HLFS: 基于HDFS和LFS技术的EBS开源实现

HLFS（HDFS Log Structured FileSystem）是一个开源EBS系统，隶属于《谁来拯救云计算》一文作者康华所发起的cloudxy项目。 HDFS最大的特色是结合了LFS和HDFS， HDFS提供了可靠、随时可扩展的文件服务，而LFS弥补了HDFS不能随机更新的缺憾。 HDFS一个较为成熟的项目，为HLFS提供可靠的、可扩展的存储服务，  大大简化了HLFS的设计。在HLFS中，虚拟磁盘对应一个文件， 文件长度能够超过TB级别，客户端支持Linux和Xen，其中linux基于NBD实现， xen基于blktap2实现，客户端通过类posix接口libHLFS与服务端通讯。  HLFS主要特性有： 支持多副本，支持动态扩容，支持故障透明处理，支持快照。

数据分片和定位
每个虚拟磁盘对应一个HLFS文件，HLFS文件由多个段组成，段是HDFS独立文件默认为64M。 数据分配和定位由HDFS提供，系统本身不需要设计数据分片和定位相关算法。

数据存储

HLFS中，文件即日志，日志即文件，文件的更新全是已追加方式记录到日志末尾。

从物理上看，日志由多个固定长度的段组成， 这些段头尾相连组成一个线性的log，段是HDFS中的独立文件，文件名是segno.seg，其中segno是从0开始递增的编号。

从逻辑上看，日志由一些列日志项组成，日志项不能跨段。 除了日志项的头部之外， 日志项的格式包括 A (data）| B (meta-data block log) | C (inode log) | D(inode_map log)， 其中data是被修改的数据块，如果data包含多个数据块，那么这些数据块必须连续， meta-data block log是由于被修改的索引块， inode log是新的inode， inode_map记录inode位置信息（只包括一个inode）。 inode_map是定位数据块和inode的关键数据结构， HLFS打开文件时必须得到最新的inode_map信息。定位inode_map的方法如下： HLFS从日志末尾（最后一个段的末尾）读取inode和inode_map。与经典LFS系统不同， inode_map仅包含一个inode， 而从日志末尾可直接读到inode， 因此inode_map结构其实没有存在的必要， 留着inode_map是便于将来扩展成单个日志文件支持多文件。  

LFS系统中的一个重要的问题是定位日志末尾的算法， 最简单的办法是根据文件长度确定日志末尾， 但是这种方法无法跳过最后一个不完整的日志项（日志项可能只写入了一半）。这个问题通用的解决办法是增加检查点机制，  从检查点顺序扫描日志， 遇到不完整的日志（通过checksum、日志项中的其它元数据判断）就认为日志结束，并且将不完成的日志truncate掉。

垃圾回收由用户手工发起， 具体分为两个步骤，首先分析段的利用率（即数据块存活率），写入segment_usage。 分析利用率有两种方法，一种是客户端计算，另外一种map/reduce计算。 如果段利用率低于某以阈值， 则启动真正的垃圾回收。 垃圾回收是将段中有效的日志项重新写入到日志末尾。 一个日志项中可能包含有效或者失效的数据块，必须严格区分这两者，只能将日志项中的有效数据重新写入日志末尾，否则可能导致丢失更新。

LFS类系统非常容易实现快照功能——只需将当时的inode位置记录到snapshot文件。

集群成员关系
HDFS维护集群成员关系，处理节点退出和加入。

复制和一致性

HDFS保证复制和一致性， HDFS的append操作比GFS复杂， 能够保证一致性。

性能

 EBS的主要应用是RDS数据库应用，而HLFS的关注点是中小型个人host服务， 性能不是HLFS目前的主要关注点。

读写IO随机化仍然严重： 首先， 非原地更新必然导致数据块在物理上非连续存放，因此读IO比较随机， 顺序读性能下降。 其次，虽然从单个文件角度看来， 写IO是顺序的，但是在HDFS的chunk server服务了多个HLFS文件， 因此从它的角度来看， IO仍然是随机的。同样构建在HDFS之上的HBase是怎么解决随机IO问题的？  HBase每个region server负责多个tablet， 每个tablet都需要记录日志到HDFS， 为了提高日志效率， 每个regioin server上的tablet合用一个日志文件。 或许HLFS也借鉴HBase做法进行优化。

写延迟问题， HDFS面向大文件设计， 小文件写延时不够优化。  

垃圾回收的影响， HLFS写日志线程发现没有请求时，会启动垃圾回收， 垃圾回收需要读取和写入大量数据， 对正常写操作造成较大影响。 此外，按照目前实现，相同段上的垃圾回收和读写请求不能并发，  垃圾回收算法对正常操作的干扰较大。

写日志性能需要进一步优化。  一次只往日志写入一个日志项，一个日志项只能包含连续数据块， 写日志的吞吐率不是很好。

总结

HLFS是基于HDFS和LFS实现的一个开源EBS系统， 得益于HDFS，HLFS的实现难度降低，并拥有三高特性： 高可靠、高可用、高可扩展。只要HLFS能够解决好性能问题， 相信会更加完美。

原文：http://peterylh.blog.163.com/blog/static/120332012226104116710/