OpenStack Swift 原理、架構(gòu)與 API 介紹

背景與概覽

Swift 最初是由 Rackspace 公司開發(fā)的高可用分布式對(duì)象存儲(chǔ)服務(wù)，并于 2010 年貢獻(xiàn)給 OpenStack 開源社區(qū)作為其最初的核心子項(xiàng)目之一，為其 Nova 子項(xiàng)目提供虛機(jī)鏡像存儲(chǔ)服務(wù)。Swift 構(gòu)筑在比較便宜的標(biāo)準(zhǔn)硬件存儲(chǔ)基礎(chǔ)設(shè)施之上，無需采用 RAID（磁盤冗余陣列），通過在軟件層面引入一致性散列技術(shù)和數(shù)據(jù)冗余性，犧牲一定程度的數(shù)據(jù)一致性來達(dá)到高可用性和可伸縮性，支持多租戶模式、容器和對(duì)象讀寫操作，適合解決互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場景下非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)問題。

此項(xiàng)目是基于 Python 開發(fā)的，采用 Apache 2.0 許可協(xié)議，可用來開發(fā)商用系統(tǒng)。

基本原理

一致性散列（Consistent Hashing)

面對(duì)海量級(jí)別的對(duì)象，需要存放在成千上萬臺(tái)服務(wù)器和硬盤設(shè)備上，首先要解決尋址問題，即如何將對(duì)象分布到這些設(shè)備地址上。Swift 是基于一致性散列技術(shù)，通過計(jì)算可將對(duì)象均勻分布到虛擬空間的虛擬節(jié)點(diǎn)上，在增加或刪除節(jié)點(diǎn)時(shí)可大大減少需移動(dòng)的數(shù)據(jù)量；虛擬空間大小通常采用 2 的 n 次冪，便于進(jìn)行高效的移位操作；然后通過獨(dú)特的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) Ring（環(huán)）再將虛擬節(jié)點(diǎn)映射到實(shí)際的物理存儲(chǔ)設(shè)備上，完成尋址過程。

圖 1. 一致性散列

如圖 1 中所示，以逆時(shí)針方向遞增的散列空間有 4 個(gè)字節(jié)長共 32 位，整數(shù)范圍是[0~232-1]；將散列結(jié)果右移 m 位，可產(chǎn)生 232-m個(gè)虛擬節(jié)點(diǎn)，例如 m=29 時(shí)可產(chǎn)生 8 個(gè)虛擬節(jié)點(diǎn)。在實(shí)際部署的時(shí)候需要經(jīng)過仔細(xì)計(jì)算得到合適的虛擬節(jié)點(diǎn)數(shù)，以達(dá)到存儲(chǔ)空間和工作負(fù)載之間的平衡。

數(shù)據(jù)一致性模型（Consistency Model）

按照 Eric Brewer 的 CAP（Consistency，Availability，Partition Tolerance）理論，無法同時(shí)滿足 3 個(gè)方面，Swift 放棄嚴(yán)格一致性（滿足 ACID 事務(wù)級(jí)別），而采用最終一致性模型（Eventual Consistency），來達(dá)到高可用性和無限水平擴(kuò)展能力。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，Swift 采用 Quorum 仲裁協(xié)議(Quorum 有法定投票人數(shù)的含義)：

（1）定義：N：數(shù)據(jù)的副本總數(shù)；W：寫操作被確認(rèn)接受的副本數(shù)量；R：讀操作的副本數(shù)量

（2）強(qiáng)一致性：R+W>N，以保證對(duì)副本的讀寫操作會(huì)產(chǎn)生交集，從而保證可以讀取到最新版本；如果 W=N，R=1，則需要全部更新，適合大量讀少量寫操作場景下的強(qiáng)一致性；如果 R=N，W=1，則只更新一個(gè)副本，通過讀取全部副本來得到最新版本，適合大量寫少量讀場景下的強(qiáng)一致性。

（3）弱一致性：R+W<=N，如果讀寫操作的副本集合不產(chǎn)生交集，就可能會(huì)讀到臟數(shù)據(jù)；適合對(duì)一致性要求比較低的場景。

Swift 針對(duì)的是讀寫都比較頻繁的場景，所以采用了比較折中的策略，即寫操作需要滿足至少一半以上成功 W >N/2，再保證讀操作與寫操作的副本集合至少產(chǎn)生一個(gè)交集，即 R+W>N。Swift 默認(rèn)配置是 N=3，W=2>N/2，R=1 或 2，即每個(gè)對(duì)象會(huì)存在 3 個(gè)副本，這些副本會(huì)盡量被存儲(chǔ)在不同區(qū)域的節(jié)點(diǎn)上；W=2 表示至少需要更新 2 個(gè)副本才算寫成功；當(dāng) R=1 時(shí)意味著某一個(gè)讀操作成功便立刻返回，此種情況下可能會(huì)讀取到舊版本（弱一致性模型）；當(dāng) R=2 時(shí)，需要通過在讀操作請(qǐng)求頭中增加 x-newest=true 參數(shù)來同時(shí)讀取 2 個(gè)副本的元數(shù)據(jù)信息，然后比較時(shí)間戳來確定哪個(gè)是最新版本（強(qiáng)一致性模型）；如果數(shù)據(jù)出現(xiàn)了不一致，后臺(tái)服務(wù)進(jìn)程會(huì)在一定時(shí)間窗口內(nèi)通過檢測和復(fù)制協(xié)議來完成數(shù)據(jù)同步，從而保證達(dá)到最終一致性。如圖 2 所示：

圖 2. Quorum 協(xié)議示例

環(huán)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

環(huán)是為了將虛擬節(jié)點(diǎn)（分區(qū)）映射到一組物理存儲(chǔ)設(shè)備上，并提供一定的冗余度而設(shè)計(jì)的，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由以下信息組成：

存儲(chǔ)設(shè)備列表、設(shè)備信息包括唯一標(biāo)識(shí)號(hào)（id）、區(qū)域號(hào)（zone）、權(quán)重（weight）、IP 地址（ip）、端口（port）、設(shè)備名稱（device）、元數(shù)據(jù)（meta）。

分區(qū)到設(shè)備映射關(guān)系（replica2part2dev_id 數(shù)組)

計(jì)算分區(qū)號(hào)的位移(part_shift 整數(shù)，即圖 1 中的 m)

以查找一個(gè)對(duì)象的計(jì)算過程為例：

圖 3. 環(huán)的數(shù)據(jù)機(jī)構(gòu)

使用對(duì)象的層次結(jié)構(gòu) account/container/object 作為鍵，使用 MD5 散列算法得到一個(gè)散列值，對(duì)該散列值的前 4 個(gè)字節(jié)進(jìn)行右移操作得到分區(qū)索引號(hào)，移動(dòng)位數(shù)由上面的 part_shift 設(shè)置指定；按照分區(qū)索引號(hào)在分區(qū)到設(shè)備映射表（replica2part2dev_id）里查找該對(duì)象所在分區(qū)的對(duì)應(yīng)的所有設(shè)備編號(hào)，這些設(shè)備會(huì)被盡量選擇部署在不同區(qū)域（Zone）內(nèi)，區(qū)域只是個(gè)抽象概念，它可以是某臺(tái)機(jī)器，某個(gè)機(jī)架，甚至某個(gè)建筑內(nèi)的機(jī)群，以提供最高級(jí)別的冗余性，建議至少部署 5 個(gè)區(qū)域；權(quán)重參數(shù)是個(gè)相對(duì)值，可以來根據(jù)磁盤的大小來調(diào)節(jié)，權(quán)重越大表示可分配的空間越多，可部署更多的分區(qū)。

Swift 為賬戶，容器和對(duì)象分別定義了的環(huán)，查找賬戶和容器的是同樣的過程。

數(shù)據(jù)模型

Swift 采用層次數(shù)據(jù)模型，共設(shè)三層邏輯結(jié)構(gòu)：Account/Container/Object（即賬戶/容器/對(duì)象)，每層節(jié)點(diǎn)數(shù)均沒有限制，可以任意擴(kuò)展。這里的賬戶和個(gè)人賬戶不是一個(gè)概念，可理解為租戶，用來做頂層的隔離機(jī)制，可以被多個(gè)個(gè)人賬戶所共同使用；容器代表封裝一組對(duì)象，類似文件夾或目錄；葉子節(jié)點(diǎn)代表對(duì)象，由元數(shù)據(jù)和內(nèi)容兩部分組成，如圖 4 所示：

圖 4. Swift 數(shù)據(jù)模型

系統(tǒng)架構(gòu)

Swift 采用完全對(duì)稱、面向資源的分布式系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，所有組件都可擴(kuò)展，避免因單點(diǎn)失效而擴(kuò)散并影響整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)；通信方式采用非阻塞式 I/O 模式，提高了系統(tǒng)吞吐和響應(yīng)能力。

圖 5. Swift 系統(tǒng)架構(gòu)

Swift 組件包括：

◆代理服務(wù)（Proxy Server）：對(duì)外提供對(duì)象服務(wù) API，會(huì)根據(jù)環(huán)的信息來查找服務(wù)地址并轉(zhuǎn)發(fā)用戶請(qǐng)求至相應(yīng)的賬戶、容器或者對(duì)象服務(wù)；由于采用無狀態(tài)的 REST 請(qǐng)求協(xié)議，可以進(jìn)行橫向擴(kuò)展來均衡負(fù)載。

◆認(rèn)證服務(wù)（Authentication Server）：驗(yàn)證訪問用戶的身份信息，并獲得一個(gè)對(duì)象訪問令牌（Token），在一定的時(shí)間內(nèi)會(huì)一直有效；驗(yàn)證訪問令牌的有效性并緩存下來直至過期時(shí)間。

◆緩存服務(wù)（Cache Server）：緩存的內(nèi)容包括對(duì)象服務(wù)令牌，賬戶和容器的存在信息，但不會(huì)緩存對(duì)象本身的數(shù)據(jù)；緩存服務(wù)可采用 Memcached 集群，Swift 會(huì)使用一致性散列算法來分配緩存地址。

◆賬戶服務(wù)（Account Server）：提供賬戶元數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)信息，并維護(hù)所含容器列表的服務(wù)，每個(gè)賬戶的信息被存儲(chǔ)在一個(gè) SQLite 數(shù)據(jù)庫中。

◆容器服務(wù)（Container Server）：提供容器元數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)信息，并維護(hù)所含對(duì)象列表的服務(wù)，每個(gè)容器的信息也存儲(chǔ)在一個(gè) SQLite 數(shù)據(jù)庫中。

◆對(duì)象服務(wù)（Object Server）：提供對(duì)象元數(shù)據(jù)和內(nèi)容服務(wù)，每個(gè)對(duì)象的內(nèi)容會(huì)以文件的形式存儲(chǔ)在文件系統(tǒng)中，元數(shù)據(jù)會(huì)作為文件屬性來存儲(chǔ)，建議采用支持?jǐn)U展屬性的 XFS 文件系統(tǒng)。

◆復(fù)制服務(wù)（Replicator）：會(huì)檢測本地分區(qū)副本和遠(yuǎn)程副本是否一致，具體是通過對(duì)比散列文件和高級(jí)水印來完成，發(fā)現(xiàn)不一致時(shí)會(huì)采用推式（Push）更新遠(yuǎn)程副本，例如對(duì)象復(fù)制服務(wù)會(huì)使用遠(yuǎn)程文件拷貝工具 rsync 來同步；另外一個(gè)任務(wù)是確保被標(biāo)記刪除的對(duì)象從文件系統(tǒng)中移除。

◆更新服務(wù)（Updater）：當(dāng)對(duì)象由于高負(fù)載的原因而無法立即更新時(shí)，任務(wù)將會(huì)被序列化到在本地文件系統(tǒng)中進(jìn)行排隊(duì)，以便服務(wù)恢復(fù)后進(jìn)行異步更新；例如成功創(chuàng)建對(duì)象后容器服務(wù)器沒有及時(shí)更新對(duì)象列表，這個(gè)時(shí)候容器的更新操作就會(huì)進(jìn)入排隊(duì)中，更新服務(wù)會(huì)在系統(tǒng)恢復(fù)正常后掃描隊(duì)列并進(jìn)行相應(yīng)的更新處理。

◆審計(jì)服務(wù)（Auditor）：檢查對(duì)象，容器和賬戶的完整性，如果發(fā)現(xiàn)比特級(jí)的錯(cuò)誤，文件將被隔離，并復(fù)制其他的副本以覆蓋本地?fù)p壞的副本；其他類型的錯(cuò)誤會(huì)被記錄到日志中。

◆賬戶清理服務(wù)（Account Reaper）：移除被標(biāo)記為刪除的賬戶，刪除其所包含的所有容器和對(duì)象。

API

Swift 通過 Proxy Server 向外提供基于 HTTP 的 REST 服務(wù)接口，對(duì)賬戶、容器和對(duì)象進(jìn)行 CRUD 等操作。在訪問 Swift 服務(wù)之前，需要先通過認(rèn)證服務(wù)獲取訪問令牌，然后在發(fā)送的請(qǐng)求中加入頭部信息 X-Auth-Token。下面是請(qǐng)求返回賬戶中的容器列表的示例：

GET /v1/<account> HTTP/1.1 
Host: storage.swift.com 
X-Auth-Token: eaaafd18-0fed-4b3a-81b4-663c99ec1cbb 

響應(yīng)頭部信息中包含狀態(tài)碼 200，容器列表包含在響應(yīng)體中：

HTTP/1.1 200 Ok 
Date: Thu, 07 Jan 2013 18:57:07 GMT 
Server: Apache 
Content-Type: text/plain; charset=UTF-8 
Content-Length: 32 
images 
movies 
documents 
backups 

Swift 支持的所有操作可以總結(jié)為表 1： 

表 1. Swift RESTful API 總結(jié)

詳細(xì)的 API 規(guī)范可以參考開發(fā)者指南。應(yīng)用開發(fā)可采用 Swift 項(xiàng)目本身已經(jīng)包含的 Python 的綁定實(shí)現(xiàn)；如果使用其它編程語言，可以參考 Rackspace 兼容 Swift 的 Cloud Files API，支持 Java，.Net，Ruby，PHP 等語言綁定。

結(jié)束語

OpenStack Swift 作為穩(wěn)定和高可用的開源對(duì)象存儲(chǔ)被很多企業(yè)作為商業(yè)化部署，如新浪的 App Engine 已經(jīng)上線并提供了基于 Swift 的對(duì)象存儲(chǔ)服務(wù)，韓國電信的 Ucloud Storage 服務(wù)。有理由相信，因?yàn)槠渫耆拈_放性、廣泛的用戶群和社區(qū)貢獻(xiàn)者，Swift 可能會(huì)成為云存儲(chǔ)的開放標(biāo)準(zhǔn)，從而打破 Amazon S3 在市場上的壟斷地位，推動(dòng)云計(jì)算在朝著更加開放和可互操作的方向前進(jìn)。