taobao file system

http://code.taobao.org/trac/tfs/wiki/intro

简介¶
TFS（Taobao FileSystem）是一个高可扩展、高可用、高性能、面向互联网服务的分布式文件系统，主要针对海量的非结构化数据，它构筑在普通的Linux机器集群上，可为外部提供高可靠和高并发的存储访问。TFS为淘宝提供海量小文件存储，通常文件大小不超过1M，满足了淘宝对小文件存储的需求，被广泛地应用在淘宝各项应用中。它采用了HA架构和平滑扩容，保证了整个文件系统的可用性和扩展性。同时扁平化的数据组织结构，可将文件名映射到文件的物理地址，简化了文件的访问流程，一定程度上为TFS提供了良好的读写性能。


TFS的总体结构¶
一个TFS集群由两个nameserver节点（一主一备）和多个dataserver节点组成。这些服务程序都是作为一个用户级的程序运行在普通Linux机器上的。


在TFS中，将大量的小文件(实际数据文件)合并成为一个大文件，这个大文件称为块(Block), 每个Block拥有在集群内唯一的编号(Block Id), Block Id在nameserver在创建Block的时候分配, nameserver维护block与dataserver的关系。Block中的实际数据都存储在dataserver上。而一台dataserver服务器一般会有多个独立dataserver进程存在，每个进程负责管理一个挂载点，这个挂载点一般是一个独立磁盘上的文件目录，以降低单个磁盘损坏带来的影响。


nameserver主要功能是: 管理维护Block和dataserver相关信息,包括dataserver加入，退出, 心跳信息, block和dataserver的对应关系建立，解除。正常情况下，一个块会在dataserver上存在， 主nameserver负责Block的创建，删除，复制，均衡，整理， nameserver不负责实际数据的读写，实际数据的读写由dataserver完成。

dataserver主要功能是: 负责实际数据的存储和读写。

同时为了考虑容灾，nameserver采用了HA结构，即两台机器互为热备，同时运行，一台为主，一台为备，主机绑定到对外vip，提供服务；当主机器宕机后，迅速将vip绑定至备份nameserver，将其切换为主机，对外提供服务。图中的HeartAgent就完成了此功能。





TFS的块大小可以通过配置项来决定，通常使用的块大小为64M。TFS的设计目标是海量小文件的存储，所以每个块中会存储许多不同的小文件。dataserver进程会给Block中的每个文件分配一个ID(File ID，该ID在每个Block中唯一)，并将每个文件在Block中的信息存放在和Block对应的Index文件中。这个Index文件一般都会全部load在内存，除非出现dataserver服务器内存和集群中所存放文件平均大小不匹配的情况。


另外，还可以部署一个对等的TFS集群，作为当前集群的辅集群。辅集群不提供来自应用的写入，只接受来自主集群的写入。当前主集群的每个数据变更操作都会重放至辅集群。辅集群也可以提供对外的读，并且在主集群出现故障的时候，可以接管主集群的工作。


平滑扩容¶
原有TFS集群运行一定时间后，集群容量不足，此时需要对TFS集群扩容。此时只需要将相应数量的新dataserver服务器部署好应用程序并启动即可。这些dataserver服务器会向nameserver进行汇报。nameserver会根据dataserver容量的比率和dataserver的负载决定新数据写往哪台dataserver的服务器。根据写入策略，容量较小，负载较轻的服务器新数据写入的概率会比较高。同时，在集群负载比较轻的时候，nameserver会对dataserver上的Block进行均衡，使所有dataserver的容量尽早达到均衡。


进行均衡计划时，首先计算每台机器应拥有的blocks平均数量，然后将机器划分为两堆，一堆是超过平均数量的，作为移动源；一类是低于平均数量的，作为移动目的。


移动目的的选择：首先一个block的移动的源和目的，应该保持在同一网段内，也就是要与另外的block不同网段；另外，在作为目的的一定机器内，优先选择同机器的源到目的之间移动，也就是同台dataserver服务器中的不同dataserver进程。
当有服务器故障或者下线退出时（单个集群内的不同网段机器不能同时退出），不影响TFS的服务。此时nameserver会检测到备份数减少的Block，对这些Block重新进行数据复制。


在创建复制计划时，一次要复制多个block, 每个block的复制源和目的都要尽可能的不同，并且保证每个block在不同的子网段内。因此采用轮换选择(roundrobin)算法，并结合加权平均。


数据块管理¶
TFS以块的方式组织文件的存储。在nameserver节点中存储了所有的Block的信息，一个Block存储于多个dataserver中以保证数据的冗余。对于数据读写请求，均先由nameserver选择合适的dataserver节点返回给客户端，再在对应的dataserver节点上进行数据操作。nameserver需要维护Block信息列表，以及Block与dataserver之间的映射关系，其存储的元数据结构如下：





在dataserver节点上，在挂载目录上会有很多物理块，物理块以文件的形式存在磁盘上，并在dataserver部署前预先分配，以保证后续的访问速度和减少碎片产生。为了满足这个特性，DataServer?现一般在EXT4文件系统上运行。物理块分为主块和扩展块，一般主块的大小会远大于扩展块，使用扩展块是为了满足文件更新操作时文件大小的变化。每个Block在文件系统上以“主块+扩展块”的方式存储。每一个Block可能对应于多个物理块，其中包括一个主块，多个扩展块。


TFS文件名的结构¶
TFS的文件名由块号和文件号通过某种对应关系组成，最大长度为18字节。文件名固定以T开始，第二字节为该集群的编号(可以在配置项中指定，取值范围 1~9)。余下的字节由Block ID和File ID通过一定的编码方式得到。文件名由客户端程序进行编码和解码，它映射方式如下图：



TFS客户程序在读文件的时候通过将文件名转换为BlockID和FileID信息，然后可以在nameserver取得该块所在dataserver信息（如果客户端有该Block与dataservere的缓存，则直接从缓存中取），然后与dataserver进行读取操作。


TFS性能数据¶
1. 软件环境描述
【测试机软件情况描述】
(1) Red Hat Enterprise Linux AS release 4 (Nahant Update
(2) gcc (GCC) 3.4.6 20060404 (Red Hat 3.4.6-11)
(3) 部署了TFS客户端程序
【服务器软件情况描述】
(1) Red Hat Enterprise Linux Server release 5.4 (Tikanga)
(2) gcc (GCC) 3.4.6 20060404 (Red Hat 3.4.6-9)
(3) 部署了2台dataserver程序。
【服务器软件情况描述】
(1) Red Hat Enterprise Linux Server release 5.4 (Tikanga)
(2) gcc (GCC) 4.1.2 20080704 (Red Hat 4.1.2-46)
(3) 部署了2台nameserver（HA）程序。
2. 硬件环境描述
【测试机硬件情况描述】
(1) 一枚八核Intel(R) Xeon(R) CPU E5520 @ 2.27GHz
(2) 内存总数8299424 kB
【服务器硬件情况描述】cpu/memory等
(1) 一枚八核Intel(R) Xeon(R) CPU E5520 @ 2.27GHz
(2) 内存总数8165616 kB
3. 随机读取1K~50K大小的文件性能



Read的TPS随着线程数的增加而增加，增长逐渐趋缓，到90线程的时候达到第一个高峰，此时再增加读线程，则TPS不再稳定增长。
4. 随机写入1K~50K大小的文件



Write的TPS在线程数60左右达到高峰，此时再增加写入线程，TPS不再稳定增长。
5. 在不同线程写压力下的读文件性能








可以看出随着写压力的增加，读文件的TPS会大幅下滑。当写压力达到一定程度时读文件TPS趋缓。


同时，对平均大小为20K的文件进行了测试，测试中读:写：更新:删除操作的比率为100：18：1：1时，在dataserver服务器磁盘util访问达到80%以上时，响应时间如下：


TYPE  SUCCCOUNT  FAILCOUNT  AVG(us)  MIN(us)  MAX(us) 
read  100000  0  20886  925  1170418 
write  18000  0  17192  2495  1660686 
update  1000  0  48489  5755  1205119 
delete  1000  0  14221  382  591651 

Attachments
filename.png  (43.7 KB) - added by chuyu@… 3 weeks ago. 文件名组成
metadata.png  (46.4 KB) - added by chuyu@… 3 weeks ago. nameserver元数据
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