梁 軍，聶瑞華

（1.華南師范大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)中心，廣東 廣州510631；2.華南師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣東 廣州510631）

0 引 言

相比于傳統(tǒng)的文件系統(tǒng)及存儲(chǔ)系統(tǒng)存在主機(jī)帶寬、內(nèi)存容量以及主機(jī)可用性等性能方面的限制，分布式文件系統(tǒng)不僅能為用戶提供海量的存儲(chǔ)空間和高聚合的I／O 帶寬，并且支持眾多的客戶端同時(shí)并發(fā)訪問，具有良好的可擴(kuò)展性。

在分布式文件系統(tǒng)［1－3］中，面向?qū)ο蟠鎯?chǔ)的文件系統(tǒng)成為研究熱點(diǎn)。Lustre文件系統(tǒng)［4，5］是面向?qū)ο蟠鎯?chǔ)的文件系統(tǒng)中的一種，它是一個(gè)大規(guī)模的、高性能的、高可用的集群文件系統(tǒng)。本文通過普通PC和TCP／IP協(xié)議搭建了Lustre文件系統(tǒng)，并測(cè)試和優(yōu)化了整個(gè)系統(tǒng)的性能。在TCP／IP協(xié)議上實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化Lustre文件系統(tǒng)，使Lustre大規(guī)模應(yīng)用成為可能。

1 Lustre文件系統(tǒng)架構(gòu)

Lustre文件系統(tǒng)由3 部分組成［6］：元數(shù)據(jù)服務(wù)器（MDS）、對(duì)象存儲(chǔ)服務(wù)器 （OSS）和客戶 端 （Client）。MDS負(fù)責(zé)元數(shù)據(jù)的管理，向客戶端提供整個(gè)文件系統(tǒng)的元數(shù)據(jù)信息，并維護(hù)整個(gè)文件系統(tǒng)的目錄創(chuàng)建、刪除、修改等訪問控制，向外提供元數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和訪問接口。OSS負(fù)責(zé)客戶端和物理存儲(chǔ)之間的交互及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，向外提供數(shù)據(jù)的I／O 接口。client與MDS進(jìn)行元數(shù)據(jù)的交互，與OSS進(jìn)行文件對(duì)象的交互，用戶通過client透明地訪問數(shù)據(jù)，而不用關(guān)心數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)位置。MDS、OSS和clent可以安裝在不同的機(jī)器上，也可以安裝在同一臺(tái)機(jī)器上。MDS、OSS和client相互分離，可以提高Lustre系統(tǒng)的性能。

2 Lustre工作機(jī)制

2.1 Lustre交互過程

Lustre內(nèi)部組件如圖1 所示［7，8］。在客戶端 （Clent），Lustre通過把Llite層掛在linux 內(nèi)的VFS層上，來實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的文件系統(tǒng)接口訪問。客戶端通過MDC 向MDS獲取元數(shù)據(jù)，包括文件對(duì)象的布局信息?？蛻舳酥械腖OV 解釋文件布局信息，使OSC可以和OSS中的OST 請(qǐng)求交互信息；在對(duì)象存儲(chǔ)服務(wù)器端 （OSS），通過OST 組件調(diào)用不同的函數(shù)來處理客戶端的請(qǐng)求：鎖相關(guān)請(qǐng)求和數(shù)據(jù)相關(guān)請(qǐng)求。OST 調(diào)用ldlm 處理鎖相關(guān)的請(qǐng)求，調(diào)用obdfilter處理數(shù)據(jù)相關(guān)的請(qǐng)求；在元數(shù)據(jù)服務(wù)器端 （MDS），通過MDS組件調(diào)用ldlm 和Journal來處理不同的事務(wù)［9］。Client和OSS、client和MDS 都是以RPC 請(qǐng)求和應(yīng)答的形式交互，組件PTR－RPC和LNET 實(shí)現(xiàn)該功能。

圖1 Lustre內(nèi)部組件

2.2 分布式鎖模式

分布式鎖管理器使集群系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)或進(jìn)程可以同步訪問共享資源。在圖1 中，OSS和MDS都有l(wèi)dlm 鎖組件來處理鎖相關(guān)的操作。Lustre系統(tǒng)中鎖模式有6 種，如下所示。

（1）獨(dú)占模式 （exclusive，EX），獨(dú)占獲得的資源，并且其它進(jìn)程不能讀寫該資源。

（2）保護(hù)寫模式 （protective write，PW），允許資源持有者讀和寫，非持有者并發(fā)讀，不允許其它訪問者寫操作。

（3）保護(hù)讀模式 （protective read，PR），允許所有訪問者并發(fā)讀，不允許寫操作。

（4）并發(fā)寫模式 （concurrent write，CW），允許資源持有者和其它訪問者并發(fā)讀寫操作。

（5）并發(fā)讀模式 （concurrent read，CR），允許資源持有者和其它訪問者并發(fā)讀操作。

（6）空模式 （NULL，NL），當(dāng)沒有其它鎖存在時(shí)，為空模式。

2.3 分布式鎖的獲取與釋放［10，11］

當(dāng)有客戶端請(qǐng)求對(duì)資源進(jìn)行鎖模式時(shí)，OSS和MDS中通過ldlm 組件處理該請(qǐng)求。當(dāng)客戶端持有鎖時(shí)，它不會(huì)主動(dòng)釋放，當(dāng)其它客戶端請(qǐng)求的鎖與它相沖突或者鎖過期時(shí)，才會(huì)釋放鎖。

獲取分布式鎖的過程如下：

（1）鎖客戶端首先匹配鎖請(qǐng)求，首先調(diào)用ldlm＿cli＿enqueue函數(shù)檢查ns＿client標(biāo)志來判斷鎖請(qǐng)求是否屬于本地名字空間。如果是本地的，不需要發(fā)送RPC 來通信，跳轉(zhuǎn)到第 （5）步；否則，需鎖服務(wù)器來處理。

（2）當(dāng)鎖服務(wù)器收到鎖請(qǐng)求時(shí)。首先重新建立一個(gè)鎖，然后檢查該鎖是否有意圖。如果沒有，則跳到第 （3）步，如果有，則調(diào)用意圖處理函數(shù)決定是否授權(quán)鎖，當(dāng)客戶端從服務(wù)器獲取返回的鎖獲得授權(quán)后，客戶端進(jìn)程就能對(duì)資源進(jìn)行訪問了。

（3）如果沒有鎖意圖，DLM 檢查該鎖與要訪問的資源上的鎖是否有沖突，如果沒有，鎖將被授權(quán)，同時(shí)返回授權(quán)的鎖。

（4）如果有沖突，DLM 將新鎖放入隊(duì)列等待，然后通知沖突鎖的持有者撤銷沖突鎖，直到?jīng)]有沖突。這時(shí)新鎖被授權(quán)，DLM 通過回調(diào)函數(shù)通知客戶端它請(qǐng)求的鎖已獲得授權(quán)。

（5）對(duì)于本地鎖請(qǐng)求，首先創(chuàng)建一個(gè)鎖，然后調(diào)用ldlm＿lock＿enqueue（）來檢查這個(gè)鎖是否被批準(zhǔn)。如果鎖被批準(zhǔn)或者出現(xiàn)了錯(cuò)誤，則返回。否則，鎖加入鎖等待隊(duì)列，需等待。

釋放分布式鎖的過程如下：當(dāng)鎖的讀計(jì)數(shù)和寫計(jì)數(shù)有一個(gè)不為0時(shí)，則需等待其它進(jìn)程不使用該鎖的資源。當(dāng)它們都為0時(shí)，客戶端會(huì)根據(jù)鎖的類型清除緩沖的數(shù)據(jù)，然后從本地鎖命名空間中刪除該鎖，并通知鎖服務(wù)器釋放該鎖。

3 性能測(cè)試

本文使用6臺(tái)普通PC機(jī)、1臺(tái)服務(wù)器和1臺(tái)千兆交換機(jī)做性能測(cè)試。PC機(jī)的配置為：AMD 雙核處理器、2G 內(nèi)存、千兆網(wǎng)卡；服務(wù)器的配置為：四核Intel處理器、8G內(nèi)存、千兆網(wǎng)卡，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D2 所示。在3.1 和3.3 節(jié)中，5臺(tái)PC機(jī)單獨(dú)做5個(gè)OST，1臺(tái)PC機(jī)單獨(dú)做客戶端，服務(wù)器做MDS。在3.2節(jié)中，4臺(tái)PC 機(jī)單獨(dú)做4個(gè)OST，1 臺(tái)PC機(jī)同時(shí)做OST 和客戶端，1 臺(tái)PC 機(jī)單獨(dú)做客戶端，服務(wù)器做MDS。

圖2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

在各節(jié)點(diǎn)中，使用的操作系統(tǒng)版本為CentOS5.3，Lustre文件系統(tǒng)版本是1.8.1，測(cè)試工具是IOzone3.4。假設(shè)client＿num 表示客戶端數(shù)，stripe＿count表示Lustre系統(tǒng)的條塊數(shù)，stripe＿size 表示Lustre 系統(tǒng)的條塊大小，block＿trans表示塊傳輸大小，file＿size表示讀寫文件的大小，start－ost等于－1表示目標(biāo)文件會(huì)條塊化存儲(chǔ)在所有可用的OST 上。

3.1 Lustre參數(shù)設(shè)置測(cè)試

3.1.1 stripe＿count參數(shù)

假設(shè)client＿num＝1，stripe＿size＝2MB，start－ost＝－1，file＿size＝4GB。在不同大小的stripe＿count下，Lustre的讀性能和寫性能如圖3和圖4所示。

圖3 不同stripe＿count下的Lustre讀文件性能

圖4 不同stripe＿count下的Lustre寫文件性能

從圖3 和圖4 可以看出：在block＿trans＝64、128、256、512、2048，stripe＿count設(shè)置為3時(shí)，Lustre系統(tǒng)的讀文件速度和寫文件速度最優(yōu)。當(dāng)block＿trans＝1024時(shí)，Lustre系統(tǒng)不穩(wěn)定，有明顯的波動(dòng)。從理論上說，隨著stripe＿count的增加，系統(tǒng)可以同時(shí)進(jìn)行多個(gè)讀寫任務(wù)，Lustre文件系統(tǒng)的并發(fā)性能逐漸提升，系統(tǒng)的讀寫系統(tǒng)應(yīng)該更高。但在實(shí)際測(cè)試中，當(dāng)stripe＿count等于4 時(shí)，Lustre系統(tǒng)讀寫4GB 文件的速度小于stripe＿count＝3 的情況，說明文件的分解、網(wǎng)絡(luò)的傳輸?shù)阮~外的開銷會(huì)對(duì)Lustre文件系統(tǒng)的并發(fā)性能產(chǎn)生很大的影響。

3.1.2 stripe＿size參數(shù)

在3.1.1節(jié)中，stripe＿count設(shè)置為3使得Lustre系統(tǒng)在大多數(shù)塊傳輸中讀寫文件性能最優(yōu)。假設(shè)client＿num＝1，stripe＿count＝3，start－ost＝－1，file＿size＝4GB，改變stripe＿size的大小，測(cè)試其對(duì)系統(tǒng)性能所帶來的影響。不同stripe＿size下的Lustre讀寫文件性能如圖5和圖6所示。

從圖中看出：當(dāng)block＿trans＝64、256、1024、2048、4096時(shí)，設(shè)置stripe＿size為4MB，系統(tǒng)讀文件性能最優(yōu)；當(dāng)block＿trans＝64、128、256、512、2048、4096 時(shí)，設(shè)置stripe＿size為4MB，系統(tǒng)寫文件性能最優(yōu)。當(dāng)block＿trans等于其它的值時(shí)，設(shè)置stripe＿size為4MB，系統(tǒng)讀文件和寫文件的性能雖然不是最優(yōu)，但也有較好的性能表現(xiàn)。當(dāng)stripe＿size設(shè)置偏小時(shí)，文件被分割成塊的數(shù)量增多，塊數(shù)過多會(huì)加重MDS的管理負(fù)擔(dān)和增加網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，將會(huì)造成整個(gè)文件系統(tǒng)的讀寫性能不佳；當(dāng)stripe＿size設(shè)置偏大時(shí)，文件被分割成塊的數(shù)量減少，不能充分利用系統(tǒng)的并發(fā)系統(tǒng)，也會(huì)使文件系統(tǒng)的讀寫性能達(dá)不到最優(yōu)。所以，需要設(shè)置合適的stripe＿size的大小來優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)的性能。

圖5 不同stripe＿size下的Lustre讀文件性能

圖6 不同stripe＿size下的Lustre寫文件性能

3.2 客戶端數(shù)大于2的Lustre性能測(cè)試

假設(shè)client＿num＝2，stripe＿size＝2MB，start－ost＝－1，file＿size＝4GB，lutre系統(tǒng)在不同的stripe＿count下的讀文件性能、寫文件性能如圖7和圖8所示：當(dāng)stripe＿count＝1、2、3時(shí)，Lustre集群系統(tǒng)的讀寫性能曲線呈現(xiàn)出拋物線形式；當(dāng)stripe＿count＝4時(shí)，Lustre集群系統(tǒng)性能相對(duì)穩(wěn)定。當(dāng)Lustre客戶端增加時(shí)，增大stripe＿count值才能使集群系統(tǒng)的性能較穩(wěn)定。

把圖7、圖8和圖3、圖4相比較，可以看出：在其它參數(shù)一樣的情況下，客戶端為2的Lustre集群系統(tǒng)比客戶端為1的Lustre集群系統(tǒng)的讀寫速度普遍要低。圖9是stripe＿count＝4時(shí)，不同客戶端下Lustre的讀性能。分析以上圖可得出結(jié)論：增加客戶端數(shù)不僅沒有發(fā)揮Lustre系統(tǒng)的并發(fā)性，而且還降低了整個(gè)集群系統(tǒng)的性能，這可能是網(wǎng)絡(luò)速度較低或MDS的性能較低引起的。這也說明了中間的傳輸開銷和控制開銷也會(huì)使Lustre系統(tǒng)發(fā)揮不出并發(fā)性能。

圖7 客戶端數(shù)為2的Lustre讀文件性能

圖8 客戶端數(shù)為2的Lustre寫文件性能

圖9 不同客戶端數(shù)的Lustre讀文件性能

3.3 Lustre與本地文件系統(tǒng)的比較

傳統(tǒng)的文件系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，管理方便，但它的擴(kuò)展性差和吞吐量低，同時(shí)也無法實(shí)現(xiàn)多個(gè)平臺(tái)之間的資源共享。Lustre采用條帶化存儲(chǔ)技術(shù)，以類似RAID0方式將文件分割成多個(gè)數(shù)據(jù)塊對(duì)象存儲(chǔ)于OST 上，每一個(gè)條塊都作為一個(gè)對(duì)象存儲(chǔ)在一個(gè)OST 上，即一個(gè)文件對(duì)應(yīng)多個(gè)OST，同時(shí)每個(gè)OST 上也分布有多個(gè)不同文件的條塊。

在Lustre系統(tǒng)中，假設(shè)client＿num＝1，stripe＿count＝3，stripe＿size＝4MB，start－ost＝－1，file＿size＝4GB。圖10是本地磁盤與Lustre讀寫性能的比較，從圖中看出：本地文件系統(tǒng)的讀文件速度為40MB／s～60MB／s，寫速度為38MB／s～45MB／s；Lustre的讀文件速度為79MB／s～85MB／s，寫速度為72MB／s～78MB／s。所以，相對(duì)本地文件系統(tǒng)，Lustre讀寫速度更快。Lustre系統(tǒng)在infiniband交換機(jī)上的寫文件速度大于讀文件速度，但在千兆交換機(jī)上測(cè)試的寫文件速度小于讀文件速度，說明網(wǎng)絡(luò)延遲會(huì)顛覆Lustre系統(tǒng)的特性。

圖10 Lustre與本地文件系統(tǒng)的比較

4 結(jié)束語

通過以上的實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析可知：Lustre集群系統(tǒng)在TCP／IP協(xié)議下，通過千兆網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)時(shí)，設(shè)置start－ost＝－1，file＿size＝4GB，stripe＿size＝4MB，stripe＿count＝3，client＿num ＝1，Lustre 系統(tǒng)性能較優(yōu)，因此，Lustre文件系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置對(duì)其性能發(fā)揮有較大的影響，合理的參數(shù)配置能提升Lustre文件系統(tǒng)性能。在該環(huán)境下，網(wǎng)絡(luò)延遲、傳輸開銷和控制開銷都會(huì)極大影響，甚至顛覆Lustre系統(tǒng)的特性，但相對(duì)本地磁盤系統(tǒng)，Lustre系統(tǒng)仍有較大的性能提升，有一定的實(shí)用性。

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