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1 Elastic Storage in OpenStack Feng Shuo IBM Corporation

2 Agenda From GPFS to Elastic Storage ES in OpenStack Deep Dive On-going Interesting Topics IBM Corporation

3 From GPFS to Elastic Storage IBM Corporation

4 What is GPFS General Parallel File System : IBM s shared disk, parallel cluster file system. GPFS IBM 的基于共享磁盘的并行文件系统 支持 AIX Linux 和 Windows 操作系统, 以及 IBM 的 Power Z 和 Intel/AMD 的 x86 平台. 最初面向高性能的商用或科学计算应用程序而设计, 广泛应用于当今的超级计算机上 Cluster: 2-10,000 nodes, fast reliable communication, common admin domain. Shared disk: all data and metadata on storage devices accessible from any node through block I/O interface ( disk : any kind of block storage device) Parallel: data and metadata flow from all of the nodes to all of the disks in parallel. Storage Area Network (SAN) Model Application Nodes TCP/IP Network Storage Network Storage Network Shared Disk (NSD) Server Model TCP/IP or Infinband Network Storage Storage Application Nodes NSD Servers Shared Nothing Cluster (SNC) Model TCP/IP or Infinband RDMA Network IBM Corporation

5 GPFS Architecture Highlights & Features 面向海量存储的架构 由多个磁盘或者 LUN 构成单一文件系统 完全分布式的数据和元数据存储 多个节点共享存储, 并行访问 面向高吞吐率的架构 磁盘间条带 ( 可跨越文件系统中所有磁盘 ) 支持大的磁盘块 (up to 16M) 优化多文件并发写入的性能 高可靠性的架构 在节点层面上, 在节点故障后可以实现自动的日志回滚操作以保证一致性 在数据层面上, 支持内嵌 Raid(GNR) 方式和副本方式 在线管理, 支持动态的添加 删除磁盘以及节点, 不需要重新挂载文件系统 工业标准的架构 单一名字空间, 完全兼容 POSIX 语义 提供完善的锁机制用来保护读写的一致性 高度可扩展 大容量 (10+PB, 8B files) 高带宽 (TB/s) 高容错性 最大三副本或 N+4 冗余的 Erasure Code(ESS only) 支持节点的自动 Failover, 以及节点之上 NAS 集群服务的自动 Failover 丰富的企业级特性 支持快照与文件克隆 支持 NAS 集群 原生的加密支持 高级数据管理技术 HSM, ILM (DMAPI, storage pools & filesets, storage policy) Multi-cluster (cross-cluster mounts) AFM: remote replication, WAN caching Hadoop 兼容层 GPFS Connector for Hadoop applications (e.g. MapReduce) IBM Corporation

6 典型的部署方式 Storage Area Network (SAN) Model Network Shared Disk (NSD) Server Model DB Cluster TCP/IP Network Application Nodes Technical Computing TCP/IP or Infinband Network NAS Cluster Storage Network Storage NSD Servers LTFS EE Storage Storage HPC (Blue Gene, Sierra and Summit) Shared Nothing Cluster (SNC) Model Share-nothing DB Cluster TCP/IP or Infinband RDMA Network Commercial Bigdata Products Community Big-data Products IBM Corporation

7 Elastic Storage SDS by GPFS Elastic Storage 是基于 GPFS 的软件定义存储 将 GPFS 作为跨越不同存储系统之上的统一数据平面, 为管理平面提供统一的管理接口 为多种分布式应用提供统一的存储名字空间 (the nature of GPFS as cluster filesystem) 不依赖于底层存储系统的成熟的企业级特性 Users and applications Client workstations Single name space Compute Farm GPFS AFM Site B Site A iscsi CIFS Map Reduce Connector NFS POSIX OpenStack Cinder Manila Swift Glance Elastic Storage VADP VAAI VMware SRM vsphere Site C IC Store Flash Disk Tape Share Nothing Cluster GSS IBM InterCloud Store Universal Cloud gateway connects IBM public cloud, Amazon S3, Azure and other storage providers IBM Corporation

8 Elastic Storage in OpenStack Deep Dive IBM Corporation

9 IBM 对 OpenStack 社区的贡献 Globalization and localization enablement Localization for Simplified Chinese Crowd-sourced translation capability API, quotas, Nova integration PowerVM driver Dynamic hypervisor support HA enhancements Drivers for Elastic Storage and IBM NAS Drivers for Storwize family, XIV and DS8000 CDMI support and generic WSGI support Membership Services from HSLT IBM P Series IBM Storwize V7000 IBM XIV Elastic Storage As Software Elastic Storage Server Legal support for drafting bylaws Improvements to stability and quality Community bug squashing days Permission building in the China market IBM Corporation

10 Zoom into OpenStack Storage IBM-NAS Cinder Driver 自 Juno 开始正式进入 OpenStack 通过 NFS 协议来访问 Elastic Storage 系统 ( 配置为 NFS 集群 ) 提供与标准 GPFS Driver 相当的功能 Neutron Horizon Nova Naturally supported by file storage Glance Swift Cinder GPFS/ES Cinder Driver 自 Havana 开始正式进入 OpenStack 要求所有访问存储的节点配置 GPFS 后端通过 GPFS 文件来实现一个 Volume 通过 GPFS 文件克隆来实现 Volume 的快照和快速克隆 支持精简配置 通过 GPFS 本身的副本或 Erasure Code 保证数据可用性 Keystone 面向对象存储的 Elastic Storage 2014 年 9 月正式发布安装及部署白皮书. 实现方式上是使用 Elastic Storage 作为 swift 的后端存储. 通过 ESS 来实现 Erasure Code 级别的容错能力, 在非 ESS 上使用副本 更深度的集成工作进行中 IBM Corporation

11 Diving Deeper into Block Storage Cinder Nova Compute Glance Image Instance Instance Elastic Storage (GPFS) or CNFS based on GPFS Legend Persistent volume control Persistent volume data Image control Image data Cinder, Nova 和 Glance 可以共享访问 Elastic Storage 中的数据, 并统一以文件的方式访问 A sample backend configuration volume_driver = cinder.volume.drivers.ibm.gpfs.gpfsdriver gpfs_mount_point_base = /gpfs0/openstack/cinder/volumes gpfs_images_dir = /gpfs0/openstack/glance/images gpfs_images_share_mode = copy_on_write gpfs_sparse_volumes = True volume_backend_name=gpfs_sparse gpfs_storage_pool=silver 每个 volume/image 将以文件方式呈现在该目录中 使用 GPFS 的克隆 ( 而非拷贝 ) 来实现卷快照 使用稀疏文件来存储卷 ( 相当于精简配置 thin-provision). 指定文件所在的 GPFS Storage Pool, 从而控制该文件具体处于哪些物理存储介质之上 ( 下文将详细描述 ) IBM Corporation

12 Diving Deeper into Block Storage 在 Volume API (Volume metadata) 中可以指定的参数 data_pool_name - 存储池, 同上 dio 强制使用或者强制禁止 DIO 方式 (whatever KVM, Xen or Docker will use) block_group_factor 设置预分配的尺寸 ( 用于扩展 image 时的性能优化 ) replicas 本 Volume/Image 需要保存几个副本 write_affinity_depth 这些副本在 GPFS 内的分布方式 (FPO setup only) write_affinity_failure_group 直接指定存储在哪些节点上 (FPO setup only). 深入理解 Elastic Storage 的数据以及存储布局 Write with allocation on Node 1 SSD gold silver D1 D1 D2 D2 D3 D3 Node 1 (RG:1,0,1) Node 2 (RG:1,0,2) Storage Pool? 10k rpm SAS bronze D1 D2 D3 Node 3 (RG:1,0,3) 7200 rpm SATA D1 D2 D4 Node 4 (RG: 2,0,1) 可以通过上述方式手工指定, 也可以通过 Elastic Storage 的 Policy Engine 统一配置, 例如规则 : RULE default SET POOL fpopool REPLICATE(3) AND setbgf(4) AND setwad(1) IBM Corporation

13 Diving Deeper into Object Storage 基于 OpenStack 标准的 Swift 对象存储架构 可以实现单一存储系统中块与对象的统一存储 对单一对象的大小没有要求 (mostly, currently 5TB) 基于 GPFS 的条带方式, 大的存储对象也不会造成存储热点或者存储不均衡 可以使用 ESS 成熟的 Erasure Code 来代替传统的三副本方式 3x max performance improvement!! 大大降低网络以及存储本身的成本 所有节点都可以直接访问到所有的对象 添加新的节点不但可以增加存储, 还可以提升可靠性 更加节能, 并降低系统成本 远高于传统方案的存储密度 无缝的添加磁盘与节点 无缝的添加系统容量 只加入新的节点时不需要 Rebuild 或者任何数据移动 对企业级存储特性的无缝支持 磁带备份, 加密, 备份, 容灾, 自动分级存储等 SSD Swift GPFS Fast Disk Web Load Balancer Swift GPFS Slow Disk Geo-Distributed GPFS Object Store Client Applications Tape Protocol Nodes IBM Corporation

14 Putting Everything Together Nova VM rootfs disk Glance Protected snapshot Cinder backend Swift backend OpenStack SNAP Elastic Storage RAW FS HSM, ILM and Backup Storage Data Magement Volume IMG VOL COW Clone COW Clone Elastic Storage AFM Storage DR Unified Storage Platform Unified Data Flow Unified Name Space Unified Data Management Optimize with Virtualization Locality for VM instance Policy based life cycle mgmt Snapshot/Clone for image mgmt Software Defined Storage Commodity servers, local disks and affordable network Configurable storage through GPFS Almost all functionality from GPFS IBM Corporation

15 On-going Interesting Topics IBM Corporation

16 Interesting topics not only for ES, but also community 进一步增强存储位置感知的能力 在使用服务器本地存储的 GPFS OpenStack 环境中, 已经可以实现在分配时自动将第一个副本保存在本地存储媒介中 ( 只要空间允许 ), 但相对于 Big Data 对 GPFS 的应用水平而言, 优化度还有一定差距 如何进一步优化读写? Cinder driver 需要报告更加精确的存储位置信息 ( 机柜 + 节点 ) 更高层的调度器 ( 如 HEAT) 需要将此存储的位置信息计入调度参数的考量 进一步增强易用性 允许 Nova 直接通过 ES 来 boot, 而不是通过 boot from volume 或者是拷贝 image 到 Nova 本地的方式 ( 需要 libvirt 本身以及 OpenStack 和 libvirt 接口逻辑的工作 ). 自动化的安装与部署以及集成化的管理 ( 集成底层存储管理 ) 在 OpenStack 内部实现数据共享 Manila Manila 是 OpenStack 的共享文件系统服务 : Manila 为 VMs 提供共享的文件存储, 这点与 Cinder 的逻辑类似, 但是 Cinder 上的数据是无法直接共享的 Manila 还可以为 Cinder 难以支持的平台提供存储服务 ( 即使不需要共享 ), 如 Docker Manila 还可以实现 Nova 与其他应用之间的数据共享, 比如 Sahara 中的大数据应用. 进一步实现与对象存储的数据共享 SwiftOnFile: IBM Corporation

17 Thanks For more information GPFS on IBM Knowledge Center: IBM Private, Public, and Hybrid Cloud Storage Solutions: A Deployment Guide for Elastic Storage Object: The OpenStack documentation for configuring the GPFS volume driver: The GPFS support in OpenStack Cinder Havana release blog: stack_cinder_havana_release?lang=en Manila Project: : SwiftOnFile: IBM Corporation

18 BACKUPS IBM Corporation

19 What GPFS is not Not a client-server file system like NFS, CIFS, or AFS/DFS: no single-server performance and bottleneck scaling limits Client Nodes TCP/IP Network File Server Network metadata Metadata Server Storage data data Metadata Data Data No centralized metadata server like Lustre ( MDS) or HDFS ( name node ) IBM Corporation

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