CN108604277A - 用于访问文件的方法和系统 - Google Patents

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CN108604277A CN201680041466.3A CN201680041466A CN108604277A CN 108604277 A CN108604277 A CN 108604277A CN 201680041466 A CN201680041466 A CN 201680041466A CN 108604277 A CN108604277 A CN 108604277A
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罗伯特·李
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Abstract

提供了一种用于在存储系统中访问文件的方法。该方法包括针对文件的每个文件块确定存储系统的不同存储节点中的权限方,以及从具有文件块的所有权的权限方接收文件块的位置信息。该方法包括按照每个确定的权限方的指示访问文件的文件块。

Description

用于访问文件的方法和系统
背景技术
固态存储器(诸如闪存)目前用在固态驱动器(SSD)中以增强或替代常规硬盘驱动器(HDD)、统称为旋转介质的可写CD(紧致盘)或可写DVD(数字通用盘)驱动器、以及磁带驱动器,以用于存储大量数据。闪存和其它固态存储器具有不同于旋转介质的特性。然而,由于兼容性原因,许多固态驱动器被设计成符合硬盘驱动器标准,这使得难以提供增强的特征或利用闪存和其它固态存储器的独特方面。诸如千兆字节范围及以上的大文件给存储系统负载带来负担,并且可能捆绑存储节点的资源,从而在存储集群或存储系统性能方面产生瓶颈。在这种情况下,出现了在本文中描述的实施例。
发明内容
在一些实施例中,提供了一种在存储系统中访问文件的方法。该方法包括针对文件的每个文件块确定存储系统的不同存储节点中的权限方(authority),以及从具有文件块的所有权的权限方接收文件块的位置信息。该方法包括按照每个确定的权限方的指示访问文件的文件块。
在一些实施例中,提供了一种在存储系统中访问文件的文件块的方法。该方法包括将多个存储节点中的多个所有者中的一个确定为具有文件的文件块的所有权,该确定针对文件的多个文件块中的每一个在不同的存储节点处执行。该方法包括按照确定的所有者的指示访问文件的多个文件块。
在一些实施例中,提供了一种具有文件块的有效分布的存储系统。该系统包括多个存储节点,其耦合作为存储集群。多个存储节点的至少一部分被配置为具有至少一个权限方,每个权限方均具有对文件块的子集的所有权,每个文件块包括文件的一部分。多个存储节点中的每一个均被配置为确定其中多个存储节点中的哪个存储节点中的哪个权限方具有关于每个文件块在存储集群中的位置的信息。
通过以下结合附图的详细描述,实施例的其它方面和优点将变得显而易见,附图以举例的方式示出了所述实施例的原理。
附图说明
通过结合附图参考以下描述,可以最好地理解所述实施例及其优点。在不脱离所描述的实施例的精神和范围的情况下,这些附图决不限制本领域技术人员可以对所描述的实施例进行的形式和细节上的任何改变。
图1是根据一些实施例的存储集群的透视图,该存储集群具有多个存储节点和耦合到每个存储节点的内部存储装置以提供网络附接存储装置。
图2是示出根据一些实施例的耦合多个存储节点的互连交换机的框图。
图3是多级框图,其示出了根据一些实施例的存储节点的内容和非易失性固态存储单元中的一个的内容。
图4A描绘了适合于在存储集群的实施例中存储和访问的文件,其中文件块中的每个文件块具有相对于文件的文件偏移。
图4B示出了根据本说明书的实施例的示例文件和文件的各种文件块的所有权。
图5是存储集群的框图,该存储集群具有用于确定文件块的所有权的组件。
图6是示出使用散列计算器和查找表以指向作为文件块的所有者的权限方的系统动作图。
图7A是用于在存储系统中分布文件块的所有权以及写入文件的文件块的方法的流程图,该方法可以通过图1至图6的存储集群、存储节点和存储单元的实施例来实践。
图7B是用于在存储系统中分布文件块的所有权以及读取文件的文件块的方法的流程图,该方法可以通过图1至图6的存储集群、存储节点和存储单元的实施例来实践。
图8示出了可以实现本文中所述的实施例的示例性计算设备的图示。
具体实施方式
在本文中,具有存储存储器(storage memory)的存储节点和存储单元的存储集群被描述为具有向多个存储节点分布关于文件的文件块的物理位置的信息的机制,而不是将所有此类信息集中在单个存储节点中,或者将关于每个文件的文件块的所有此类信息集中在拥有该文件的存储节点中。将信息作为元数据分布到多个存储节点导致大文件的高效分布。在各种实施例中,存储节点使用文件的索引节点(inode)号和文件块相对于文件的偏移的散列计算,来针对文件的每个文件块经由查找表指向关于文件块的物理位置的信息。由于散列计算的性能和查找表都不限于仅属于一个存储节点,所以存储系统避免了瓶颈情况。参考图1至图3描述存储集群、存储节点和存储单元的实施例。参考图4A至图7B描述在存储节点的实施例和存储系统的实施例中用于获取关于文件块的物理位置的信息的过程和机制。
下面的实施例描述了存储用户数据的存储集群,例如存储源自一个或多个用户或客户端系统或存储集群外部的其它源的用户数据。存储集群使用元数据的擦除编码和冗余副本将用户数据分布在容纳在机架内的存储节点上。擦除编码是指数据保护或重构的方法,其中数据被存储在一组不同的位置上,诸如盘、存储节点或地理位置。闪存是可以与实施例集成的一种类型的固态存储器,但实施例可以扩展到其它类型的固态存储器或其它存储介质,包括非固态存储器。存储位置和工作负载的控制分布在集群对等系统中的存储位置上。诸如调解各个存储节点之间的通信、检测存储节点何时变得不可用、以及平衡各个存储节点上的I/O(输入和输出)之类的任务都是在分布式基础上处理的。在一些实施例中,数据以支持数据恢复的数据片段或数据条的形式被布置或分布在多个存储节点上。数据的所有权可以在集群内重新分配,与输入和输出模式无关。下面更详细地描述的该架构允许集群中的存储节点故障,而系统保持可操作,因为数据可以从其它存储节点重构,并且因此保持可用于输入和输出操作。在各种实施例中,存储节点可以被称为集群节点、刀片或服务器。
存储集群被包含在机架内,即容纳一个或多个存储节点的外壳内。向每个存储节点供电的机制(诸如配电总线)以及通信机制(诸如允许实现存储节点之间的通信的通信总线)被包括在机架内。存储集群可以根据一些实施例作为一个位置中的独立系统运行。在一个实施例中,机架包含可以独立被启用或禁用的配电和通信总线的至少两个实例。内部通信总线可以是以太网总线,然而,诸如外围组件互连(PCI)Express、InfiniBand等的其它技术同样适合。机架提供外部通信总线的端口,用于允许实现直接或通过交换机在多个机架之间的通信以及与客户端系统的通信。外部通信可以使用诸如以太网、InfiniBand、光纤通道等技术。在一些实施例中,外部通信总线使用不同的通信总线技术以用于机架间和客户端通信。如果在机架内部或机架之间部署交换机,则交换机可以用作多个协议或技术之间的转换。当多个机架被连接以定义存储集群时,存储集群可以由客户端使用专有接口或标准接口(诸如网络文件系统(NFS)、通用网络文件系统(CIFS)、小型计算机系统接口(SCSI)或超文本传输协议(HTTP))访问。从客户端协议的转换可能在交换机、机架外部通信总线处或每个存储节点内发生。
每个存储节点可以是一个或多个存储服务器,并且每个存储服务器连接到一个或多个非易失性固态存储器单元,其可以被称为存储单元。一个实施例包括在每个存储节点中以及一个到八个非易失性固态存储器单元之间的单个存储服务器,然而这一个示例并不意味着是限制性的。存储服务器可以包括处理器、动态随机存取存储器(DRAM)以及用于内部通信总线和每个电源总线的配电的接口。在一些实施例中,在存储节点内部,接口和存储单元共享通信总线,例如PCI Express。非易失性固态存储器单元可以通过存储节点通信总线直接访问内部通信总线接口,或者请求存储节点访问总线接口。非易失性固态存储器单元包含嵌入的中央处理单元(CPU)、固态存储控制器和一定量的固态大容量存储装置,例如在一些实施例中为2至32万亿字节(TB)之间。嵌入的易失性存储介质(诸如DRAM)和能量储备装置被包括在非易失性固态存储器单元中。在一些实施例中,能量储备装置是电容器、超级电容器或电池,其使得能够在功率损耗的情况下将DRAM内容的子集传送到稳定的存储介质。在一些实施例中,非易失性固态存储器单元由存储类存储器构造,诸如相变或磁阻随机存取存储器(MRAM),其代替DRAM并且允许实现功率减小的保持装置。
存储节点和非易失性固态存储的许多特征中的一个是在存储集群中主动重建数据的能力。存储节点和非易失性固态存储装置可以确定存储集群中的存储节点或非易失性固态存储装置何时不可达,不管是否存在读取涉及该存储节点或非易失性固态存储装置的数据的尝试。然后,存储节点和非易失性固态存储装置合作以在至少部分新位置中恢复和重建数据。这构成了主动重建,因为系统不需要等到从采用存储集群的客户端系统发起的读访问需要数据时才重建数据。下面讨论存储存储器及其操作的这些和进一步的细节。
图1是根据一些实施例的存储集群160的透视图,该存储集群具有多个存储节点150和耦合到每个存储节点的内部固态存储器以提供网络附接存储装置或存储区域网络。网络附接存储装置、存储区域网络、或存储集群或其它存储存储器可以包括在物理组件和由此提供的存储存储器的数量的灵活和可重配置的布置中的一个或多个存储集群160,每个存储集群具有一个或多个存储节点150。存储集群160被设计成适合放在支架中,并且可以根据期望为存储存储器设置和填充一个或多个支架。存储集群160具有机架138,其具有多个槽142。应当理解,机架138可以被称为壳体、外壳或支架单元。在一个实施例中,机架138具有十四个槽142,尽管容易设计其它数量的槽。例如,一些实施例具有四个槽、八个槽、十六个槽、三十二个槽或其它合适数量的槽。在一些实施例中,每个槽142可以容纳一个存储节点150。机架138包括折板148,其可用于将机架138安装在支架上。风扇144提供用于冷却存储节点150及其组件的空气循环,但可以使用其它冷却组件,或者可以在没有冷却组件的情况下设计实施例。交换结构146将机架138内的存储节点150耦合在一起,并且耦合到用于与存储器通信的网络。在图1所示的实施例中,为了说明的目的,交换结构146和风扇144左侧的槽142被显示为由存储节点150占据,而交换结构146和风扇144右侧的槽142是空的并且可用于插入存储节点150。该布置是一个示例,并且在各种进一步的布置中,一个或多个存储节点150可以占据槽142。在一些实施例中,存储节点布置不需要是顺序的或相邻的。存储节点150是可热插拔的,这意味着存储节点150可以插入到机架138的槽142中或者从槽142移除,而不停止系统或使系统断电。在从槽142插入或移除存储节点150时,系统自动重新配置以便识别和适应变化。在一些实施例中,重新配置包括恢复冗余和/或重新平衡数据或负载。
每个存储节点150均可以具有多个组件。在这里所示的实施例中,存储节点150包括由CPU 156(即处理器)、耦合到CPU 156的存储器154、以及耦合到CPU 156的非易失性固态存储装置152填充的印刷电路板158,但在进一步的实施例中可以使用其它安装和/或组件。存储器154具有由CPU 156执行的指令和/或由CPU 156操作的数据。如下面进一步解释的,非易失性固态存储装置152包括闪存或在进一步的实施例中包括其它类型的固态存储器。
参考图1,存储集群160是可扩展的,这意味着如上所述容易添加具有非均匀存储尺寸的存储容量。在一些实施例中,一个或多个存储节点150可以插入每个机架或从其中移除,并且存储集群自配置。无论是如交付安装在机架中或以后添加,插件存储节点150可以有不同的大小。例如,在一个实施例中,存储节点150可以具有4TB的任何倍数的大小,例如8TB、12TB、16TB、32TB等。在进一步的实施例中,存储节点150可以具有其它存储量或容量的任何倍数。每个存储节点150的存储容量被广播,并且影响关于如何拆分数据的决定。为了最大的存储效率,实施例可以在数据条中尽可能宽地自配置,满足连续操作的预定要求,在机架内至多丢失一个或两个非易失性固态存储单元152或存储节点150。
图2是示出耦合多个存储节点150的通信互连170和配电总线172的框图。再参考图1,在一些实施例中,通信互连170可以被包括在交换结构146中或使用其实现。在多个存储集群160占据支架的情况下,在一些实施例中,通信互连170可以被包括在支架交换机的顶部中或使用其实现。如图2所示,存储集群160被包封在单个机架138内。外部端口176通过通信互连170耦合到存储节点150,而外部端口174直接耦合到存储节点。外部功率端口178耦合到配电总线172。如参考图1所述,存储节点150可以包括不同数量和不同容量的非易失性固态存储装置152。此外,一个或多个存储节点150可以是如图2所示的仅计算的存储节点。权限方168在非易失性固态存储装置152上实现,例如作为在存储器中存储的列表或其它数据结构。在一些实施例中,权限方被存储在非易失性固态存储装置152内,并且由在非易失性固态存储装置152的控制器或其它处理器上执行的软件支持。在进一步的实施例中,权限方168在存储节点150上实现,例如作为在存储器154中存储并且由在存储节点150的CPU156上执行的软件支持的列表或其它数据结构。在一些实施例中,权限方168控制数据如何存储在非易失性固态存储装置152中以及存储在哪里。该控制有助于确定将哪种类型的擦除编码方案应用于数据,以及哪些存储节点150具有哪些数据部分。每个权限方168可以被分配到非易失性固态存储装置152。在各种实施例中,每个权限方可以控制由文件系统、由存储节点150或由非易失性固态存储装置152分配给数据的一系列索引节点号、段号或其它数据标识符。
在一些实施例中,每条数据和每条元数据在系统中均具有冗余。此外,每条数据和每条元数据均具有所有者,其可以被称为权限方。如果该权限方不可达(例如,由于存储节点故障),则存在如何找到该数据或该元数据的继承计划。在各种实施例中,存在权限方168的冗余副本。在一些实施例中,权限方168具有与存储节点150和非易失性固态存储装置152的关系。覆盖一系列数据段号或数据的其它标识符的每个权限方168可以被分配给特定的非易失性固态存储装置152。在一些实施例中,所有此类范围的权限方168分布在存储集群的非易失性固态存储装置152上。每个存储节点150具有网络端口,其提供对该存储节点150的非易失性固态存储装置152的访问。在一些实施例中,数据可以存储在段中,其与段号相关联并且该段号是RAID(独立磁盘冗余阵列)条带的配置的间接指示。因此,权限方168的分配和使用建立了到数据的间接指示。根据一些实施例,间接指示可以被称为间接引用数据的能力,在这种情况下是经由权限方168的。段标识非易失性固态存储装置152的集合,以及可能包含数据的非易失性固态存储装置152的集合的本地标识符。在一些实施例中,本地标识符是对设备的偏移,并且可以由多个段顺序地重复使用。在其它实施例中,本地标识符对于特定段是唯一的,并且从不重复使用。非易失性固态存储装置152中的偏移被应用于定位数据以写入非易失性固态存储装置152(以RAID条的形式)或从其读取。数据被拆分在非易失性固态存储装置152的多个单元上,其可以包括或不同于具有用于特定数据段的权限方168的非易失性固态存储装置152。
如果例如在数据移动或数据重构期间数据的特定段所处的位置发生变化,则用于该数据段的权限方168应在具有该权限方168的该非易失性固态存储装置152或存储节点150处被咨询。为了定位特定数据片段,实施例计算数据段的散列值或应用索引节点号或数据段号。该操作的输出指向非易失性固态存储装置152,其具有针对该特定数据片段的权限方168。在一些实施例中,该操作有两个阶段。第一阶段映射实体标识符(ID),例如到权限方标识符的段号、索引节点号或目录号。该映射可以包括诸如散列或位掩码的计算。第二阶段将权限方标识符映射到特定的非易失性固态存储装置152,其可以通过显式映射来完成。该操作是可重复的,使得当执行计算时,计算的结果可重复地并且可靠地指向具有该权限方168的特定非易失性固态存储装置152。操作可以包括将可到达的存储节点集合作为输入。如果可到达的非易失性固态存储单元的集合改变,则最佳集合改变。在一些实施例中,持续值是当前分配(其总是真实的),并且计算值是集群将尝试重新配置的目标分配。该计算可以被用于在存在可到达且构成同一集群的非易失性固态存储装置152的集合的情况下为权限方确定最佳的非易失性固态存储装置152。该计算还确定对等非易失性固态存储装置152的有序集合,其还将权限方记录为非易失性固态存储映射,以使得即使分配的非易失性固态存储装置是不可达的也可以确定权限方。在一些实施例中,如果特定的权限方168不可用,则可以咨询副本或替代的权限方168。
参考图1和图2,存储节点150上的CPU 156的许多任务中的两个任务是分解写入数据,以及重组读取数据。当系统确定要写入的数据时,该数据的权限方168按上述方式被定位。当数据的段ID已经确定时,写入请求被转发到当前被确定为由段确定的权限方168的主机的非易失性固态存储装置152。然后,其上驻存有非易失性固态存储装置152和相应的权限方168的存储节点150的主机CPU 156分解或拆碎数据,并将数据传送到多个非易失性固态存储装置152。所传送的数据根据擦除编码方案作为数据条被写入。在一些实施例中,数据被要求取出,并且在其它实施例中,数据被推送。相反,当读取数据时,包含数据的段ID的权限方168按上述方式被定位。其上驻存有非易失性固态存储装置152和相应的权限方168的存储节点150的主机CPU 156请求来自权限方所指向的非易失性固态存储装置和相应的存储节点的数据。在一些实施例中,数据作为数据条从闪存存储中被读取。然后,存储节点150的主机CPU 156重组所读取的数据(根据适当的擦除编码方案校正任何错误(如果存在)),并将重组的数据转发到网络。在进一步的实施例中,这些任务中的一些或全部可以在非易失性固态存储装置152中被处理。在一些实施例中,段主机通过以下步骤请求将数据发送到存储节点150:从存储装置请求页面,然后将数据发送到进行原始请求的存储节点。
在一些系统中,例如在UNIX样式文件系统中,利用索引节点处理数据,索引节点指定表示文件系统中的对象的数据结构。例如,对象可以是文件或目录。元数据可以伴随对象,作为诸如许可数据和生成时间戳的属性以及其它属性。在文件系统中,可以将段号分配给此种对象的全部或部分。在其它系统中,数据段由其它地方分配的段号处理。为了讨论的目的,分布单元是实体,并且实体可以是文件、目录或段。也就是说,实体是由存储系统存储的数据或元数据的单元。实体被分组为称为权限方的集合。每个权限方都有权限方所有者,其为具有更新权限方中的实体的专属权利的存储节点。换句话说,存储节点包含权限方,并且权限方又包含实体。
根据一些实施例,段是数据的逻辑容器。段是介质地址空间和物理闪存位置之间的地址空间,即数据段号在该地址空间中。段还可以包含元数据,其使得能够在不涉及更高级的软件的情况下恢复数据冗余(重写到不同的闪存位置或设备)。在一个实施例中,段的内部格式包含客户端数据和介质映射以确定该数据的位置。在适用的情况下,通过将段拆分成多个数据和奇偶校验碎片,来保护每个数据段,例如免受存储器及其它故障的影响。根据擦除编码方案,数据和奇偶校验碎片被分布(即,被拆分)在耦合到主机CPU 156的非易失性固态存储装置152上(参见图5)。在一些实施例中,术语段的使用是指段的地址空间中的容器及其位置。根据一些实施例,术语条的使用是指作为段的同一集合的碎片,并且包括如何将碎片与冗余或奇偶校验信息一起分布。
在整个存储系统中进行一系列地址空间变换。顶部处是目录条目(文件名),其链接到索引节点。索引节点指向介质地址空间,其中数据被逻辑存储。介质地址可以通过一系列间接介质来映射,以扩展大文件的负载或者实现例如重复数据删除或快照的数据服务。介质地址可以通过一系列间接介质来映射,以扩展大文件的负载或者实现例如重复数据删除或快照的数据服务。然后,段地址被转换为物理闪存位置。根据一些实施例,物理闪存位置具有由系统中的闪存量限定的地址范围。介质地址和段地址是逻辑容器,并且在一些实施例中使用128位或更大的标识符以使得实际上是无限的,其中重用的可能性被计算为比系统的预期寿命更长。在一些实施例中,来自逻辑容器的地址以分层方式分配。最初,每个非易失性固态存储装置152可以被分配有一定的地址空间范围。在所分配的范围内,非易失性固态存储装置152能够在不与其它非易失性固态存储装置152同步的情况下分配地址。
数据和元数据由针对不同工作负荷模式和存储设备而进行优化的下层存储布局的集合存储。这些布局合并多个冗余方案、压缩格式和索引算法。这些布局中的一些存储关于权限方和权限方主人的信息,而其它存储文件元数据和文件数据。冗余方案包括容许单个存储设备(诸如NAND闪存芯片)内的受损位的误差校正码、容许多个存储节点的故障的擦除码、以及容许数据中心或区域故障的复制方案。在一些实施例中,在单个存储单元内使用低密度奇偶校验(LDPC)码。在一些实施例中,里德-所罗门码(Reed-Solomon码)在存储集群内使用,以及镜像在存储网格内使用。可以使用有序日志结构化索引(诸如日志结构化合并树)存储元数据,并且大数据可能不存储在日志结构化布局中。
为了保持实体的多个副本的一致性,存储节点通过计算隐含地同意两个内容:(1)包含实体的权限方,以及(2)包含权限方的存储节点。对权限方的实体分配可以通过伪随机地为权限方分配实体、通过将实体分割成基于外部产生的密钥的范围、或者通过将单个实体放置到每个权限方中来完成。伪随机方案的示例是线性散列和可扩展散列下的复制(RUSH)散列家族,包括受控的可扩展散列下的复制(CRUSH)。在一些实施例中,伪随机分配仅用于将权限方分配给节点,因为节点的集合可以改变。权限方的集合不能改变,因此在这些实施例中可以应用任何主观功能。一些放置方案自动将权限方放置在存储节点上,而其它放置方案依赖于权限方对存储节点的显式映射。在一些实施例中,使用伪随机方案以从每个权限方映射到候选权限方所有者的集合。与CRUSH相关的伪随机数据分布功能可以将权限方分配给存储节点,并创建权限方分配到哪里的列表。每个存储节点均具有伪随机数据分布功能的副本,并且可以达到相同的计算以用于分布以及稍后查找或定位权限方。在一些实施例中,每个伪随机方案都需要可到达的存储节点的集合作为输入以便推断相同的目标节点。一旦实体被放置在权限方中,实体可以被存储在物理设备上,使得没有预期的故障将导致意外的数据丢失。在一些实施例中,重新平衡算法试图将权限方内的所有实体的副本存储在相同布局中和同一组机器上。
预期故障的示例包括设备故障、机器被盗、数据中心火灾和区域性灾难,诸如核事件或地质事件。不同的故障导致不同级别的可接受的数据丢失。在一些实施例中,被盗存储节点既不影响系统的安全性也不影响系统的可靠性,而根据系统配置,区域事件可能导致数据不丢失、更新丢失几秒钟或几分钟、甚至数据完全丢失。
在实施例中,用于存储冗余的数据的放置独立于用于数据一致性的权限方的放置。在一些实施例中,包含权限方的存储节点不包含任何持久性存储装置。相反,存储节点连接到不包含权限方的非易失性固态存储单元。存储节点和非易失性固态存储单元之间的通信互连由多种通信技术组成,并且具有不均匀的性能和容错特性。在一些实施例中,如上所述,非易失性固态存储单元通过PCI express连接到存储节点,存储节点使用以太网背板在单个机架内连接在一起,以及机架连接在一起以形成存储集群。在一些实施例中,存储集群使用以太网或光纤通道连接到客户端。如果多个存储集群被配置为存储网格,则多个存储集群使用互联网或其它长距离网络链路(诸如,不遍历互联网的“城域规模”链路或私有链路)进行连接。
权限方所有者具有修改实体、将实体从一个非易失性固态存储单元迁移到另一个非易失性固态存储单元、以及添加和删除实体的副本的专属权利。这允许维持下层数据的冗余。当权限方所有者故障、将被停用、或者超载时,则将权限方转移到新的存储节点。瞬态故障使得确保所有无故障机器同意新的权限方位置是有意义的。由于瞬态故障而产生的模糊性可以通过共识协议(诸如Paxos、热-温故障切换方案)由远程系统管理员或由本地硬件管理员经由手动干预(诸如通过从集群中物理地移除故障机器,或按下故障机器上的按钮)而自动实现。在一些实施例中,使用共识协议,并且故障切换是自动的。根据一些实施例,如果在太短的时间段内发生太多的故障或复制事件,则系统进入自保模式并停止复制和数据移动活动,直到管理员进行干预。
随着权限方在其权限方中的存储节点和权限方所有者更新实体之间传输,系统在存储节点和非易失性固态存储单元之间传输消息。关于持久性消息,具有不同目的的消息是不同类型的。根据消息的类型,系统保持不同的排序和耐久性保证。随着持久性消息被处理,消息被临时存储在多个耐用和非耐用存储硬件技术中。在一些实施例中,消息被存储在RAM和NVRAM中以及NAND闪存设备上,并且使用各种协议以便有效地使用每个存储介质。延迟敏感的客户端请求可以在复制的NVRAM中持续,然后在稍后的NAND中持续,而背景再平衡操作直接持续到NAND。
持久性消息在传输之前被持续存储。尽管有故障和组件替换,这允许系统继续服务客户端请求。虽然许多硬件组件包含对于系统管理员、制造商、硬件供应链和持续监控质量控制基础设施可见的唯一标识符,但在基础设施之上运行的应用程序处理虚拟化地址。尽管有组件故障和替换,这些虚拟化地址在存储系统的寿命期间不会改变。这允许存储系统的每个组件随时间被替换,而无需重新配置或中断客户端请求处理。
在一些实施例中,虚拟化地址以足够的冗余被存储。连续监测系统将硬件和软件状态与硬件标识符相关联。这允许检测和预测由于故障组件和制造细节导致的故障。在一些实施例中,监测系统还使得能够通过从关键路径中移除组件而在故障发生之前主动将权限方和实体转移远离受影响的设备。
图3是多级框图,其示出了存储节点150的内容和存储节点150的非易失性固态存储装置152的内容。在一些实施例中,数据通过网络接口控制器(NIC)202被传送到存储节点150并从存储节点150处被传送。如上所述,每个存储节点150均具有CPU 156、以及一个或多个非易失性固态存储装置152。在图3中向下移动一级,每个非易失性固态存储装置152均具有相对快的非易失性固态存储器,诸如非易失性随机存取存储器(NVRAM)204和闪存206。在一些实施例中,NVRAM 204可以是不需要程序/擦除周期的组件(DRAM,MRAM,PCM),并且可以是可以支持比存储器读取更为频繁的存储器写入的存储器。在图3中再向下移动一级,在一个实施例中,NVRAM204被实现为高速易失性存储器,诸如动态随机存取存储器(DRAM)216,其由能量储存装置218支持。能量储存装置218提供足够的电力以保持对DRAM 216足够长的供电,以使内容在电源故障的情况下被传输到闪存206。在一些实施例中,能量储存装置218是电容器、超级电容器、电池或其它设备,其在功率损耗的情况下提供合适的能量供应以使得能够将DRAM 216的内容传输到稳定的存储介质。闪存206被实现为多个闪存晶元(die)222,其可以被称为闪存晶元222的封装或闪存晶元222的阵列。应当理解,闪存晶元222可以以任意种方式包装:每个封装均具有单个晶元,每个封装有多个晶元(即,多芯片封装),混合封装,作为在印刷电路板或其它基板上的裸露晶元,作为封装的晶元等。在所示的实施例中,非易失性固态存储装置152具有控制器212或其它处理器,以及耦合到控制器212的输入输出(I/O)端口210。I/O端口210耦合到CPU 156和/或闪存存储节点150的网络接口控制器202。闪存输入输出(I/O)端口220耦合到闪存晶元222,并且直接存储器访问单元(DMA)214耦合到控制器212、DRAM216和闪存晶元222。在所示的实施例中,在可编程逻辑设备(PLD)208(例如,现场可编程门阵列(FPGA))上实现I/O端口210、控制器212、DMA单元214和闪存I/O端口220。在这个实施例中,每个闪存晶元222均具有页面,被组织为16kB(千字节)页面224,以及寄存器226,通过寄存器226可以将数据写入闪存晶元222或从其读取数据。在进一步的实施例中,使用其它类型的固态存储器替代或附加于闪存晶元222内所示的闪存。
在本文公开的各种实施例中,存储集群160通常可以与存储阵列形成对比。存储节点150是创建存储集群160的集合的一部分。每个存储节点150拥有数据片和提供数据所需的计算。多个存储节点150合作以存储和检索数据。如通常在存储阵列中所使用的,存储存储器或存储设备较少涉及处理和操纵数据。存储阵列中的存储存储器或存储设备接收命令以读取、写入或擦除数据。存储阵列中的存储存储器或存储设备并不知道它们被嵌入其中的较大系统或者数据意味着什么。存储阵列中的存储存储器或存储设备可以包括各种类型的存储存储器,诸如RAM、固态驱动器、硬盘驱动器等。本文所述的存储单元152具有多个同时有效并且用于多个目的的接口。在一些实施例中,存储节点150的一些功能被移位到存储单元152中,将存储单元152转换为存储单元152和存储节点150的组合。将计算(相对于存储数据)放置到存储单元152中将该计算放置为更接近数据本身。各种系统实施例具有存储节点层的层次,存储节点层具有不同的能力。相反,在存储阵列中,控制器拥有并知道关于控制器在架子或存储设备中管理的所有数据的一切信息。如本文所述的,在存储集群160中,多个存储单元152和/或存储节点150中的多个控制器以各种方式协作(例如,用于擦除编码、数据分片、元数据通信和冗余、存储容量扩展或收缩、数据恢复等)。
图4A描绘了适合于在存储集群160的实施例中存储和访问的文件402,其中文件块406中的每个文件块具有相对于文件402的文件偏移404。文件402通过索引节点号410标识,例如作为文件系统对象。在一些实施例中,目录也可以通过索引节点号来标识。尽管可以使用偏移的其它定义,但在该示例中,特定文件块406的文件偏移404是文件块406的开始处相对于文件402的开始处的地址。具有给定文件大小408的文件402可以具有几个或很多个文件块406,其可以是各种大小的文件块。例如,文件块406可以是多个千字节,多个兆字节,多个千兆字节,或者可能是多个万亿字节等。在典型的已知存储系统中,特定文件的所有文件块406或者甚至是系统中的所有文件的所有文件块406的所有权在存储系统中的一个位置中找到,诸如在存储节点中。这造成了瓶颈,特别是对于大文件而言,其会占用系统资源并抑制吞吐量。相反,在存储集群160的当前实施例中,文件块406的所有权分布在全部存储节点150中。这更均匀地分布或划分整个文件的系统资源负载。
图4B示出了根据本说明书的实施例的示例文件402和文件402的各种文件块406的所有权。在该示例中,文件402具有1TB(万亿字节)的文件大小408和16kB(千字节)的文件块大小,但也可以使用其它文件大小408和文件块406的大小。文件402由“索引节点65”标识为索引节点号410。文件块406由各种权限方168拥有。例如,示例中的第一文件块406被示出为由被标识为“权限方42”的权限方168所拥有,第二文件块406被示出为由被标识为“权限方50”的权限方168所拥有,以及第三文件块406被示出为由被标识为“权限方40”的权限方168所拥有。文件402的大多数文件块406可能由不同的权限方168所拥有,但是统计上可能并且实际上在非常大的文件中统计上可能是,两个或更多个文件块406可以由同一个权限方168所拥有。应当理解,该统计可能性取决于存储集群160中的权限方168的总数与文件402中的文件块406的总数的比较。
图5是存储集群160的框图,其具有用于确定文件块406的所有权的组件。在一些实施例中,存储集群160的每个存储节点150具有一个或多个权限方168、散列计算器502和存储存储器506,但也可以不是全部存储节点150都具有这些组件,其中一些存储节点150作为计算节点。用户数据被存储在存储节点150的存储存储器506中,例如如以上参考图1至图3所述的使用根据权限方168的擦除编码和分布。下面参考图6描述散列计算器502的操作。散列计算器502可以在固件、硬件或在处理器上执行的软件或其组合中实现。散列计算器502的操作可以由存储节点150的处理器156执行(参见图2)。应当理解,存储节点150可以包括在存储系统中的保存存储信息的计算代理的一个或多个逻辑构造,和/或被配置为服务客户端请求的计算代理的一个或多个逻辑构造。
图6是示出使用散列计算器502的系统动作图,其将权限方168标识为文件块406的所有者。作为文件402的标识符的索引节点号410和文件块406相对于文件402的文件偏移404被馈送到散列计算器502中,其产生散列计算结果602。这可以通过使存储节点150的处理器156对文件标识符和偏移404执行散列计算来实现。散列计算结果602标识权限方168。存储系统的消息传送系统使得能够与由散列计算结果标识的权限方进行通信。索引节点号410或其它文件标识符、文件偏移404或关于文件块406的其它信息、文件大小408、以及由权限方168处理的有关文件402、文件块406和目录等的信息,可以被称为元数据类型。因此,图4A至图6描述了用于委派文件的元数据的部分的位置的机制,其也可以用于各种其它对象。应当理解,在一些实施例中,系统的一些存储节点可以不包括权限方,因为存储节点的一部分或子集可以包括权限方,而不是在其他实施例中的每个存储节点均包括权限方。
图7A是用于在存储系统中分布文件块的所有权以及写入文件的文件块的方法的流程图,其可以通过图1至图6的存储集群、存储节点和存储单元的实施例来实践。该方法可以由存储系统中的一个或多个处理器来实践。在动作702中,接收将文件写入存储存储器的请求。请求可以由存储节点接收。在动作704中,文件被分成或分割成文件块。在动作706中,对于文件的每个文件块而言,对文件块的文件偏移和文件标识符(例如文件的索引节点号)执行散列计算。在动作708中,对于每个文件块而言,基于该文件块的散列计算结果来标识权限方。在动作710中,权限方指示文件块的存储。在动作712中,文件块根据相关权限方的指示进行存储。
图7B是用于在存储系统中分布文件块的所有权以及访问文件的文件块的方法的流程图,其可以通过图1至图6的存储集群、存储节点和存储单元的实施例来实践。该方法可以由存储系统中的一个或多个处理器来实践。在动作714中,接收从存储存储器读取文件的请求。请求可以由存储节点接收。在动作716中,在文件的每个文件块的存储系统的不同存储节点之间确定或标识权限方。在一些实施例中,对于文件的每个文件块而言,对文件块的文件偏移和文件标识符(例如文件的索引节点号)执行散列计算。在动作718中,从具有文件块所有权的权限方接收用于每个文件块的文件块的位置信息。在动作720中,按照每个确定的权限方的指示访问文件的文件块。应当理解,实施例将多个存储节点中的多个所有者中的一个确定为具有文件的文件块的所有权,并且该确定针对文件的多个文件块中的每个文件块在不同的存储节点处执行。因此,文件的块的所有权的分布使得能够有效地访问那些文件块,而不需要集中查找表或代理来管理进程。也就是说,根据上述机制,分布在不同存储节点之间的不同权限方对文件的各种块或部分具有所有权。
应当理解,本文描述的方法可以使用数字处理系统来执行,诸如常规通用计算机系统。替代地,可以使用设计或编程为仅执行一项功能的专用计算机。图8示出了可以实现本文中所述的实施例的示例性计算设备的图示。根据一些实施例,图8的计算设备可以用于实现用于在存储系统中分布文件块的所有权的功能的实施例。计算设备包括中央处理单元(CPU)801,其通过总线805耦合到存储器803,以及大容量存储设备807。在一些实施例中,大容量存储设备807表示持久性数据存储设备,诸如盘驱动器,其可以是本地的或远程的。在一些实施例中,大容量存储设备807可以实现备份存储装置。存储器803可以包括只读存储器、随机存取存储器等。驻留在计算设备上的应用程序可以存储在计算机可读介质(诸如存储器803或大容量存储设备807)上或经由其被访问。应用程序还可以是经由计算设备的网络调制解调器或其它网络接口调制访问的调制电子信号的形式。应当理解,在一些实施例中,CPU 801可以实现为通用处理器、专用处理器或特定编程的逻辑设备的形式。
显示器811与CPU 801、存储器803和大容量存储设备807通过总线805通信。显示器811被配置为显示与本文所述系统相关联的任何可视化工具或报告。输入/输出设备809耦合到总线805,以便将命令选择中的信息传送给CPU801。应当理解,来自或进入外部设备的数据可以通过输入/输出设备809进行传送。可以定义CPU801以执行本文所述的功能,从而使能参考图1至图7B所描述的功能。在一些实施例中,实现此功能的代码可以存储在存储器803或大容量存储设备807中以便由处理器(诸如CPU801)执行。计算设备上的操作系统可以是MS-WINDOWSTM、UNIXTM、LINUXTM、iOSTM、CentOSTM、AndroidTM、Redhat LinuxTM、z/OSTM或其它已知的操作系统。应当理解,本文描述的实施例也可以与用物理计算资源实现的虚拟化计算系统集成。
本文公开了详细的说明性实施例。然而,本文公开的具体功能细节仅代表描述实施例的目的。然而,实施例可以以许多替代形式体现,并且不应被解释为仅限于本文阐述的实施例。应当理解,尽管相对于文件系统描述了实施例,但是实施例也可以扩展到基于系统的对象。
应当理解,尽管术语第一、第二等可以在本文中用于描述各种步骤或计算,这些步骤或计算应不受这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个步骤或计算与另一个步骤或计算。例如,在不脱离本公开的范围的情况下,第一计算可以被称为第二计算,并且类似地,第二步骤可以被称为第一步骤。如本文所用的,术语“和/或”和“/”符号包括相关列出项目中的一个或多个的任何和所有组合。
如本文所使用的,单数形式“一(a)”,“一(an)”和“该(the)”也旨在包括复数形式,除非上下文另有明确指示。将进一步理解的,在本文中使用时,术语“包括”和/或“包含”指定存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件,但不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或它们的群组。因此,本文使用的术语仅是为了描述特定实施例的目的,而并非意欲为限制性的。
还应注意的是,在一些替代实现中,所示的功能/动作可以不按照附图中所示的顺序进行。例如,根据所涉及的功能/动作,实际上可以基本上同时执行或者有时可以以相反的顺序执行连续示出的两个图。
考虑到上述实施例,应当理解,实施例可以采用涉及存储在计算机系统中的数据的各种计算机实现的操作。这些操作是那些需要对物理量进行物理操纵的操作。通常,尽管不是必须地,但这些量采取能够被存储、传输、组合、比较和以其它方式操纵的电或磁信号的形式。此外,所进行的操纵通常在术语中提及,诸如产生、标识、确定或比较。在本文中描述的构成实施例的一部分的任何操作是有用的机器操作。实施例还涉及用于执行这些操作的设备或装置。装置可以特别构造用于所需的目的,或者装置可以是由存储在计算机中的计算机程序选择性地激活或配置的通用计算机。特别地,各种通用机器可以与根据本文的教导编写的计算机程序一起使用,或者构造更专用的设备用于执行所需操作可能更为方便。
模块、应用程序、层、代理或其它方法可操作的实体可以实现为硬件、固件或处理器执行软件或其组合。应当理解,在本文中公开了基于软件的实施例的情况下,软件可以以诸如控制器的物理机器体现。例如,控制器可以包括第一模块和第二模块。控制器可以被配置为执行例如方法、应用、层或代理的各种动作。
实施例还可以在非暂态计算机可读介质上体现为计算机可读代码。计算机可读介质是可以存储数据的任何数据存储设备,然后其可以由计算机系统读取。计算机可读介质的示例包括硬盘驱动器、网络附接存储装置(NAS)、只读存储器、随机存取存储器、CD-ROM、CD-R、CD-RW、磁带和其它光学和非光学数据存储设备。计算机可读介质也可以分布在网络耦合计算机系统上,使得计算机可读代码以分布式方式存储和执行。本文所述的实施例可以用各种计算机系统配置来实践,包括手持设备、平板电脑、微处理器系统、基于微处理器或可编程的消费电子产品、小型计算机、主机计算机等。实施例也可以在分布式计算环境中实践,其中任务由通过基于有线或无线网络链接的远程处理设备执行。
虽然以特定顺序描述了方法操作,但是应当理解,可以在所描述的操作之间执行其它操作,可以调整所描述的操作以使得它们在稍微不同的时间处发生,所描述的操作可以分布在系统中,其允许以与处理相关联的各种间隔发生处理操作。
在各种实施例中,本文描述的方法和机制的一个或多个部分可以形成云计算环境的一部分。在此种实施例中,资源可以根据一个或多个不同的模型通过互联网即服务提供。此种模型可以包括基础设施即服务(IaaS),平台即服务(PaaS)和软件即服务(SaaS)。在IaaS中,计算机基础设施作为服务提供。在此种情况下,计算设备通常由服务提供商拥有和操作。在PaaS模型中,开发人员使用以开发软件解决方案的软件工具和下层设备可以作为服务提供并由服务提供商托管。通常,SaaS包括服务提供商许可软件作为按需服务。服务提供商可以托管软件,或者可以在给定时间段内将软件部署到客户。上述模型的许多组合是可能的并且是可以考虑的。
可以将各种单元、电路或其它组件描述或要求为“配置为”执行任务。在此种情况下,短语“配置为”用于通过指示单元/电路/组件包括在操作期间执行任务的结构(例如,电路)来表示结构。如此,即使当指定的单元/电路/组件当前不可操作(例如,不开启)时,单元/电路/组件也可以被说成被配置为执行任务。与“配置为”语言一起使用的单元/电路/组件包括硬件(例如,电路)、存储器等,其存储可执行的程序指令以实现操作。记载单元/电路/组件被“配置为”执行一个或多个任务明确地无意援引35U.S.C.第112节第六段的单元/电路/组件。另外地,“配置为”可以包括通用结构(例如,通用电路),其由软件和/或固件(例如,FPGA或执行软件的通用处理器)操纵,从而以能够执行所讨论的任务的方式进行操作。“配置为”还可以包括适应制造过程(例如,半导体制造设备)以制造适于实现或执行一个或多个任务的设备(例如,集成电路)。
为了说明的目的,前述描述已经参考具体实施例进行了描述。然而,上述说明性讨论并非旨在穷举性的或者将本发明限制于所公开的确切形式。鉴于上述教导,许多修改和变化是可能的。选择和描述实施例是为了最好地解释实施例的原理及其实际应用,从而使得本领域的其它技术人员能够最好地利用实施例和各种修改,从而可以适合于所预期的特定用途。因此,本实施例被认为是说明性的而不是限制性的,并且本发明不限于在此给出的细节,而是可以在所附权利要求的范围和等同物内进行修改。

Claims (20)

1.一种用于在存储系统中访问文件的方法,包括:
针对所述文件的每个文件块,确定所述存储系统的不同存储节点中的权限方;
从具有所述文件块的所有权的权限方接收所述文件块的位置信息;以及
按照每个所述确定的权限方的指示访问所述文件的文件块。
2.如权利要求1所述的方法,其中所述确定包括对所述文件的标识符和所述文件块的偏移执行散列计算。
3.如权利要求1所述的方法,其中所述文件的每个文件块与偏移值相关联,并且其中基于与不同文件块对应的偏移值,不同权限方与所述文件的不同文件块相关联。
4.如权利要求1所述的方法,其中:
所述确定包括执行散列计算;
所述散列计算的结果指示所述权限方;以及
所述存储系统的所述多个存储节点中的不同存储节点包含所述文件的不同文件块的不同权限方。
5.如权利要求1所述的方法,其中所述确定包括:针对所述文件的每个文件块,基于所述文件块的偏移和所述文件的索引节点号执行散列计算,并且其中所述散列计算的结果指示具有所述文件块的所有权的权限方。
6.如权利要求3所述的方法,其中所述不同权限方分布在不同的存储节点中。
7.如权利要求1所述的方法,其中针对每个文件块的所述确定不集中在所述存储系统中。
8.一种用于在存储系统中访问文件的文件块的方法,包括:
将多个存储节点中的多个所有者中的一个确定为具有所述文件的文件块的所有权,所述确定针对所述文件的多个文件块中的每个文件块在不同的存储节点处执行;以及
按照确定的所有者的指示访问所述文件的所述多个文件块。
9.如权利要求8所述的方法,其中所述文件的每个文件块与偏移值相关联,并且其中基于与不同文件块对应的偏移值,不同权限方与所述文件的不同文件块相关联。
10.如权利要求8所述的方法,其中所述确定包括:
对所述文件块的文件偏移和所述文件的索引节点号执行散列计算,其中所述散列计算的结果将所述多个所有者中的一个标识为具有所述文件块的所有权。
11.如权利要求8所述的方法,其中所述确定包括:
执行散列计算,所述散列计算的结果指示所述多个存储节点中的一个存储节点的权限方具有所述文件块的所有权。
12.如权利要求8所述的方法,所述确定不集中在所述存储系统中。
13.如权利要求11所述的方法,其中在不同存储节点中的不同所有者之间分布文件块的不同子集的所有权针对所述存储系统的多个文件将所述存储系统的负载划分在所述文件上。
14.一种具有文件块的有效分布的存储系统,包括:
被耦合为存储集群的多个存储节点;
所述多个存储节点的至少一部分,被配置为具有至少一个权限方,每个权限方具有对文件块的子集的所有权,每个文件块包括文件的一部分;以及
所述多个存储节点中的每个存储节点,被配置为确定所述多个存储节点中的哪个存储节点中的哪个权限方具有关于每个文件块在所述存储集群中的位置的信息。
15.如权利要求14所述的存储集群,还包括:
所述多个存储节点中的每个存储节点,被配置为基于文件块的文件偏移和索引节点号来执行散列计算,其中所述散列计算的结果指示具有关于所述文件块的所述位置的信息的权限方。
16.如权利要求14所述的存储集群,还包括:
所述多个存储节点中的每个存储节点,被配置为基于文件块的文件偏移和所述文件的标识符来执行散列计算,并且将所述散列计算的结果应用于查找表,以确定具有关于所述文件块的所述位置的信息的权限方。
17.如权利要求14所述的存储集群,还包括:
所述多个存储节点中的每个存储节点,被配置为对所述文件的索引节点号和所述文件偏移执行散列计算,以获得所述散列计算的结果,该结果指示权限方以及具有所述权限方的所述多个存储节点中的一个存储节点。
18.如权利要求14所述的存储集群,其中确定所述多个存储节点中的哪个存储节点中的哪个权限方具有关于每个文件块在所述存储集群中的位置的信息不集中在所述存储系统中。
19.如权利要求14所述的存储集群,还包括:
所述多个存储节点中的每个存储节点,包括保存存储信息的计算代理的逻辑构造或被配置为服务客户端请求的计算代理的逻辑构造中的一个或多个。
20.如权利要求14所述的存储集群,其中所述存储集群被容纳在单个机架内,并且其中所述多个存储节点中的每个存储节点包括闪存。
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