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分布式存储系统之元数据管理的思考

在使用和设计分布式存储系统时，非常重要的一个环节是数据寻址，即定位一个key的数据副本存放在哪个机器(甚至哪块磁盘)；目前有几种常用的解决方案：中心节点管理元数据，分布式管理元数据，无元数据设计；本文结合自身经验谈谈三种方案的特点：

1. 中心节点管理元数据 ：在设计分布式(存储)系统时，使用中心节点是非常简介、清晰地一种方案，中心节点通常兼具元数据存储与查询、集群节点状态管理、决策制定与任务下发等功能；

优点：

A.由于其元数据集中式管理的特点，可以方便的处理集群运维管理的统计分析类需求；

B. 中心节点记录了用户数据的状态信息(即元数据)，在扩容时，可以选择不做rebalance操作(rebalance引起的数据迁移可能带来巨大的性能开销)，且仍能正常寻址；

缺点及解决方案：

a.单点故障是设计分布式系统最忌讳的问题之一，中心节点简洁的设计也带来了此问题，如何实现HA呢？；解决方案：(1)使用主备模型，主备之间使用同步或异步的方式进行增量或全量的数据同步(如 TFS ,mfs， HDFS2.0等) ，或者主备之间使用远端共享存储(如HDFS2.0，远端存储需要高可用)；

b.存在性能和容量扩展上限，集中式中心节点自身硬件设施存在扩展(scale up)上限及查询式寻址方式，导致此问题；即使client缓存元数据或使用缓存集群，也不能在根本上消除上限，在某些场景下(如海量小文件)，此问题仍然存在；解决方案：(1)优化升级硬件，如使用SSD，大内存等机器；(2)当面临此问题时，考虑使用分布式管理元数据方案。

2. 分布式管理元数据 ：和中心节点的方案相似，只是将元数据分片并使用分布式节点管理存储，在保有中心节点方案优点的同时，解决了性能和容量扩展上限的问题，同时，多个节点同时提供元数据查询服务，系统性能得到提升；

缺点：此类系统较为少见(本人所知的有：商用分布式文件系统龙存，开源系统 hdfs-federation )，本身系统结构复杂，实现也有一定难度;

a.系统包含两种相对独立的分布式节点：元数据节点，数据节点，它们均是带状态节点，每种节点组成的分布式模块都要面临分布式CAP原则的取舍，都要做到可扩展，尤其是元数据对一致性有着更高要求；

b.元数据节点需要共同维护数据节点的状态，并在状态变化时作出一致性的决策；这些都对系统的设计和实现构成了很大挑战；

c.另外，大量元数据所需的存储设备也是一笔不可忽略的成本开销；

上面两种方案有着共同思想：记录并维护数据的状态(即元数据)，数据寻址时先向元数据服务器查询，再存取实际数据；

3. 无元数据设计 (主要以ceph为例)：有别于上述二者的思想，此类系统的主要思想：使用算法计算寻址，寻址算法的输入参数之一为集群状态(如数据节点分布拓扑，权重，进程状态等)的某种形式描述，此类常见算法有 consistent hashing ，Ceph RADOS系统的 CRUSH 算法，这类算法通常不直接管理用户数据，而是引入中间一层逻辑分片结构(如consistent hashing的环片段，ceph的placement group)，其粒度更大，其数量有限且相对固定，用户存取的数据隶属于其中唯一一个分片中，系统通过管理维护这些分片进而管理维护用户数据；此类系统有的也有中心配置管理节点(如ceph rados的monitor)，只提供集群和分片等重要状态的管理维护，不提供元数据的存储查询；

优点：

A.如前所述，系统只需管理维护逻辑分片与集群状态等信息，不存储管理用户数据的元数据，系统的可扩展性大大增强，这在大量元数据场景时尤为明显；

B.寻址算法所需的参数数据量小且相对固定，client可以通过缓存的方式，达到若干client并行寻址的目的，避免了寻址性能瓶颈；

缺点分析：

a.集群扩容时(甚至权重改变时)，需要做rebalance，尤其是数据规模很大(PB级以上)的集群，由此带来的大量数据迁移使集群一直处于高负载的状态，进而使得正常业务请求的延时、iops等性能指标下降；但有些场景做集群扩容时，并不希望做rebalance(如集群容量不足)；对此，常见策略是每个集群预先做好性能、容量评估，需要扩容时，直接新建集群(见 yahoo 的分享)；至于需要做rebalance的根本原因，本人认为扩容导致集群状态改变，进而导致寻址算法结果改变，最终数据分布也需随之改变；

b.数据的副本分布位置通过寻址算法计算得出，位置相对固定，几乎不可人为调整；但通常可以通过改变权重的方式改变数据总体分布情况；

c.中心配置管理节点只管理分片信息，不知道单个用户数据的信息，统计分析类的需求需要通过定期地收集数据节点信息等方式实现，并存储维护。

总结：通过以上比较分析，三类系统的寻址策略，使系统本身均有自己相应的优缺点，它们都不是完美的，但都有其适宜的场景和业务，在系统设计与选型时，需要做全面的考量。

参考文章：

http://blog.csdn.net/tiankai517/article/details/44599291

http://blog.csdn.net/liuaigui/article/details/6749188

http://shitouer.cn/2012/12/hdfs-federation-introduction/

http://www.infoq.com/cn/interviews/interview-with-yangjintao-talk-open-source-storage-scheme

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