CN102325196A - 分布式集群存储系统 - Google Patents

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安然
谈川玉
卢宝丰
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Abstract

本发明公开了一种分布式集群存储系统，包括：一中心集群结构和复数个边缘集群结构，所述边缘集群结构通过一组网与所述中心集群结构通信连接，所述中心集群结构和所述边缘集群结构包括复数个服务器和复数个存储单元；所述存储单元，用于存储和提供数据资源，共享于系统内所有服务器；所述服务器之间通过专用心跳网络互联，所述服务器直接访问任一存储单元用于获取数据资源提供预定服务；所述服务器和所述存储单元通过一交换机连接所述组网。由于采用了本发明的一种分布式集群存储系统，实现了直接访问所有存储空间，且不存在负荷热点问题，具有可靠性强、资源利用率高、响应速度快、成本低的优点。

Description

分布式集群存储系统
技术领域
本发明涉及一种存储系统，尤指一种分布式集群存储系统。
背景技术
传统分布式集群存储系统使用单控制节点或者双控制节点提供NAS(网络附属存储)业务，每个支持一组特定的工作负载和文件系统。传统NAS设备虽然具有易部署、易维护的特性，但是随着信息社会数据的海量增长，其架构方面的缺陷越发明显。一是文件系统与节点的绑定导致任何时刻一个文件系统只在一个节点上处于活动状态，容易存在负荷热点。二是扩展性差，系统性能和空间不能随着用户需求的增加而增加。
传统设备的缺陷导致了各种集群技术的出现，业界当前主要使用两种集群技术。一是N+M共享存储集群技术，二是基于分布式文件系统的分布式存储集群技术。
其中，N+M共享存储集群存储系统，多个服务器3之间使用专用心跳链路通讯，N个节点对外提供NAS业务，M个节点作为备用，允许系统中同时故障M个业务节点。N+M集群技术解决了传统存储设备扩展性差的问题，但是单个文件系统仍然是与特定节点绑定，容易出现存储负荷热点问题。而基于分布式文件系统的存储系统，各存储节点都有专用存储空间互不共享，虽然解决了负荷热点问题，但是如果某一存储节点出现故障，该节点对应的存储空间就得不到利用，资源利用率低。另外，由于使用分布式文件系统的原因，业务服务器访问某一文件可能需要访问多个存储节点，存在巨大的内部开销。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，而提供一种分布式集群存储系统，实现了直接访问所有存储空间，且不存在负荷热点问题，具有可靠性强、资源利用率高、响应速度快、成本低的优点。
实现上述目的的技术方案是：
本发明的一种分布式集群存储系统，包括：
一中心集群结构和复数个边缘集群结构，所述中心集群结构用于数据的管理，所述边缘集群结构通过一组网与所述中心集群结构通信连接，
所述中心集群结构和所述边缘集群结构包括复数个服务器和复数个存储单元；
所述存储单元，用于存储和提供数据资源，共享于系统内所有服务器；
所述服务器之间通过专用心跳网络互联，所述服务器直接访问任一存储单元用于获取数据资源提供预定服务；
所述服务器和所述存储单元通过一光纤通道交换机连接所述组网。
上述服务器互为备份，每两个所述服务器内部分别通过一高优先级网络和一低优先级网络互联。
当一上述服务器发生故障时，该服务器的任务均匀分配给其它正常工作的服务器。
上述服务器个数为二至十六个，采用NAS引擎。
上述服务器之间数据的传输采用低延迟运输协议和组成员服务原子广播协议。
本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果是：
存储单元的数据资源对系统内所有服务器共享而不是与特定服务器绑定，所有服务器可以并发同一存储单元，不存在负荷热点问题；服务器互为备份，当一服务器发生故障时，故障服务器任务均匀分配给其它服务器，而不是所有任务切换到某一备用服务器上，具有更高的系统可靠性和资源利用率。服务器可直接访问任所有存储空间，而无需像分布式存储系统那样需要访问多个存储节点，具有更快的响应速度，提供更高的性能；每两个所述服务器内部分别通过一高优先级网络和一低优先级网络互联，确保了服务器之间的有效稳定通信；组网采用以太网，在保证传输速度的同时具有成本低得优点。而低延迟运输协议(LLT)，提供了快速的内核到内核的通信，同时监视网络连接，保证当网络状态发生变化时可以快速的反应到系统上。组成员服务原子广播协议(GAB)保证了当网络状态或配置改变时，系统中的所有服务器都会被立刻通知到，保证了系统中的所有服务器都保持有相同的系统资源状态信息。实现了服务器直接访问所有存储空间，且不存在负荷热点问题的分布式集群存储系统，具有可靠性强、资源利用率高、响应速度快、成本低的优点。
附图说明
图1为本发明分布式集群存储系统的整体结构示意图；
图2为本发明分布式集群存储系统的节点结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
请参阅图1，本发明的一种分布式集群存储系统，包括：
一中心集群结构1和复数个边缘集群结构2，边缘集群结构2通过一组网与中心集群结构1通信连接，在保证传输速度的同时具有成本低得优点。中心集群结构1负责数据的管理，并通过部署在不同地域的边缘集群结构2实现跨地域的资源分布和调度，对于上层业务而言不必关心数据具体存放的位置；对外业务而言，屏蔽了数据的位置。
请参阅图2，中心集群结构1和边缘集群结构2包括复数个服务器3和复数个存储单元4，服务器3之间通过专用心跳网络互联，且服务器3和存储单元4通过一光纤通道交换机5连接组网。当系统整体负载过大需要扩展系统整体性能时，可以在线横向扩展服务器3和存储单元4。
扩容时，不但增加了磁盘空间，同时扩展了各种硬件资源。网络层面可通过堆叠，组合，汇聚以太网方式完成超大规模存储系统的建设，满足系统100PB级扩展对网络的要求，同时使系统能够支持扩展到Tb p s级别的系统吞吐量。系统采用特有的基于对象的虚拟化技术，将底层的物理资源与上层的业务解耦，上层业务透过系统的业务接入端看到的只有已经池化的逻辑存储资源。系统在增加存储单元4时，自动的识别和管理新接入存储单元4，整个系统无需停机或重启，且系统扩容对业务完全透明。
存储单元4用于存储和提供数据资源，共享于系统内所有服务器3，而不是与特定服务器3绑定，所有服务器3可以并发同一存储单元4，不存在负荷热点问题。
服务器3个数为二至十六个，采用NAS引擎，可直接访问任一存储单元4用于获取数据资源提供预定服务，而无需像分布式存储系统那样需要访问多个存储节点，具有更快的响应速度，提供更高的性能；
服务器3互为备份，当一服务器3发生故障时，该服务器3的任务均匀分配给其它正常工作的服务器3。所有服务器3都可以提供业务，互为备用，具有更高的系统可靠性和资源利用率。
系统采用扩散(Scale-out)设计，前端配置2-16个NAS引擎的服务器3，后端可以配置多套存储单元4，二者通过FC交换(光纤通道交换机)连接组网。服务器3内部通过专用心跳网络互联。当系统整体负载过大需要扩展系统整体性能时，可以在线横向扩展服务器3和存储单元4。
分布式集群存储系统采用全Active全共享设计。与N+M集群技术不一样，存储单元4为所有服务器3共享而不是与特点节点绑定，所有服务器3可以并发同一文件系统，不存在负荷热点问题。所有服务器3互为备份，某一服务器3故障时，故障服务器3原来承担的应用可以均匀的切到其它在线节点，而不是所有应用切换到某一备用节点上。所有服务器3提供业务，互为备用，具有更高的系统可靠性和资源利用率。应用服务器访问数据时，通过某一服务器3可以直接访问所有存储单元4，而无需像分布式存储系统那样需要访问多个存储节点，具有更快的响应速度，提供更高的性能；分布式存储系统的存储节点故障时，对应的存储资源不能为其它节点所用，资源利用率低；服务器3间采用高效通讯协议且需要互相交换的数据包不大，使用千兆以太网就能满足，无需向分布式文件存储那样构建高速的内部通讯联系，具有成本方面的优势。
集群通信可确保集群随时了解每个系统的服务组和资源的状态。另外，系统还可以通过它们识别哪些系统是集群的活动成员，哪些系统已经加入或脱离集群，以及哪些系统出现了故障。
服务器3之间数据的传输采用低延迟运输协议(LLT：Low LatencyTransport)和组成员服务原子广播协议(GAB：Group Membership/AtomicBroadcast)。
原子广播协议(GAB)保证当资源状态、集群结构成员和系统配置改变时，集群结构中的所有服务器3都会立刻被通知到，从而保证了系统中的所有服务器3都保持有相同的系统资源状态信息。
而低延迟运输协议(LLT)提供了快速的，内核到内核的通信，同时监视着网络连接。LLT在系统上作为IP栈的替代，LLT直接运行在UNIX数据链路接口层(DLPI)和WindowsNT的网络驱动接口规范(NDIS)之上，避免了IP栈带来的延时与额外负担，这样可以保证当系统状态发生变化时可以快速的反应到系统上。
LLT与GAB的配合使用，实现了保持系统的组件对业务完全透明，且在扩容或减容过程和整个系统无需停机或重启。
每两个服务器3内部分别通过一高优先级网络和一低优先级网络互联，通过LLT的配置，将低优先级网络作为高优先级网络的备份连接，当高优先级网络正常运作时，低优先级网络不传输集群成员信息包，而当低优先级网络成为唯一可用的网络时，LLT会将所有的集群结构状态信息通过低优先级网络发送，当高优先级网络连接修复以后，LLT再把集群状态信息切换到这些高优先级的连接上进行传输，确保了服务器3之间的有效稳定通信。
服务器3间使用集群的专有网络进行通信。通信的内容包括其它是否仍在工作(Heartbeat)和服务器3上发生的操作及资源状态信息(clusterstatus)。每节点内部存在两个完全独立的专有网络，这两个专有网络一方面提供了冗余的通讯路径，另一方面也可使集群引擎分辨网络失效与系统失效。集群引擎使用LLT和GAB替代IP协议栈，以此在服务器3间提供一个稳定的高速通讯连接，同时避免了普通协议栈带来的延时。
LLT可以配置使用一个低优先级的网络连接作为普通heartbeat通道的备份连接。低优先级连接典型的配置在用户的公有网络或管理员网络上。低优先级连接不会传输集群成员信息包，除非它是唯一可用的连接。普通情况下低优先级连接只用来传输用来保持集群成员信息和连接状态的heartbeat包。为了减轻网络负责hearbeat频率被降低到50％。当低优先级连接成为唯一的连接时，LLT会将所有的集群状态信息通过它发送。当别的连接修复以后，LLT再把集群状态信息切换到这些高优先级的连接上进行传输。
集群引擎包括一组预定义的资源类型。对每种资源类型集群引擎都包含一个相应的代理(Agent)来监视和管理资源。Agent提供了对特定资源类型的逻辑控制，它从本地系统上的代理收集有关资源状态的信息，然后将该信息转发给所有集群成员。本地服务器3还会接收来自其他集群成员的信息以更新它掌握的集群信息。
在每个服务器3中，Agent监视着资源的状态，并将其报告给高可用性后台驻留程序(HAD)，每个系统上都运行高可用性后台驻留程序(HAD)。HAD也称为系统引擎，它负责：基于配置文件创建正常生效的集群配置、在新节点加入集群时分发信息、响应操作员的输入以及在出现故障时采取纠正操作。
HAD通过组成员服务原子广播协议(GAB)在服务器3间交换资源状态信息。GAB使用Low Latency Transport(LLT)在服务器之间进行可靠的传输。
高可用性后台驻留程序(HAD)是在每个系统中运行的主要的集群引擎守护进程。HAD收集本服务器3的所有资源信息，然后将这些信息发往集群中的其他系统。它也负责接收其他集群成员发出的信息。HAD管理重复状态计算机(RSM：Replicated State machine)，RSM是集群中所有资源的状态在内存中的表示，集群中每个系统的RSM都相同。这就意味着每个系统关于集群的内存快照都是相同的，这是通过GAB的原子广播功能实现的。
HAD是作为重复状态计算机(RSM)运行。每个服务器3上运行的引擎都掌握了该服务器3上完整的同步资源状态信息。每个HAD实例都按要求采用相同的代码路径以便采取纠正操作。RSM通过使用一个特制的通信软件包进行维护。通信软件包由低延迟运输协议(LLT)协议和组成员服务原子广播协议(GAB)协议组成。
组成员服务原子广播协议(GAB)负责控制服务器3和集群通信(Cluster Communications)。
HAD使用GAB的原子广播功能来保持RSM信息，原子广播保证当资源状态、集群成员和系统配置改变时，集群中的所有节点都会立刻通知到。所谓原子意味着所有的系统都收到更新信息，否则所有系统都需回滚到前一个状态，这很像数据库系统中的原子提交。GAB的原子性保证了集群中的所有节点都保持有相同的RSM。GAB使用软件实现广播，它在网络上并不使用真正的广播包而是使用系统点对点的通信模拟广播。
GAB经由LLT从每个服务器3接收有关心跳状态的输入来维护集群成员集。当系统不再从对等端接收心跳时，会将对等端标记为“DOWN”，并将其从集群中排除。在系统中，成员集是参与集群的系统的集合。
GAB的第二项功能是可靠的集群通信。GAB可确保将点到点消息和广播消息发送到所有服务器3。原子广播操作被HAD用来保证所有集群服务器3能够收到同样的配置变更信息，或者回滚到前一状态。GAB原子广播实际上使用的点对点通信，不会在心跳网络上形成网络风暴。
LLT提供了快速的，内核到内核的通信，同时监视着网络连接。LLT在系统上作为IP栈的替代。LLT直接运行在UNIX数据链路接口层(DLPI)和WindowsNT的网络驱动接口规范(NDIS)之上。使用LLT而不是IP避免了IP栈带来的延时与额外负担，这样可以保证当状态发生变化时可以快速的反应到系统上。
系统使用集群节点之间的专用网络通信来维护集群。Low LatencyTransport可充当IP堆栈的一种高性能、低延迟替代协议，用于所有集群通信。所有集群服务器3之间都有两个独立网络。这两个网络可提供必需的通信路径冗余，并使系统能够辨别是网络故障还是系统故障。LLT有两项主要功能。
LLT在所有可用的专用网络链路之间分配服务器3间通信，实现负载平衡。此分配意味着所有集群通信在最多八个的所有专用网络链路间平均分配，以提高性能和故障恢复能力。如果某个链路失败，便会将流量重定向到其余链路。
LLT负责通过网络链路发送和接收心跳通信。GAB的Group MembershipServices功能使用此心跳来确定集群成员集。
以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种分布式集群存储系统，其特征在于，包括：一中心集群结构和复数个边缘集群结构，所述中心集群结构用于数据的管理，所述边缘集群结构通过一组网与所述中心集群结构通信连接，
所述中心集群结构和所述边缘集群结构包括复数个服务器和复数个存储单元；
所述存储单元，用于存储和提供数据资源，共享于系统内所有服务器；
所述服务器之间通过专用心跳网络互联，所述服务器直接访问任一存储单元用于获取数据资源提供预定服务；
所述服务器和所述存储单元通过一光纤通道交换机连接所述组网。
2.根据权利要求1所述的分布式集群存储系统，其特征在于，所述服务器互为备份，每两个所述服务器内部分别通过一高优先级网络和一低优先级网络互联。
3.根据权利要求2所述的分布式集群存储系统，其特征在于，当一所述服务器发生故障时，该服务器的任务均匀分配给其它正常工作的服务器。
4.根据权利要求1或3所述的分布式集群存储系统，其特征在于，所述服务器个数为二至十六个，采用NAS引擎。
5.根据权利要求4所述的分布式集群存储系统，其特征在于，所述服务器之间数据的传输采用低延迟运输协议和组成员服务原子广播协议。
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