基于Log-Structured的FASS 2.0架构设计

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背景解读

在90年代提出的Log-Structured File System（LFS）思想和NAND Flash简直是天生一对。当初设计Log-Structured File System最主要的想法是利用机械磁盘出色的顺序写性能，避免糟糕的随机写问题。Log-Structured File System在机械硬盘的时代有一定的应用局限性，问题在于采用log数据布局的方式之后，顺序读性能变得很差。因此，只有在大块数据读写的环境下，Log-Structured File System才变得合情合理。

在NAND Flash介质上，不存在机械硬盘随机读写的问题，因此，Log-Structured的数据布局方式不会引入任何性能问题，反而能够解决NAND Flash的“写时擦除”带来的寿命、磨损均衡等问题。

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存在的问题

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方案选型

写入前先记日志，可以是redo日志，记录需要写入的数据，也可以是undo日志，记录写入前的数据，再写入。写入完成删除日志。如果中断就进行undo或者redo,保证各副本数据一致。Ceph中未对齐IO以RMW方式更新就是使用undo日志，将旧数据记录在数据库中，FASS中logctl是使用redo方式，将需要写入的数据记录在LOG中。缺点是需要两次写入，写放大严重。

Ceph中BlueStore使用这种方式实现，当数据发生覆盖写时，不再直接更新磁盘对应位置的已有内容，而是分配一块新空间，存放本次新写入的内容。当新写完成后，释放原有空间。因此可以解决RMW多读一次的问题和覆盖写的问题。ROW可以把随机写转换为顺序写，能提高一定写性能。但是ROW原有块仍保留部分有效内容，后续范围内操作都需要多次读，还是会影响读性能。FASS如果也使用此种方式，就需要将chunk空间管理粒度变为4K，将元数据保存位置变成一个数据列表。

Log-Structured将整个磁盘空间作为一个日志卷，以日志卷的形式写入，可以减少一次写入，缺点是实现复杂，也会破坏数据原本的连续性。

不支持rewrite就必须整条带写。不满整条带的也需要占用一个条带，小IO随机写空间浪费严重。例如：一个4k数据，条带16K，正条带写浪费75%的空间。如果把小文件聚合后大块顺序写，则基本不会出现空间浪费。

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分析

由上分析，如果提升EC随机写入性能，同时兼顾磁盘写入寿命，压缩去重的支持，Log-Structured将是FASS目前唯一可选方案。

Log-Structured为我们提供了日志卷的设计思路，将写入的IO以日志的形式追加到末尾，随机IO顺序化，然后再进行大块顺序整条带写。在FASS项目中引入日志结构化存储，提供日志结构化存储卷，减少写放大，提升随机写IO性能和延长磁盘寿命。

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基于Log-Structured的设计

FASS 2.0分布式全闪块存储系统的实现基于Log- Structured。它将类HDD的映射方式改为类SSD的映射方式，相当于在系统内实现了一个分布式的SSD控制器。

由于range大小固定，方便空间管理，所以当前版本在range层实现Log- Structured。它主要由WAL、data log组成。

WAL（Write Ahead Log）预写日志用于保证数据操作的原子性和持久性。把随机小块写IO聚合成大块顺序（append）写操作。data log是落盘数据，由于新数据采用追加写，旧的数据被留在原位，会涉及到旧数据的垃圾回收(Garbage Collection，以下简称GC)。

WAL采用副本冗余策略，具有和data log相同的保护等级。例如：data log使用EC4+2时，WAL使用3副本，WAL写盘后即可返回上层应用。

WAL使用的磁盘layout包括：

• wal header：wal总体元数据，其中head中的begin/end表示wal payload的起止地址。

• alloc header：管理data+metadata分配存储空间的元数据。wal payload被切分为不同segment，按照seg顺序环回分配。

• data&meta：包括数据和元数据，按照4K切分。每个4K数据，对应于元数据中一个iomd，为减少空间放大，多个数据的元数据会进行合并写入。meta包含off+size，crc，clock（标识io顺序）等。数据和元数据以4K为单位顺序追加写，同时，元数据以kv形式缓存在内存中。

data log以4KB为单位采用append write方式落盘，元数据采用address mapping方式存储，并以4k为单位加载到内存，mapping缓存根据策略dump到磁盘，保证缓存和盘上数据一致性，并采用addr_log来保证flush过程的数据可靠性。data log 每段大小固定。

data log使用的磁盘layout包括：

• map header：map元数据。用于flush和newloc定位。

• addr map：映射表的落盘数据。以4k为单位，包含其中每个4K page的LBA。内存中加载保存了mappings缓存，并定期同步落盘。

• addr log：记录wal flush时的log，以addr bulk的格式存储。

• data alloc：管理数据page分配的元数据。alloc header记录总体信息。seg meta记录分配元数据。空间忽略不计。

• data log：以4K为单位存储的数据。

data log支持GC。假设在物理地址n上写入数据D1,接下来在地址（n+1）写入数据D2，接着D1数据被更新为D1'，但是更新后的数据并不是覆盖上去，会把它append写入到地址(n+2)上，然后标记地址n为"无效"。

经过多次这样的操作后，segment1装满了许多"有效"及"无效"的数据。如果要再次写入到这个segment1，就需要先把所有“有效”的数据复制到另外的空白空间segment2上，再回收segment1空间。这样的操作就是GC（即垃圾回收）。

GC需要预留空白空间叫OP（Over-Provisioning），OP和data log空间并没有明确界限区分，和data log使用同一个区域。并根据空间使用情况自动调整OP空间大小。

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FASS 2.0 IO流程

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带来的效益