ ｔｅ Ｃ ｅ ｇ ｕＳｃ ａ ６ ０７ ） Ｉｓｒ ｅ ｙｔｍ ａｃｉ ｃｕｅａｄ ｏｅａ ｏａ ｍ ｃａ ｉ ｆｔｅｌｓｅ ｃ ｓｅ ｌ ｙｔｍ ａ ｄｄｂ ．Ｌ ｓ ｅｃ ｓｅ ｌ Ａｂ ｔａｔ１ｌ ａ ｅ ｅｃ ｂ ｓｓｓ ｒｈｔ ｔｒ ｎ ｐ ｒｔ ｎ ｌ ｅｈｎｓ ｏ ｕｔ ｌ ｔｒｆｅｓｓ ｎ ｒｄ ｕｔ ｌ ｔｒｆｅ Ｉ ｉ ｉ ｅ ｅ ｉ ｍ ｈ ｒ ｕ ｉ ｅ ｒ ｕ ｉ
lusture 构架讲解
Lustre架构深度解析：原理、设计与应用**摘要**本文将对Lustre架构进行深入的分析和讲解。
从基本的定义和背景出发，逐步深入到其工作原理、设计考虑和应用领域，最后对其前景进行展望。
**一、引言**随着大数据时代的到来，传统的数据处理和分析手段逐渐显得力不从心。
在这样的背景下，Lustre架构应运而生。
它针对海量数据的处理、存储和分析进行了优化，为现代数据中心提供了一个高效、稳定的解决方案。
**二、Lustre架构概述**Lustre，是一个大规模的、集群的文件系统。
它被设计为满足高性能计算（HPC）环境中对数据的巨大需求，同时也可以应用于其他需要大量数据存储和处理的场景。
**三、工作原理**1. **文件系统结构**：Lustre的文件系统结构是分布式的，由元数据服务器（MDS）和对象存储服务器（OSS）组成。
MDS负责管理和维护文件系统的元数据，而OSS则负责实际数据的存储和检索。
2. **数据流程**：当客户端需要读取或写入文件时，它首先会与MDS交互，获取文件的元数据。
然后，客户端将根据这些元数据与相应的OSS交互，完成数据的读取或写入。
3. **并行处理**：Lustre支持并行I/O处理，这意味着多个客户端可以同时读取或写入同一个文件，大大提高了系统的整体性能。
**四、设计考虑**1. **高性能**：Lustre架构从设计之初就瞄准了高性能。
无论是元数据服务还是实际的数据存储，都采用了高性能的硬件和网络设备，确保系统能够在短时间内处理大量的数据请求。
2. **可扩展性**：随着数据的不断增长，系统需要有能力进行扩展。
Lustre架构支持在线扩展，可以在不中断服务的情况下增加存储容量和处理能力。
3. **容错性**：对于关键任务应用，数据的完整性和可用性至关重要。
Lustre提供了冗余和故障转移机制，确保在硬件故障时数据不会丢失，服务不会中断。
**五、应用领域**1. **高性能计算（HPC）**：HPC是对计算能力和数据吞吐量有巨大需求的领域。
lustre读流程 -回复
lustre读流程-回复Lustre是一个高性能并行分布式文件系统，专门设计用于大规模计算集群环境。
本文将详细介绍Lustre的读流程，从请求到数据传输的每个步骤，并解释每个步骤的重要性。
Lustre读流程可以分为以下几个步骤：1. 发起读请求：当一个应用程序需要从Lustre文件系统中读取数据时，它会向文件系统发起读取数据的请求。
这个请求包含了需要读取的文件、读取的偏移量和长度等信息。
2. 客户端认证：在Lustre中，客户端必须经过认证才能访问文件系统。
认证是通过客户端和Metadata Server之间的交互实现的。
在读取数据之前，客户端会向Metadata Server发送一个认证请求，包含客户端的身份和权限信息。
3. 元数据定位：一旦客户端通过认证，它将向Metadata Server发送一个元数据定位请求，以确定所需数据的位置。
Metadata Server维护着文件系统的元数据信息，包括文件和目录的层次结构，以及文件块在物理存储设备上的位置。
4. 数据位置定位：在接收到元数据的位置信息后，客户端将使用这些信息来定位包含所需数据的存储设备。
数据可能被分布在多个存储设备上，称为数据存储单元（Data Storage Unit，简称DSU）。
5. 数据访问权限检查：在向存储设备请求数据之前，客户端需要进行数据访问权限检查。
这是为了确保客户端有权访问所需的数据。
如果客户端没有相应的权限，访问请求将被拒绝。
6. 数据传输：一旦通过权限检查，客户端将与存储设备建立数据传输通道。
数据传输可能涉及多个存储设备，客户端将以并行方式从不同的存储设备中读取数据。
数据传输的性能主要取决于网络传输带宽和存储设备的响应速度。
7. 数据重组和交付：当所有数据被读取到客户端的缓冲区中后，Lustre 将对数据进行重组，以恢复原始的文件数据顺序。
这个过程被称为数据交付。
8. 数据缓存和应用程序交互：一旦数据交付完成，客户端可能会将数据缓存在本地内存中（视具体配置而定），以便后续的读取操作可以更快地访问数据。
lustre集群文件系统及性能介绍
30个线程
50个线程 100个线程
8724/8720
8928/8888 9179/9179
7132/32
7794/7794 8009/8009
3810/3808
4733/4733 5905/5905
10个进程 30个线程
7000/7000
8340/8340
5940/5940
三、性能测试结果
响应时间性能测试数据：
Lustre缺点 1、需要并且只能在linux部署lustre内核，软件部署 与linux操作系统绑定的比较紧密；
2、节点间故障切换要依赖于第三方的心跳技术，如
linux自带的heartbeat软件包
3、目前只能写一份数据，无法依靠lustre实现数据
镜像。
三、性能测试结果
测试内容：
本次测试的内容包括性能测试和故障切换 1. 性能测试主要测试集群文件系统的I/O读写性能效率 2. 故障切换主要测试集群文件系统在网络或系统失效情况下
Client
目录操作，文件开打/ 关闭，元数据，并发 操作 文件内容 ，IO及文 件锁
MDS
恢复，文件 状态和文件 创建
OSS
二、lustre的优缺点
lustre优点
提供数据共享和并行访问能力； 扩展性强：可以在线扩充系统总存储容量及通过增加节点 数扩充网络访问带宽； 适用范围广：在I/O级和数据吞吐率方面能满足全行内系统 均衡灵活的上传、下载文件；
的切换机制。
测试目标：
测试指标包括以下内容：不同文件系统下的tibco消息中间 件存储性能及系统命令工具的磁盘读写性能，系统CPU、 内存、IO等待数据、I/O idle比率等；模拟lustre故障切换
Lustre文件系统
✓ 文件元数据
文件数据分配布局策略 – (本地文件系统)
数据 数据
数据块
数据
. . . 块号码
块分配 基于块,分配器尝试分配
顺序块 Ext2
一级索引 二级索引 三级索引
. . . 块号码
范围(extent)分配 基于范围分配,
描述: 逻辑偏移/长度/物理偏移三元组 B+ 树
VxFS, JFS, reiserfs, xFS…
CMD --元数据分配方法
➢ Lustre结合了目前目录子树分区法和哈希法 的优点，提出了一种管理元数据的混合方法
创建新目录时总是通过哈希法选择一个与父目 录不同的元数据服务器
当一个目录变得很大或者非常繁忙时，Lustre 通过目录分割策略将该目录拆分成由若干个不 同的元数据服务器管理的子目录
Write (obj 2)
OST 2
OST 3
Achieve parallel Bandwidth to all OST’s
Odd blocks, even blocks
Lustre文件系统数据分布布局
➢ 由于Lustre采用了数据和元数据分离的基于 对象存储的体系结构，下面将从这两个方面 分别讨论Lustre数据的分布布局：
File open & write
Lustre Client
Linux VFS Lustre client FS
LOV
OSC OSC
1
3
MDC
Meta-data Server
File open request File meta-data Inode A (obj1, obj2)
MDS
Write (obj 1) OST 1
Lustre文件系统的性能优化研究
Microcomputer Applications V ol.27,No.5,2011设计与研究微型电脑应用2011年第27卷第5期3文章编号：1007-757X(2011)05-0031-03Lustre 文件系统的性能优化研究王博，李先国，张晓摘要：为了进一步推动Lustre 在海量存储系统中的应用，在分析其系统结构和数据存储分发机制的基础上，研究如何更全面的优化配置Lustre 。
结合具体实验环境，首先对比不同网络传输性能对Lustre 文件系统的影响；其次深入剖析Lustre 自身结构的特点，制定优化策略，同时针对不同的客户端配置也进行了测试优化研究。
最后，根据实验结果进一步明确并扩充了影响Lustre 文件系统性能的因素，提出一种整体优化Lustre 的方案。
关键词：Lustre ；文件系统；海量存储系统；性能优化；中图分类号：TP311文献标志码：A0引言随着海量存储对于容量和可扩展性要求的不断提高，传统的网络化存储架构，已经不能满足大规模数据存储的需要。
NAS [1]（Network Attached Storage ）系统操作简单、管理方便，但受它所采用的单个服务器的结构限制，其所能承载的容量有限，可扩展性较差；SAN [2]（Storage Area Network ）系统一般采用光纤通道（Fibre Channel ）交换设备将存储设备与应用服务器连接起来，数据传输性能较高，可扩展性较好，但由于SAN 仅提供块级数据的服务，无法在多个平台之间进行资源共享。
针对传统网络存储存在的不足，基于对象的存储框架应运而生[3]，它结合了NAS 和SAN 的优点，既支持直接访问磁盘提高性能，又可以通过共享的文件和元数据简化管理。
目前，主流的文件系统包括Cluster File Systems 公司的Lustre [4]，Panasas 公司的ActiveScale 以及中国科学院开发的蓝鲸文件系统。
分布式文件系统luster&MogileFS对比测试
群集文件系统测试介绍分布式文件系统能给用户带来更高的性能、扩展性和可用性，那么构建一个高性能的分布式文件系统又该从何处入手呢？基于Infiniband技术构建Lustre的实例可以让你见识到分布式文件系统的强大性能。
存储系统对于高性能计算平台的性能有重要的影响。
很多关键应用，如天气预报、洋流模拟等都有很高的I/O 吞吐量。
分布式文件系统以其高可靠性、高可扩展性、高性能和高性价比成为高性能计算平台存储系统的首选。
Lustre：该系统是sun公司收购的开源分布式文件系统。
在sun的网站有专门的页面，介绍比较完整，有用户手册和支持文档。
Sun和一些其他公司的存储解决方案均使用该系统。
关键词：→Infiniband 由Mellanox公司提出，是一种新的I/O总线技术，用于取代目前的PCI总线。
→Lustre 它是一个开放源码的基于对象存储的高性能分布式文件系统，由Cluster File System(CFS)公司研发。
→Portals 来源于Sandia大学的Puma轻量内核项目，主要用于高性能的消息传递。
Lustre作为新一代的基于对象的分布式文件系统，同一般的分布式文件系统，如NFS、GFS、PVFS等相比，具有独特的优势：●针对大文件读写进行优化，可以提供高性能的I/O；●数据独立存储；●服务和网络失效的快速恢复；●基于意图的分布式锁管理；●融合了传统分布式文件系统（如AFS和Locus CFS）的特色和传统共享存储集群文件系统（如Zebra、Berkeley XFS、GPFS、Calypso、InfiniFile 和GFS）的设计思想，具有更加有效的数据管理机制；●全局数据共享；●基于对象存储，使存储更具智能化；●系统可快速配置。
网络技术直接影响分布式文件系统的性能。
Infiniband作为一种新的网络类型，其低延迟、高带宽的特点可以为分布式文件系统提供良好的网络支持，提高结点间的通信速度，从而提升整个文件系统的性能。
lustre使用手册
lustre使用手册Lustre使用手册本手册旨在详细介绍Lustre文件系统的使用方法和功能。
下面将逐步介绍Lustre的安装、配置、常见操作以及附加功能。
1.Lustre的安装a) 安装依赖项：在安装Lustre之前，需要确保系统中安装了相应的依赖项，例如：- 块存储设备（例如硬盘）及其文件系统- Networking （NFS）服务器- Open Network Computing Remote Procedure Call（ONC RPC）- Linux内核模块- RPC映射器服务（portmap）b) 获取Lustre软件包：从官方网站Lustre软件包，并确保软件版本和适用的操作系统相匹配。
c) 安装Lustre软件包：按照软件包提供的说明和文档进行安装。
2.Lustre的配置a) 创建Meta数据服务：使用Lustre提供的工具在系统中创建Meta数据服务，设置其属性和权限。
b) 创建Object存储服务：同样，使用Lustre提供的工具在系统中创建Object存储服务，设置其属性和权限。
c) 创建Lustre文件系统：在Meta数据服务和Object存储服务创建成功后，使用Lustre工具创建Lustre文件系统，并进行必要的配置。
3.Lustre的常见操作a) 文件和目录操作：包括创建文件和目录、删除文件和目录、复制和移动文件等。
b) 权限管理：涵盖给用户和组分配权限、更改文件和目录权限、查看权限等。
c) 文件系统监控：介绍如何监控Lustre文件系统的使用情况、性能和健康状态，并提供相应的工具和命令。
d) 快照和回滚：讲解如何创建Lustre文件系统的快照以及如何回滚到先前的快照。
e) 数据迁移与备份：介绍数据迁移和备份的方法和工具。
4.Lustre的附加功能a) 对象存储功能：详细介绍Lustre的对象存储功能，并说明如何在Lustre文件系统中使用对象存储。
b) 安全特性：讲解Lustre的安全特性，例如数据加密、身份认证和访问控制等。
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lustre文件系统简介•分布式文件系统主要分为三大类：-网络文件系统（瓶颈在存储服务器端）
・NFS、Coda、Sprite LFS
-存储区域网文件系统（瓶颈在元数据服务器）・GPFS
-基于对象的分布式文件系统
・Lustre> Google File System和HDFS
什么是Lustre
•基于对象存储的分布式文件系统
•基于廉价的SATA磁盘驱动器构建超大规模存储集群，不需要专门的硬件支持
•支持大多数高速网络类型
•高吞吐量、高扩展性和高性能
•有效的数据管理机制、全局数据共享、失效替代和系统可快速配置等功能
Lustre文件系统体系结构
•兀数据服务器MDS(Meta Data Server)
•对象存储服务器OSS(Object Storage Server) •客户端(Client)
•元数据目标设备MDT(Meta Data Target)
•对象存储目标设备OST(Object storage Target) •连接这些组件的高速网络
Metadata Server (MDS)
Target (MDT)
Ob)ed Storage
Servers (OSS)
Object Storage
largets (OST)
元数据服务器MDS
•负责元数据服务，同时管理整个文件系统的命名空间
•多个MDS之间共享访问一个MDT
•每个MDT保存文件元数据对象，例如文件名称、目录结构和访问权限等
• Client通过MDS读取到保存于MDT上的元数据
OSS 和Client
•OSS负责客户端和物理存储之间的交互及数据的存储，向外提供数据的I/O接口
•每个OSS管理一个或者多个OST,存储文件数据
•Client通过OSS访问保存在OST上的文件数据•Client挂载了Lustre文件系统的任意节点，实现了可移植POSIX文件系统接口
•用户通过client可以透明的访问整个文件系统时数据
•客户端与MDS之间进行元数据的•客户端与OSS之间进行文件数交互、目录管理、文件的打开和据的交互，包括文件I/O锁操作
关闭、并发访问控制等。
和数据的读写等。
MDS
Lustre文件系统逻辑结构
LNET责将这些信息送到实际的网络传输线路中
PTR-RPC负责处理三部分之间的RPC 请求与应答
MDS模块将客户端请求进行分发元数据请求交由日志模块Journal处理，记录元数据操作日志将元数据操作由Fsfilt wrapper模块记录在后端存储端
锁请求交由Ldlm处理，获得文件的意图锁
Fsflit定义了一个一般性API,从而将Lustre特有的请求翻译为后端文件系统特有的请求
OSS
•OST模块主要将来自客户端的请求进行
分发，其中的数据请求交给OBDfilter
模块处理；
•OBDfilter模块主要实现Lustre和其运
行平台的高效通信，结合Idiskfs可以
提供应用层一般的文件操作接口
• Idiskfs是Linux ext3和ext4文件系统
的超集，用在服务器端，作为底层的
本地文件系统
•锁请求交由分布式锁管理器Ldlm处理,
获得文件的范围锁
Lustre文件系统逻辑结构
・客户端节点的Llite模块主要提供与支持
标准可移植POSIX语法的linux的VFS层相兼
容的接口；
・逻辑对象卷LOV模块主要通过其下层的对
象存储客户端OSC为Llite提供对象存储的
API接口；
・元数据客户端MDC模块主要被Llite用来
与元数据服务器进行通信，为用户提供与各
个元数据服务器进行命名空间操作交互的元
数据对象API接口；
・OSC模块主要用来与对象存储设备进行文
件数据I/O以及锁服务的交互，每一个OSC
都对应一个OST
Lustre文件系统逻辑结构
Lustre的分布式锁管理者(LDLM) •意图锁：用于文件元数据的访问，通过执行锁的意图减少元数据访问所需的消息传递次数，从而减少每次操作的延迟
•范围锁：保护细粒度的文件数据并发访问, 为所有用户提供一致性的文件系视图
Lustre客户端缓存机制
・Lustre在客户端的内存空间开辟一段缓存区，客户端把首次访问的文件对象保存在自己的高速缓存中, 尽量减少与服务器的交互次数，从而降低网络开销。
•客户端执行文件读取操作时
-1.向MDS发送元数据请求，获得元数据信息，并保存到
客户端本地的高速缓存中；
-2•客户端与相应的OST建立连接，将实际的文件数据读
入高速缓存，应用程序再从高速缓存中执行文件读取操
作。
VTS
Rertiote MDS
Lustre客户端缓存一致性问题
图4.1并发写引发的数据不一致图4.2读•写•读引发的数据不一致
致性问题解决方法
・并发写造成的不一致：
-采用分布式锁管理机制LDLM,通过对元数据加意图锁, 对数
据加范围锁，保证元数据并发操作的一致性
-对长期占有锁资源的进程，采用锁回调callback机制释放
锁资源
・读写读造成的不一致：
-客户端对本地已经缓存过的文件进行再次访问时，仍需要
与MDS进行一次交互获得最新的元数据信息，之后再和本地缓存的元数据信息进行比对
-如果一致就从本地缓存中读取文件数据，否则就与相应的
OST建立连接重新获取文件数据
备份服务器Failover
・Lustre系统中的每个节点(MDS/OST)—般都可以配置备份服务器
・两个服务器采用共享磁盘存储的方式来存放数据・当服务器或网络连接发生失效时，就会导致客户端数
据访问超时，客户端会查询备份服务器的数据・得到信息后，立即将后续的请求重定向到备份服务器
图4高能所Lustre部署图
高能所的Lustre部署有四个特点：
・（1）元数据服务器MDS分为主从，但是无法在线备份和容错；• （2）米用万兆以太网；
・（3）没有采用分片存储，一个文件仅存储在一个OST上；
・（4）存储设备采用廉价的SATA盘，通过RAID6实现数据可靠性。