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? ? ? Lustre架構(gòu)是一種集群存儲體系結(jié)構(gòu)，其核心組件就是Lustre文件系統(tǒng)。該文件系統(tǒng)可在Linux操作系統(tǒng)上運行，并提供了符合POSIX標(biāo)準(zhǔn)的UNIX文件系統(tǒng)接口。Lustre是面向集群的存儲架構(gòu)，它是基于Linux平臺的開源集群（并行）文件系統(tǒng)，提供與POSIX兼容的文件系統(tǒng)接口。Lustre兩個最大特征是高擴(kuò)展性和高性能，能夠支持?jǐn)?shù)萬客戶端系統(tǒng)、PB級存儲容量、數(shù)百GB的聚合I/O吞吐量。Lustre是Scale-Out存儲架構(gòu)，借助強(qiáng)大的橫向擴(kuò)展能力，通過增加服務(wù)器即可方便擴(kuò)展系統(tǒng)總存儲容量和性能。

Lustre的集群和并行架構(gòu)，非常適合眾多客戶端并發(fā)進(jìn)行大文件讀寫的場合，但目前對于小文件應(yīng)用非常不適用，尤其是海量小文件應(yīng)用LOSF（Lots Of Small Files）。Lustre廣泛應(yīng)用于各種環(huán)境，目前部署最多的為高性能計算HPC，世界超級計算機(jī)TOP 10中的70%，TOP 30中的50%，TOP 100中的40%均部署了Lustre。另外，Lustre在石油、天然氣、制造、富媒體、金融等行業(yè)領(lǐng)域也被大量部署應(yīng)用。

? ? ?Lustre文件系統(tǒng)可運行在各種廠商的內(nèi)核上。一個Lustre文件系統(tǒng)在客戶端節(jié)點數(shù)量、磁盤存儲量、帶寬上進(jìn)行擴(kuò)大或縮小。可擴(kuò)展性和性能取決于可用磁盤、網(wǎng)絡(luò)帶寬以及系統(tǒng)中服務(wù)器的處理能力。?

? ? ? Lustre文件系統(tǒng)可以以多種配置進(jìn)行部署，這些配置的可擴(kuò)展性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了迄今所觀察到生產(chǎn)系統(tǒng)中的規(guī)模和性能。

Lustre文件系統(tǒng)使用改進(jìn)版的ext4日志文件系統(tǒng)來存儲數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)。這個版本被命名為ldiskfs，不僅性能有所提升且提供了Lustre文件系統(tǒng)所需的附加功能。

? ? ? Lustre 2.4或更高版本中，可使用ZFS作為Lustre的MDT，OST和MGS存儲的后備文件系統(tǒng)。這使Lustre能夠利用ZFS的可擴(kuò)展性和數(shù)據(jù)完整性特性來實現(xiàn)單個存儲目標(biāo)，Lustre文件系統(tǒng)典型特性如下。

符合POSIX標(biāo)準(zhǔn)：通過完整的POSIX測試集，像測試本地文件系統(tǒng)Ext4一樣，測試Lustre文件系統(tǒng)客戶端，只有極少量例外。在集群中，大多數(shù)操作都是原子操作，因此客戶端永遠(yuǎn)不會看到損壞的數(shù)據(jù)或元數(shù)據(jù)。Lustre軟件支持mmap()文件I / O操作。

高性能異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)：Lustre軟件支持各種高性能低延遲的網(wǎng)絡(luò)，可使用遠(yuǎn)程直接內(nèi)存訪問(RDMA)方式，實現(xiàn)在InfiniBand、Intel OmniPath等高級網(wǎng)絡(luò)上的快速高效網(wǎng)絡(luò)傳輸。可使用Lustre路由橋接多個RDMA網(wǎng)絡(luò)以獲得最佳性能。Lustre軟件同時也集成了網(wǎng)絡(luò)診斷。

高可用性：Lustre文件系統(tǒng)通過OSTs(OSS targets)的共享存儲分區(qū)實現(xiàn)主動/主動故障切換。Lustre 2.3或更早版本通過使用MDT(MDS target)的共享存儲分區(qū)實現(xiàn)主動/被動故障切換。Lustre文件系統(tǒng)可以與各種高可用性(HA)管理器一起工作，以實現(xiàn)自動故障切換并消除了單點故障(NSPF)。這使得應(yīng)用程序透明恢復(fù)成為可能。多重掛載保護(hù)(MMP)提供了對高可用性系統(tǒng)中錯誤的綜合保護(hù)，避免導(dǎo)致文件系統(tǒng)損壞。

? ? ? Lustre 2.4或更高版本中，可配置多個MDT的主動/主動故障切換。這允許了通過添加MDT存儲設(shè)備和MDS節(jié)點來擴(kuò)展Lustre文件系統(tǒng)的元數(shù)據(jù)性能。

安全性：默認(rèn)情況下，TCP連接只允許授權(quán)端口通過。UNIX組成員身份在MDS上進(jìn)行驗證。

訪問控制列表(ACL)及擴(kuò)展屬性：Lustre安全模型遵循UNIX文件系統(tǒng)原則，并使用POSIX ACL進(jìn)行增強(qiáng)。此外還有一些額外功能，如root squash。

互操作性：Lustre文件系統(tǒng)可運行在各種CPU架構(gòu)和大小端混合的群集上，連續(xù)發(fā)布的Lustre主要軟件版本之間保持互操作性性。

基于對象的體系結(jié)構(gòu)：客戶端與磁盤文件結(jié)構(gòu)相互隔離，可在不影響客戶端的情況下升級存儲體系結(jié)構(gòu)。

字節(jié)粒度文件鎖和細(xì)粒度元數(shù)據(jù)鎖：許多客戶端可以同時讀取和修改相同的文件或目錄。Lustre分布式鎖管理器(LDLM)確保了文件系統(tǒng)中所有客戶端和服務(wù)器之間的文件是一致的。其中，MDT鎖管理器負(fù)責(zé)管理inode權(quán)限和路徑名。每個OST都有其自己的鎖管理器，用于鎖定存儲在其上的文件條帶，其性能可隨著文件系統(tǒng)大小增長而擴(kuò)展。

配額：用戶、組和項目配額(User、Group、Project Quota)可用于Lustre文件系統(tǒng)。

容量增長：通過向群集添加新的OST和MDT，可以在不中斷服務(wù)的情況下增加Lustre文件系統(tǒng)的大小和集群總帶寬。

受控文件布局：可以在每個文件，每個目錄或每個文件系統(tǒng)基礎(chǔ)上配置跨OST的文件布局。這允許了在單個文件系統(tǒng)中調(diào)整文件I/O以適應(yīng)特定的應(yīng)用程序要求。Lustre文件系統(tǒng)使用RAID-0進(jìn)行條帶化并可在OST之間調(diào)節(jié)空間使用大小。

網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)完整性保護(hù)：從客戶端發(fā)送到OSS的所有數(shù)據(jù)的校驗和可防止數(shù)據(jù)在傳輸期間被損壞。

MPI I/O：Lustre架構(gòu)具有專用的MPI ADIO層，優(yōu)化了并行I/O以匹配基礎(chǔ)文件系統(tǒng)架構(gòu)。

NFS和CIFS導(dǎo)出：可以使用NFS(通過Linux knfsd)或CIFS(通過Samba)將Lustre文件重新導(dǎo)出，使其可以與非Linux客戶端(如Microsoft Windows和Apple Mac OS X)共享。

災(zāi)難恢復(fù)工具：Lustre文件系統(tǒng)提供在線分布式文件系統(tǒng)檢查(LFSCK)，當(dāng)發(fā)生主要文件系統(tǒng)錯誤的情況下恢復(fù)存儲組件之間的一致性。Lustre文件系統(tǒng)在存在文件系統(tǒng)不一致的情況下也可以運行，而LFSCK可以在文件系統(tǒng)正在使用時運行，因此LFSCK不需要在文件系統(tǒng)恢復(fù)生產(chǎn)之前完成。

性能監(jiān)視：Lustre文件系統(tǒng)提供了多種機(jī)制來檢查性能和進(jìn)行調(diào)整。

開放源代碼：為在Linux操作系統(tǒng)上運行，Lustre軟件使用GPL 2.0許可證。

? ? ? 一個Lustre安裝實例包括管理服務(wù)器(MGS)和一個或多個與Lustre網(wǎng)絡(luò)(LNet)互連的Lustre文件系統(tǒng)。Lustre文件系統(tǒng)組件的基本配置如下圖所示：

管理服務(wù)器(MGS)：MGS存儲集群中所有Lustre文件系統(tǒng)的配置信息，并將此信息提供給其他Lustre組件。每個Lustre目標(biāo)(target)通過聯(lián)系MGS提供信息，而Lustre客戶通過聯(lián)系MGS獲取信息。MGS最好有自己的存儲空間，以便可以獨立管理。但同時，MGS可以與MDS放在一起，并共享存儲空間，如上圖中所示。

元數(shù)據(jù)服務(wù)器(MDS): MDS使存儲在一個或多個MDT中的元數(shù)據(jù)可供Lustre客戶端使用。每個MDS管理Lustre文件系統(tǒng)中的名稱和目錄，并為一個或多個本地MDT提供網(wǎng)絡(luò)請求處理。

元數(shù)據(jù)目標(biāo)(MDT): 在Lustre 2.3或更早版本中，每個文件系統(tǒng)只有一個MDT。MDT在MDS的附加存儲上存儲元數(shù)據(jù)（例如文件名，目錄，權(quán)限和文件布局）。雖然共享存儲目標(biāo)上的MDT可用于多個MDS，但一次只能有一個MDS可以訪問。如果當(dāng)前MDS發(fā)生故障，則備用MDS可以為MDT提供服務(wù)，并將其提供給客戶端。這被稱為MDS故障切換。

? ? ? 在Lustre 2.4中，分布式命名空間環(huán)境(DNE)中可支持多個MDT。除保存文件系統(tǒng)根目錄的主MDT之外，還可以添加其他MDS節(jié)點，每個MDS節(jié)點都有自己的MDT，以保存文件系統(tǒng)的子目錄樹。在Lustre 2.8中，DNE還允許文件系統(tǒng)將單個目錄的文件分布到多個MDT節(jié)點。分布在多個MDT上的目錄稱為條帶化目錄。

對象存儲服務(wù)器(OSS)：OSS為一個或多個本地OST提供文件I / O服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)請求處理。通常，OSS服務(wù)于兩個到八個OST，每個最多16TB；在專用節(jié)點上配置一個MDT；在每個OSS節(jié)點上配置兩個或更多OST；而在大量計算節(jié)點上配置客戶端。

對象存儲目標(biāo)(OST)：用戶文件數(shù)據(jù)存儲在一個或多個對象中，每個對象位于Lustre文件系統(tǒng)的單獨OST中。每個文件的對象數(shù)由用戶配置，并可根據(jù)工作負(fù)載情況調(diào)試到最優(yōu)性能。

Lustre客戶端：Lustre客戶端是運行Lustre客戶端軟件的計算、可視化或桌面節(jié)點，可掛載Lustre文件系統(tǒng)。

? ? ? Lustre客戶端軟件為Linux虛擬文件系統(tǒng)和Lustre服務(wù)器之間提供了接口。客戶端軟件包括一個管理客戶端(MGC)，一個元數(shù)據(jù)客戶端(MDC)和多個對象存儲客戶端(OSC)。每個OSC對應(yīng)于文件系統(tǒng)中的一個OST。

? ? ? 邏輯對象卷(LOV)通過聚合OSC以提供對所有OST的透明訪問。因此，掛載了Lustre文件系統(tǒng)的客戶端會看到一個連貫的同步名字空間。多個客戶端可以同時寫入同一文件的不同部分，而其他客戶端可以同時讀取文件。

? ? ? 與LOV文件訪問方式類似，邏輯元數(shù)據(jù)卷(LMV)通過聚合MDC提供一種對所有MDT透明的訪問。這使得了客戶端可將多個MDT上的目錄樹視為一個單一的連貫名字空間，并將條帶化目錄合并到客戶端形成一個單一目錄以便用戶和應(yīng)用程序查看。

? ? ? Lustre Networking(LNet)是一種定制網(wǎng)絡(luò)API，提供處理Lustre文件系統(tǒng)服務(wù)器和客戶端的元數(shù)據(jù)和文件I/O數(shù)據(jù)的通信基礎(chǔ)設(shè)施。

Lustr文件系統(tǒng)在規(guī)模上，一個Lustre文件系統(tǒng)集群可以包含數(shù)百個OSS和數(shù)千個客戶端(如下圖所示)。Lustre集群中可以使用多種類型的網(wǎng)絡(luò)，OSS之間的共享存儲啟用故障切換功能。

Lustre文件系統(tǒng)存儲與I/O，在 Lustre 2.0?中引入了Lustre文件標(biāo)識符(FID)來替換用于識別文件或?qū)ο蟮腢NIX inode編號。FID是一個128位的標(biāo)識符，其中，64位用于存儲唯一的序列號，32位用于存儲對象標(biāo)識符(OID)，另外32位用于存儲版本號。序列號在文件系統(tǒng)(OST和MDT)中的所有Lustre目標(biāo)中都是唯一的。這一改變使未來支持多種 MDT 和ZFS(均在Lustre 2.4中引入)成為了可能。

? ? ? 同時，在此版本中也引入了一個名為FID-in-dirent(也稱為Dirdata)的ldiskfs功能，F(xiàn)ID作為文件名稱的一部分存儲在父目錄中。該功能通過減少磁盤I/O顯著提高了ls命令執(zhí)行的性能。FID-in-dirent是在創(chuàng)建文件時生成的。

? ? ? 在 Lustre 2.4 中，LFSCK文件系統(tǒng)一致性檢查工具提供了對現(xiàn)有文件啟用FID-in-dirent的功能。具體如下：

為1.8版本文件系統(tǒng)上現(xiàn)有文件生成IGIF模式的FID。

驗證每個文件的FID-in-dirent，如其無效或丟失，則重新生成FID-in-dirent。
驗證每個linkEA條目，如其無效或丟失，則重新生成。linkEA由文件名和父類FID組成，它作為擴(kuò)展屬性存儲在文件本身中。因此，linkEA可以用來重建文件的完整路徑名。

? ? ? 有關(guān)文件數(shù)據(jù)在OST上的位置信息將作為擴(kuò)展屬性布局EA，存儲在由FID標(biāo)識的MDT對象中(具體如下圖所示)。若該文件是普通文件(即不是目錄或符號鏈接)，則MDT對象1對N地指向包含文件數(shù)據(jù)的OST對象。若該MDT文件指向一個對象，則所有文件數(shù)據(jù)都存儲在該對象中。若該MDT文件指向多個對象，則使用RAID 0將文件數(shù)據(jù)劃分為多個對象，將每個對象存儲在不同的OST上。

? ? ? 當(dāng)客戶端讀寫文件時，首先從文件的MDT對象中獲取布局EA，然后使用這個信息在文件上執(zhí)行I / O，直接與存儲對象的OSS節(jié)點進(jìn)行交互。具體過程如下圖所示。

（1）寫性能優(yōu)于讀性能：Lustre系統(tǒng)中通常寫性能會優(yōu)于讀性能。首先，對于寫操作，客戶端是以異步方式執(zhí)行的，RPC調(diào)用分配以及寫入磁盤順序按到達(dá)順序執(zhí)行，可以實現(xiàn)聚合寫以提高效率。而對于讀，請求可能以不同的順序來自多個客戶端，需要大量的磁盤seek與read操作，顯著影響吞吐量。

其次，目前Lustre沒有實現(xiàn)OST read cache，僅僅在客戶端實現(xiàn)了Readahead。這樣的設(shè)計也是有充分理由的，每個OST有可能會有大量客戶端并發(fā)訪問，如果進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)讀，內(nèi)存消耗將會非常大，而且這個是不可控制的。Writecache是在客戶端上實現(xiàn)的，內(nèi)存占用不會太大并且是可控的。再者，對于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)而言，讀會占用更多的CPU資源。讀操作，Lustre需要從網(wǎng)絡(luò)接口緩存進(jìn)行數(shù)據(jù)Copy而獲得所需數(shù)據(jù)，而寫操作可以通過sendfile或Zero Copy避免額外的數(shù)據(jù)復(fù)制。

（2）大文件性能表現(xiàn)好：Lustre的元數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)分離、數(shù)據(jù)分片策略、數(shù)據(jù)緩存和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計非常適合大文件順序I/O訪問，大文件應(yīng)用下性能表現(xiàn)非常好。這些設(shè)計著眼于提高數(shù)據(jù)訪問的并行性，實現(xiàn)極大的聚合I/O帶寬，這其中關(guān)鍵得益于數(shù)據(jù)分片設(shè)計（具體見上面的分析）。另外，后端改進(jìn)的EXT3文件系統(tǒng)本身也非常適合大文件I/O。

（3）小文件性能表現(xiàn)差：然而，Lustre的設(shè)計卻非常不利于小文件I/O，尤其是LOSF（Lots of small files）。Lustre在讀寫文件前需要與MDS交互，獲得相關(guān)屬性和對象位置信息。與本地文件系統(tǒng)相比，增加了一次額外的網(wǎng)絡(luò)傳輸和元數(shù)據(jù)訪問開銷，這對于小文件I/O而言，開銷是相當(dāng)大的。對于大量頻繁的小文件讀寫，Lustre客戶端Cache作用會失效，命中率大大降低。

如果文件小于物理頁大小，則還會產(chǎn)生額外的網(wǎng)絡(luò)通信量，小文件訪問越頻繁開銷越大，對Lustre總體I/O性能影響就越大。OST后端采用改進(jìn)的EXT3文件系統(tǒng)，它對小文件的讀寫性能本身就不好，其元數(shù)據(jù)訪問效率不高，磁盤尋址延遲和磁盤碎片問題嚴(yán)重。這也是大多數(shù)磁盤文件系統(tǒng)的缺點，Reiserfs是針對小文件設(shè)計的文件系統(tǒng)，性能表現(xiàn)要好很多。Lustre的設(shè)計決定了它對小文件I/O性能表現(xiàn)差，實際I/O帶寬遠(yuǎn)低于所提供的最大帶寬。在4個OSS的千兆網(wǎng)絡(luò)配置下，單一客戶端小文件讀寫性能不到4MB/s。

Lustre文件系統(tǒng)的可用帶寬如下：

網(wǎng)絡(luò)帶寬等于OSS到目標(biāo)的總帶寬。
磁盤帶寬等于存儲目標(biāo)(OST)的磁盤帶寬總和，受網(wǎng)絡(luò)帶寬限制。
總帶寬等于磁盤帶寬和網(wǎng)絡(luò)帶寬的最小值。
可用的文件系統(tǒng)空間等于所有OST的可用空間總和。

? ? ? Lustre文件系統(tǒng)高性能的主要原因之一是能夠以輪詢方式跨多個OST將數(shù)據(jù)條帶化。用戶可根據(jù)需要為每個文件配置條帶數(shù)量，條帶大小和OST。當(dāng)單個文件的總帶寬超過單個OST的帶寬時，可以使用條帶化來提高性能。同時，當(dāng)單個OST沒有足夠的可用空間來容納整個文件時，條帶化也能發(fā)揮它的作用。

? ? ? 如圖下圖所示，條帶化允許將文件中的數(shù)據(jù)段或“塊”存儲在不同的OST中。在Lustre文件系統(tǒng)中，通過RAID 0模式將數(shù)據(jù)在一定數(shù)量的對象上進(jìn)行條帶化。一個文件中處理的對象數(shù)稱為stripe_count。每個對象包含文件中的一個數(shù)據(jù)塊，當(dāng)寫入特定對象的數(shù)據(jù)塊超過stripe_size時，文件中的下一個數(shù)據(jù)塊將存儲在下一個對象上。stripe_count和stripe_size的默認(rèn)值由為文件系統(tǒng)設(shè)置的，其中，stripe_count為1，stripe_size為1MB。用戶可以在每個目錄或每個文件上更改這些值。

? ? ? 下圖中，文件C的stripe_size大于文件A的stripe_size，表明更多的數(shù)據(jù)被允許存儲在文件C的單個條帶中。文件A的stripe_count為3，則數(shù)據(jù)在三個對象上條帶化。文件B和文件C的stripe_count是1。OST上沒有為未寫入的數(shù)據(jù)預(yù)留空間。

? ? ? 最大文件大小不受單個目標(biāo)大小的限制。在Lustre文件系統(tǒng)中，文件可以跨越多個對象(最多2000個)進(jìn)行分割，每個對象可使用多達(dá)16 TB的ldiskfs，多達(dá)256PB的ZFS。也就是說，ldiskfs的最大文件大小為31.25 PB，ZFS的最大文件大小為8EB。Lustre文件系統(tǒng)上的文件大小受且僅受OST上可用空間的限制，Lustre最大可支持2 ^ 63字節(jié)(8EB)的文件。

? ? ? 注意: Lustre 2.2之前，單個文件的最大條帶數(shù)為160個OST。盡管一個文件只能被分割成2000個以上的對象，但是Lustre文件系統(tǒng)可以有數(shù)千個。

? ? ?實際上前面已經(jīng)提到，Lustre并不適合小文件I/O應(yīng)用，性能表現(xiàn)非常差。因此，建議不要將Lustre應(yīng)用于LOSF場合。不過，Lustre操作手冊仍然給出了一些針對小文件的優(yōu)化措施。?

1、通過應(yīng)用聚合讀寫提高性能，比如對小文件進(jìn)行Tar，或創(chuàng)建大文件或通過loopback mount來存儲小文件。小文件系統(tǒng)調(diào)用開銷和額外的I/O開銷非常大，應(yīng)用聚合優(yōu)化可以顯著提高性能。另外，可以使用多節(jié)點、多進(jìn)程/多線程盡可能通過聚合來提高I/O帶寬。?

2、應(yīng)用采用O_DIRECT方式進(jìn)行直接I/O，讀寫記錄大小設(shè)置為4KB，與文件系統(tǒng)保持一致。對輸出文件禁用locking，避免客戶端之間的競爭。?

3、應(yīng)用程序盡量保證寫連續(xù)數(shù)據(jù)，順序讀寫小文件要明顯優(yōu)于隨機(jī)小文件I/O。?

4、OST采用SSD或更多的磁盤，提高IOPS來改善小文件性能。創(chuàng)建大容量OST，而非多個小容量OST，減少日志、連接等負(fù)載。?

5、OST采用RAID 1+0替代RAID 5/6，避免頻繁小文件I/O引起的數(shù)據(jù)校驗開銷。

? ? ?Lustre提供了強(qiáng)大的系統(tǒng)監(jiān)控與控制接口用于進(jìn)行性能分析與調(diào)優(yōu)，對于小文件I/O，也可以通過調(diào)整一些系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

禁用所有客戶端LNET debug功能：缺省開啟多種調(diào)試信息，sysctl -w lnet.debug=0，減少系統(tǒng)開銷，但發(fā)生錯誤時將無LOG可詢。?

增加客戶端Dirty Cache大小：lctl set_param osc./*.max_dirty_mb=256，缺省為32MB，增大緩存將提升I/O性能，但數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險也隨之增大。?

使用loopback mount文件：創(chuàng)建大Lustre文件，與loop設(shè)備關(guān)聯(lián)并創(chuàng)建文件系統(tǒng)，然后將其作為文件系統(tǒng)進(jìn)行mount。小文件作用其上，則原先大量的MDS元數(shù)據(jù)操作將轉(zhuǎn)換為OSS讀寫操作，消除了元數(shù)據(jù)瓶頸，可以顯著提高小文件性能。這種方法應(yīng)用于scratch空間可行，但對于生產(chǎn)數(shù)據(jù)應(yīng)該謹(jǐn)慎使用，因為Lustre目前工作在這種模式下還存在問題。

相關(guān)閱讀：GPFS并行文件系統(tǒng)原理解析

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Lustr文件系統(tǒng)在規(guī)模上，一個Lustre文件系統(tǒng)集群可以包含數(shù)百個OSS和數(shù)千個客戶端(如下圖所示)。Lustre集群中可以使用多種類型的網(wǎng)絡(luò)，OSS之間的共享存儲啟用故障切換功能。