云存儲(chǔ)技術(shù)解析：無存儲(chǔ)，不智能

當(dāng)下，AI正與云計(jì)算進(jìn)行深度融合，未來會(huì)變得更加智能，但在智能化的背后是對海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的剛性需求。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，單是一輛無人駕駛汽車每秒產(chǎn)生的數(shù)據(jù)容量就在1G左右，相當(dāng)于每秒發(fā)送20萬封純文本電子郵件或上傳100張高清數(shù)碼照片。因此，沒有大容量和超穩(wěn)定的存儲(chǔ)系統(tǒng)，這一切都將無從談起。無存儲(chǔ)，不智能。為了更加清晰的了解云存儲(chǔ)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)過程，UCloud存儲(chǔ)研發(fā)部將對云存儲(chǔ)——對象存儲(chǔ)（UFile）技術(shù)進(jìn)行深度解析。

▌對象存儲(chǔ)UFile概念

對象存儲(chǔ)（UFile）是為互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供非結(jié)構(gòu)化文件存儲(chǔ)的服務(wù)；相對于傳統(tǒng)硬盤存儲(chǔ)，UFile具有存儲(chǔ)無上限、支持高并發(fā)訪問、成本更低等優(yōu)勢；解決業(yè)務(wù)架構(gòu)的文件存儲(chǔ)問題，有效降低海量文件的存儲(chǔ)成本，支持熱點(diǎn)數(shù)據(jù)的高并發(fā)訪問，提升終端用戶訪問體驗(yàn)。

▌單地域UFile存儲(chǔ)架構(gòu)六大集群

ULB(UCloudLoadBalancer)實(shí)現(xiàn)外網(wǎng)的對接及接入層的負(fù)載均衡與容災(zāi)處理，該模塊通過定期向接入層模塊端口發(fā)送心跳以檢測接入層模塊的可用性，發(fā)現(xiàn)異常模塊及時(shí)進(jìn)行剔除；

接入層提供文件訪問服務(wù)，該模塊為無狀態(tài)設(shè)計(jì)，因此可以平行擴(kuò)容及縮容；

索引層保存文件對象的元數(shù)據(jù)信息，包括對象名稱、對象大小、創(chuàng)建時(shí)間、存儲(chǔ)位置等；

存儲(chǔ)層是實(shí)際存儲(chǔ)文件數(shù)據(jù)的模塊集群，主要實(shí)現(xiàn)文件數(shù)據(jù)的多份分布及高可靠存儲(chǔ)；

數(shù)據(jù)處理層主要實(shí)現(xiàn)UFile圖片及數(shù)據(jù)處理，包括圖片的實(shí)時(shí)裁剪、縮放、旋轉(zhuǎn)、水印、格式轉(zhuǎn)換、信息獲取等操作，客戶還可以使用自己的通用計(jì)算鏡像對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；

名字服務(wù)主要實(shí)現(xiàn)索引層及數(shù)據(jù)處理層模塊的容災(zāi)剔除，以上3個(gè)集群的模塊會(huì)定期在名字服務(wù)注冊自身服務(wù)，當(dāng)其中有部分模塊因機(jī)器異?；蛘呔W(wǎng)絡(luò)中斷導(dǎo)致無法提供服務(wù)時(shí)，名字服務(wù)會(huì)將該機(jī)器從名字中剔除，并且通知接入層，從而實(shí)現(xiàn)后臺模塊的容災(zāi)剔除。

▌重點(diǎn)設(shè)計(jì)解析

1、UFile索引層設(shè)計(jì)

UFile索引層為一套分布式KV存儲(chǔ)系統(tǒng)，其主要目標(biāo)是保證UFile對象元數(shù)據(jù)的高性能、高可靠、高可用及可擴(kuò)展的存儲(chǔ)，其主要分成兩層架構(gòu)：

索引接入集群解決索引存儲(chǔ)集群的管理及元數(shù)據(jù)的分布，這一層模塊為無狀態(tài)設(shè)計(jì)，通過名字服務(wù)實(shí)現(xiàn)異常狀態(tài)的容災(zāi)剔除；

索引存儲(chǔ)集群實(shí)現(xiàn)對象元數(shù)據(jù)的分布式存儲(chǔ)，每個(gè)對象元數(shù)據(jù)將存儲(chǔ)3份，保證數(shù)據(jù)的可靠性及高可用性，同時(shí)對象存儲(chǔ)采用SSD（固態(tài)硬盤）作為存儲(chǔ)介質(zhì)，也保證了元數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的高并發(fā)低延時(shí)訪問特性。另外，該模塊采用固定集群規(guī)模的方式進(jìn)行管理，每個(gè)集群支撐的存儲(chǔ)量、訪問量固定，存儲(chǔ)可實(shí)現(xiàn)以集群為單位的水平擴(kuò)容，保障業(yè)務(wù)不斷增長情況下的高性能穩(wěn)定訪問支持。

2、UFile存儲(chǔ)層設(shè)計(jì)

存儲(chǔ)層包括三種類型模塊集群：

存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，該模塊按照固定大小的集群（稱為“Set”）進(jìn)行組織和管理，每個(gè)集群支撐的存儲(chǔ)量及訪問量規(guī)格固定，同時(shí)該模塊可根據(jù)存儲(chǔ)量需求橫向進(jìn)行無限擴(kuò)展，從而滿足客戶無存儲(chǔ)量上限的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求。每個(gè)對象數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)層存儲(chǔ)三份數(shù)據(jù)，通過對異常情況的及時(shí)處理和壞盤的及時(shí)修復(fù)，保證數(shù)據(jù)極高的可靠性（99.99999999%）；

SetMaster，該模塊進(jìn)行Set狀態(tài)的管理，接入集群通過SetMaster決定上傳對象數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)集群，并執(zhí)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)操作；

OsdMaster，該模塊每個(gè)Set有一套，實(shí)現(xiàn)Set內(nèi)部的存儲(chǔ)路由管理，并對各塊磁盤的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，及時(shí)剔除異常磁盤。

3、UFile存儲(chǔ)路由算法設(shè)計(jì)

UFile存儲(chǔ)集群采用去中心化設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用固定的路由算法進(jìn)行存儲(chǔ)，由于存儲(chǔ)集群的規(guī)模為固定，因此路由表也為固定，這就保證了存儲(chǔ)系統(tǒng)的簡單性及穩(wěn)定性。下面詳細(xì)介紹UFile數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層的路由算法設(shè)計(jì)。

第一步，在存儲(chǔ)集群上線時(shí)，每個(gè)集群的OsdMaster將磁盤信息進(jìn)行組織，生成一個(gè)存儲(chǔ)路由表，該路由表的每個(gè)項(xiàng)目對應(yīng)3塊分布在不同機(jī)架及存儲(chǔ)機(jī)器上的磁盤，對象數(shù)據(jù)將按照路由表指定的位置進(jìn)行存儲(chǔ)。

第二步，每個(gè)存儲(chǔ)在UFile上的對象數(shù)據(jù)將被切分成若干個(gè)4MB的數(shù)據(jù)塊，稱為分片。UFile為每個(gè)對象分配一個(gè)單集群內(nèi)部唯一的對象ID，對象ID與分片編號拼接獲得分片ID，通過字符串哈希算法獲得哈希值，并在路由表中找到該分片存儲(chǔ)的3塊磁盤位置，由UFile接入模塊將該分片數(shù)據(jù)提交到3塊磁盤上。

第三步，當(dāng)單塊磁盤出現(xiàn)異常時(shí)，OsdMaster會(huì)發(fā)現(xiàn)這一情況，并將該磁盤標(biāo)記為異常狀態(tài)，當(dāng)接入層寫入此數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)只寫入兩份數(shù)據(jù)，待磁盤修復(fù)后，再從這兩份數(shù)據(jù)中拷貝一份數(shù)據(jù)到已修復(fù)磁盤，恢復(fù)數(shù)據(jù)的多份高可靠存儲(chǔ)。在出現(xiàn)一個(gè)哈希表項(xiàng)中有2塊磁盤不可使用的情況時(shí)，為保證數(shù)據(jù)安全性，該存儲(chǔ)集群將不允許寫入操作，寫入操作會(huì)被切換到其他集群提供服務(wù)，從而保證UFile讀寫的高可用性。

▌UFile功能優(yōu)勢

1、海量存儲(chǔ)

存儲(chǔ)空間無上限，無需考慮存儲(chǔ)空間擴(kuò)容問題，單文件最大支持5TB，適用于音視頻、圖片分享等UGC類應(yīng)用海量文件存儲(chǔ)。

2、高并發(fā)

支持高并發(fā)訪問，突破傳統(tǒng)磁盤I/O限制，滿足高訪問量及高下載量業(yè)務(wù)需求，適用于高下載量、高訪問量應(yīng)用文件的存儲(chǔ)。

3、訪問加速

存儲(chǔ)文件結(jié)合CDN分發(fā)加速，國內(nèi)外500+加速節(jié)點(diǎn)，有效降低訪問延遲，提高下載速度，提升全網(wǎng)終端用戶的訪問體驗(yàn)。

4、安全可用

所存文件保存三份副本，分布存儲(chǔ)于不同存儲(chǔ)集群，即使單份數(shù)據(jù)損壞也不影響存儲(chǔ)文件的可用性，同時(shí)保證文件安全。

5、內(nèi)容保護(hù)

可通過身份驗(yàn)證機(jī)制及防盜鏈設(shè)置控制終端用戶訪問權(quán)限，避免因內(nèi)容被盜用產(chǎn)生的版權(quán)損失和惡意訪問的流量消耗。

6、圖片處理

提供圖片處理服務(wù)，支持圖片縮放、剪裁、添加水印等功能，并提供多種尺寸設(shè)置，滿足移動(dòng)端、PC端等多終端訪問需求。

7、更低成本

存儲(chǔ)單價(jià)僅為云硬盤的1/2，下載由CDN分發(fā)，降低存儲(chǔ)及網(wǎng)絡(luò)成本，按實(shí)際使用量計(jì)費(fèi)，無存儲(chǔ)及帶寬資源閑置浪費(fèi)。

8、開發(fā)支持

完備的API接口及SDK開發(fā)包支持，適合多種語言，與原有業(yè)務(wù)無縫結(jié)合，能夠極大縮短開發(fā)周期，幫助業(yè)務(wù)快速上線。

▌總結(jié)

在大量企業(yè)對數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求強(qiáng)勁的背景下，UCloud對象存儲(chǔ)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。本文通過介紹UFile產(chǎn)品、底層文件存儲(chǔ)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)、功能優(yōu)勢，分析了UFile如何實(shí)現(xiàn)高可靠及高可用特性。從云存儲(chǔ)技術(shù)出發(fā)，UCloud助力各領(lǐng)域企業(yè)更高效、更智能地探索數(shù)據(jù)價(jià)值。