基于GFS的分布式文件系统设计和实现

论文总字数：23126字

摘 要

Google公司发表的论文《The Google File System》是业界著名的分布式文件系统理论支撑之一。根据此论文和其它相关开源项目、研究课题，许多互联网公司相继开发出自己的分布式文件系统，不同的针对性优化使得这些分布式文件系统无论是在可用性、扩展性、性能，还是在数据管理、数据存储方面都各具优势。理论上而言，在不同的应用场景，不同的存储架构，不同的性能考量下不可能存在一个通用的性能优化方案，所以根据实际需求对一个系统进行针对性性能优化是非常必要的。

本论文首先介绍了包括Google File System在内的一些国内外具有实践基础的分布式文件系统，并根据《The Google File System》论文对分布式文件系统做了一个相对完整的研究，在元数据管理方案上作了详细的分析，然后结合研究成果和实际项目需求，重点介绍了系统的设计细节，对基于GFS的分布式文件系统进行了小文件支持、副本压缩、缓解单点问题、存储引擎改进等针对性优化，最后简要说明了系统的实现。

关键词：分布式文件系统；性能优化；Google File System；副本压缩

Abstract

The Google File System is one of the most famous theory of distributed File System. According to the paper and other related open source projects, many internet company have developed their own distributed File System. The different targeted optimization made these distributed File Systems have different advantages in the data management, data storage, availability, scalability or performance. In theory, there is no way to find a common performance optimization scheme for different application scenarios, different storage architecture, or different performance consideration. Therefore, it is necessary to do the specific performance optimization according to the actual demand.

This paper firstly introduces some distributed File Systems with practical foundation both in China and abroad, including Google File System, then makes a relatively complete research of distributed File System according to the paper The Google File System. Then, an analysis in metadata management solution is made for detail. And then, combined with the research results and the actual demand, the system design details with performance optimization in replica compression, single point problem, storage engine and small file support is mainly proposed. Finally, the paper simply explains the implementation of the system.

Keywords: distributed File System; performance optimization; Google File System; replica compression

目录

摘要 I

Abstract II

目录 III

第1章 前言 1

1.1 课题背景 1

1.2 分布式文件系统现状 1

1.2.1 GFS 2

1.2.2 HDFS 2

1.2.3 XFS 3

1.2.4 TFS 3

1.2.5 Ceph 4

1.2.6 BWFS 4

1.2.7 GFS2 4

1.3 本文结构安排 5

第2章 分布式文件系统的设计细节 6

2.1 分布式文件系统的设计需求 6

2.1.1 功能需求 6

2.1.2 非功能需求 8

2.2 分布式文件系统的主体架构 9

2.3 元数据管理方案 10

2.3.1 集中式元数据管理 12

2.3.2 分布式元数据管理 13

2.3.3 无中心元数据管理 14

2.3.4 混合式元数据管理 15

2.3.5 基于GFS的元数据管理方案 16

2.4 元数据服务 16

2.4.1 名字空间管理方案 16

2.4.2 元数据一致性保障 17

2.4.3 影子服务器 17

2.4.4 故障恢复 18

2.4.5 负载均衡 19

2.5 副本管理 19

2.5.1 Chunk块管理 19

2.5.2 数据完整性 19

2.5.3 副本一致性 20

2.5.4 副本压缩策略 20

2.5.5 小文件聚集块 21

2.5.6 RADOS存储引擎 22

2.6 客户端接口设计 22

第3章 分布式文件系统的实现概述 23

3.1 元数据管理服务实现 23

3.2 数据服务实现 24

3.3 客户端接口实现 25

第4章 结束语 26

致谢 27

参考文献 28

第1章 前言

课题背景

随着互联网服务在社会生活中越来越全面的渗透，互联网时代也正式迈向大数据时代，无数的数据由用户产生，服务提供商也意识到这些数据的价值，爆炸式增长的数据怎么保存下来，如此庞大的数据怎么有效的组织利用，普通企业如何获得低成本且足以匹敌大型主机的计算能力来挖掘这些数据，成为了互联网从业者们不断研究的课题。

分布式一直都是计算机领域的一个很前沿的课题，分布式的出现，使得一些只能在传统大型主机上做的事能用很廉价的集群实现。对于企业应用而言，分布式文件系统最大的优势是可扩展性，可以通过增加或减少集群中机器数量来增加整个系统的计算性能或降低运营成本，以应对业务的变化。

Google File System正是Google针对自己的业务需求研发出来的一个分布式文件系统。它运行于普通硬件集群而不是大型机上，具有良好的扩展性和容错性，为全世界用户提供高质量的网络服务。像Google File System一样的分布式文件系统的应用非常广泛，它是属于一类产业的基础，像是云计算、云存储、CDN，甚至未来的人工智能也离不开分布式文件系统对它们海量数据的支撑。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：23126字