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一、淘寶網(wǎng)的困境
對于淘寶網(wǎng)這樣的大型電子商務(wù)網(wǎng)站，對于圖片服務(wù)的要求特別的高。而且對于賣家來說，圖片遠(yuǎn)勝于文字描述，因此賣家也格外看重圖片的顯示質(zhì)量、訪問速度等問題。根據(jù)淘寶網(wǎng)的流量分析，整個淘寶網(wǎng)流量中，圖片的訪問流量會占到90%以上，而主站的網(wǎng)頁則占到不到10%。同時大量的圖片需要根據(jù)不同的應(yīng)用位置，生成不同大小規(guī)格的縮略圖。考慮到多種不同的應(yīng)用場景以及改版的可能性，一張原圖有可能需要生成20多個不同尺寸規(guī)格的縮略圖。
淘寶整體圖片存儲系統(tǒng)容量1800TB（1.8PB），已經(jīng)占用空間990TB（約1PB）。保存的圖片文件數(shù)量達(dá)到286億多個，這些圖片文件包括根據(jù)原圖生成的縮略圖。平均圖片大小是17.45K；8K以下圖片占圖片數(shù)總量的61%，占存儲容量的11%。對于如此大規(guī)模的小文件存儲與讀取需要頻繁的尋道和換道，在大量高并發(fā)訪問量的情況下，非常容易造成讀取延遲。
2007年之前淘寶采用NETApp公司的文件存儲系統(tǒng)。至2006年， NETApp公司最高端的產(chǎn)品也不能滿足淘寶存儲的要求。首先是商用的存儲系統(tǒng)沒有對小文件存儲和讀取的環(huán)境進(jìn)行有針對性的優(yōu)化；其次，文件數(shù)量大，網(wǎng)絡(luò)存儲設(shè)備無法支撐；另外，整個系統(tǒng)所連接的服務(wù)器也越來越多，網(wǎng)絡(luò)連接數(shù)已經(jīng)到達(dá)了網(wǎng)絡(luò)存儲設(shè)備的極限。此外，商用存儲系統(tǒng)擴(kuò)容成本高，10T的存儲容量需要幾百萬，而且存在單點故障，容災(zāi)和安全性無法得到很好的保證。
二、淘寶網(wǎng)自主開發(fā)的目的
- 商用軟件很難滿足大規(guī)模系統(tǒng)的應(yīng)用需求，無論存儲還是CDN還是負(fù)載均衡，因為在廠商實驗室端，很難實現(xiàn)如此大的數(shù)據(jù)規(guī)模測試。
- 研發(fā)過程中，將開源和自主開發(fā)相結(jié)合，會有更好的可控性，系統(tǒng)出問題了，完全可以從底層解決問題，系統(tǒng)擴(kuò)展性也更高。
- 在一定規(guī)模效應(yīng)基礎(chǔ)上，研發(fā)的投入都是值得的。當(dāng)規(guī)模超過交叉點后自主研發(fā)才能收到較好的經(jīng)濟(jì)效果。實際上淘寶網(wǎng)的規(guī)模已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了交叉點。
- 自主研發(fā)的系統(tǒng)可在軟件和硬件多個層次不斷的優(yōu)化。
三、淘寶TFS的介紹
1、TFS 1.0 版本
從2006年開始，淘寶網(wǎng)決定自己開發(fā)一套針對海量小文件存儲難題的文件系統(tǒng)，用于解決自身圖片存儲的難題。到2007年6月，TFS(淘寶文件系統(tǒng)，Taobao File System)正式上線運營。在生產(chǎn)環(huán)境中應(yīng)用的集群規(guī)模達(dá)到了200臺PC Server(146G*6 SAS 15K Raid5)，文件數(shù)量達(dá)到上億級別；系統(tǒng)部署存儲容量: 140 TB；實際使用存儲容量: 50 TB；單臺支持隨機(jī)IOPS 200+，流量3MBps。
圖為淘寶集群文件系統(tǒng)TFS 1.0第一版的邏輯架構(gòu)：集群由一對Name Server和多臺Data Server構(gòu)成，Name Server的兩臺服務(wù)器互為雙機(jī)，就是集群文件系統(tǒng)中管理節(jié)點的概念。
- 每個Data Server運行在一臺普通的Linux主機(jī)上
- 以block文件的形式存放數(shù)據(jù)文件(一般64M一個block)
- block存多份保證數(shù)據(jù)安全
- 利用ext3文件系統(tǒng)存放數(shù)據(jù)文件
- 磁盤raid5做數(shù)據(jù)冗余
- 文件名內(nèi)置元數(shù)據(jù)信息，用戶自己保存TFS文件名與實際文件的對照關(guān)系–使得元數(shù)據(jù)量特別小。
TFS最大的特點就是將一部分元數(shù)據(jù)隱藏到圖片的保存文件名上，大大簡化了元數(shù)據(jù)，消除了管理節(jié)點對整體系統(tǒng)性能的制約，這一理念和目前業(yè)界流行的“對象存儲”較為類似。傳統(tǒng)的集群系統(tǒng)里面元數(shù)據(jù)只有1份，通常由管理節(jié)點來管理，因而很容易成為瓶頸。而對于淘寶網(wǎng)的用戶來說，圖片文件究竟用什么名字來保存實際上用戶并不關(guān)心，因此TFS在設(shè)計規(guī)劃上考慮在圖片的保存文件名上暗藏了一些元數(shù)據(jù)信息，例如圖片的大小、時間、訪問頻次等等信息，包括所在的邏輯塊號。而在元數(shù)據(jù)上，實際上保存的信息很少，因此元數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)非常簡單。僅僅只需要一個fileID，能夠準(zhǔn)確定位文件在什么地方。由于大量的文件信息都隱藏在文件名中，整個系統(tǒng)完全拋棄了傳統(tǒng)的目錄樹結(jié)構(gòu)，因為目錄樹開銷最大。拿掉后，整個集群的高可擴(kuò)展性極大提高。
2、 TFS 1.3版本
到2009年6月，TFS 1.3版本上線，集群規(guī)模大大擴(kuò)展，部署到淘寶的圖片生產(chǎn)系統(tǒng)上，整個系統(tǒng)已經(jīng)從原有200臺PC服務(wù)器擴(kuò)增至440臺PC Server(300G*12 SAS 15K RPM) + 30臺PC Server (600G*12 SAS 15K RPM)。支持文件數(shù)量也擴(kuò)容至百億級別;系統(tǒng)部署存儲容量：1800TB(1.8PB);當(dāng)前實際存儲容量：995TB;單臺Data Server支持隨機(jī)IOPS 900+，流量15MB+;目前Name Server運行的物理內(nèi)存是217MB(服務(wù)器使用千兆網(wǎng)卡)。
圖為TFS1.3版本的邏輯結(jié)構(gòu)圖，在TFS1.3版本中，淘寶網(wǎng)的軟件工作組重點改善了心跳和同步的性能，最新版本的心跳和同步在幾秒鐘之內(nèi)就可完成切換，同時進(jìn)行了一些新的優(yōu)化：包括元數(shù)據(jù)存內(nèi)存上，清理磁盤空間，性能上也做了優(yōu)化，包括：
- 完全扁平化的數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)，拋棄了傳統(tǒng)文件系統(tǒng)的目錄結(jié)構(gòu)。
- 在塊設(shè)備基礎(chǔ)上建立自有的文件系統(tǒng)，減少EXT3等文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)碎片帶來的性能損耗
- 單進(jìn)程管理單塊磁盤的方式，摒除RAID5機(jī)制
- 帶有HA機(jī)制的中央控制節(jié)點，在安全穩(wěn)定和性能復(fù)雜度之間取得平衡。
- 盡量縮減元數(shù)據(jù)大小，將元數(shù)據(jù)全部加載入內(nèi)存，提升訪問速度。
- 跨機(jī)架和IDC的負(fù)載均衡和冗余安全策略。
- 完全平滑擴(kuò)容。
TFS主要的性能參數(shù)不是IO吞吐量，而是單臺PCServer提供隨機(jī)讀寫IOPS。由于硬件型號不同，很難給出一個參考值來說明性能。但基本上可以達(dá)到單塊磁盤隨機(jī)IOPS理論最大值的60%左右，整機(jī)的輸出隨盤數(shù)增加而線性增加。
3、 TFS 2.0 版本
TFS 2.0（下面簡稱TFS，目前已經(jīng)開源）是一個高可擴(kuò)展、高可用、高性能、面向互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的分布式文件系統(tǒng)，主要針對海量的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，它構(gòu)筑在普通的Linux機(jī)器集群上，可為外部提供高可靠和高并發(fā)的存儲訪問。TFS為淘寶提供海量小文件存儲，通常文件大小不超過1M，滿足了淘寶對小文件存儲的需求，被廣泛地應(yīng)用在淘寶各項應(yīng)用中。它采用了HA架構(gòu)和平滑擴(kuò)容，保證了整個文件系統(tǒng)的可用性和擴(kuò)展性。同時扁平化的數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)，可將文件名映射到文件的物理地址，簡化了文件的訪問流程，一定程度上為TFS提供了良好的讀寫性能。
一個TFS集群由兩個!NameServer節(jié)點（一主一備）和多個!DataServer節(jié)點組成。這些服務(wù)程序都是作為一個用戶級的程序運行在普通Linux機(jī)器上的。在TFS中，將大量的小文件(實際數(shù)據(jù)文件)合并成為一個大文件，這個大文件稱為塊(Block)， 每個Block擁有在集群內(nèi)唯一的編號(Block Id)， Block Id在!NameServer在創(chuàng)建Block的時候分配， !NameServer維護(hù)block與!DataServer的關(guān)系。Block中的實際數(shù)據(jù)都存儲在!DataServer上。而一臺!DataServer服務(wù)器一般會有多個獨立!DataServer進(jìn)程存在，每個進(jìn)程負(fù)責(zé)管理一個掛載點，這個掛載點一般是一個獨立磁盤上的文件目錄，以降低單個磁盤損壞帶來的影響。正常情況下，一個塊會在!DataServer上存在，主!NameServer負(fù)責(zé)Block的創(chuàng)建，刪除，復(fù)制，均衡，整理， !NameServer不負(fù)責(zé)實際數(shù)據(jù)的讀寫，實際數(shù)據(jù)的讀寫由!DataServer完成。
- !NameServer主要功能是: 管理維護(hù)Block和!DataServer相關(guān)信息，包括!DataServer加入，退出， 心跳信息， block和!DataServer的對應(yīng)關(guān)系建立，解除。
- !DataServer主要功能是: 負(fù)責(zé)實際數(shù)據(jù)的存儲和讀寫。
同時為了考慮容災(zāi)，!NameServer采用了HA結(jié)構(gòu)，即兩臺機(jī)器互為熱備，同時運行，一臺為主，一臺為備，主機(jī)綁定到對外vip，提供服務(wù)；當(dāng)主機(jī)器宕機(jī)后，迅速將vip綁定至備份!NameServer，將其切換為主機(jī)，對外提供服務(wù)。圖中的HeartAgent就完成了此功能。
TFS的塊大小可以通過配置項來決定，通常使用的塊大小為64M。TFS的設(shè)計目標(biāo)是海量小文件的存儲，所以每個塊中會存儲許多不同的小文件。!DataServer進(jìn)程會給Block中的每個文件分配一個ID(File ID，該ID在每個Block中唯一)，并將每個文件在Block中的信息存放在和Block對應(yīng)的Index文件中。這個Index文件一般都會全部load在內(nèi)存，除非出現(xiàn)!DataServer服務(wù)器內(nèi)存和集群中所存放文件平均大小不匹配的情況。
另外，還可以部署一個對等的TFS集群，作為當(dāng)前集群的輔集群。輔集群不提供來自應(yīng)用的寫入，只接受來自主集群的寫入。當(dāng)前主集群的每個數(shù)據(jù)變更操作都會重放至輔集群。輔集群也可以提供對外的讀，并且在主集群出現(xiàn)故障的時候，可以接管主集群的工作。
平滑擴(kuò)容
原有TFS集群運行一定時間后，集群容量不足，此時需要對TFS集群擴(kuò)容。由于DataServer與NameServer之間使用心跳機(jī)制通信，如果系統(tǒng)擴(kuò)容，只需要將相應(yīng)數(shù)量的新!DataServer服務(wù)器部署好應(yīng)用程序后啟動即可。這些!DataServer服務(wù)器會向!NameServer進(jìn)行心跳匯報。!NameServer會根據(jù)!DataServer容量的比率和!DataServer的負(fù)載決定新數(shù)據(jù)寫往哪臺!DataServer的服務(wù)器。根據(jù)寫入策略，容量較小，負(fù)載較輕的服務(wù)器新數(shù)據(jù)寫入的概率會比較高。同時，在集群負(fù)載比較輕的時候，!NameServer會對!DataServer上的Block進(jìn)行均衡，使所有!DataServer的容量盡早達(dá)到均衡。
進(jìn)行均衡計劃時，首先計算每臺機(jī)器應(yīng)擁有的blocks平均數(shù)量，然后將機(jī)器劃分為兩堆，一堆是超過平均數(shù)量的，作為移動源；一類是低于平均數(shù)量的，作為移動目的。
移動目的的選擇：首先一個block的移動的源和目的，應(yīng)該保持在同一網(wǎng)段內(nèi)，也就是要與另外的block不同網(wǎng)段；另外，在作為目的的一定機(jī)器內(nèi)，優(yōu)先選擇同機(jī)器的源到目的之間移動，也就是同臺!DataServer服務(wù)器中的不同!DataServer進(jìn)程。
當(dāng)有服務(wù)器故障或者下線退出時（單個集群內(nèi)的不同網(wǎng)段機(jī)器不能同時退出），不影響TFS的服務(wù)。此時!NameServer會檢測到備份數(shù)減少的Block，對這些Block重新進(jìn)行數(shù)據(jù)復(fù)制。
在創(chuàng)建復(fù)制計劃時，一次要復(fù)制多個block, 每個block的復(fù)制源和目的都要盡可能的不同，并且保證每個block在不同的子網(wǎng)段內(nèi)。因此采用輪換選擇(roundrobin)算法，并結(jié)合加權(quán)平均。
由于DataServer之間的通信是主要發(fā)生在數(shù)據(jù)寫入轉(zhuǎn)發(fā)的時候和數(shù)據(jù)復(fù)制的時候，集群擴(kuò)容基本沒有影響。假設(shè)一個Block為64M，數(shù)量級為1PB。那么NameServer上會有 1 * 1024 * 1024 * 1024 / 64 = 16.7M個block。假設(shè)每個Block的元數(shù)據(jù)大小為0.1K，則占用內(nèi)存不到2G。
存儲機(jī)制
在TFS中，將大量的小文件(實際用戶文件)合并成為一個大文件，這個大文件稱為塊(Block)。TFS以Block的方式組織文件的存儲。每一個Block在整個集群內(nèi)擁有唯一的編號，這個編號是由NameServer進(jìn)行分配的，而DataServer上實際存儲了該Block。在!NameServer節(jié)點中存儲了所有的Block的信息，一個Block存儲于多個!DataServer中以保證數(shù)據(jù)的冗余。對于數(shù)據(jù)讀寫請求，均先由!NameServer選擇合適的!DataServer節(jié)點返回給客戶端，再在對應(yīng)的!DataServer節(jié)點上進(jìn)行數(shù)據(jù)操作。!NameServer需要維護(hù)Block信息列表，以及Block與!DataServer之間的映射關(guān)系，其存儲的元數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：
在!DataServer節(jié)點上，在掛載目錄上會有很多物理塊，物理塊以文件的形式存在磁盤上，并在!DataServer部署前預(yù)先分配，以保證后續(xù)的訪問速度和減少碎片產(chǎn)生。為了滿足這個特性，!DataServer現(xiàn)一般在EXT4文件系統(tǒng)上運行。物理塊分為主塊和擴(kuò)展塊，一般主塊的大小會遠(yuǎn)大于擴(kuò)展塊，使用擴(kuò)展塊是為了滿足文件更新操作時文件大小的變化。每個Block在文件系統(tǒng)上以“主塊+擴(kuò)展塊”的方式存儲。每一個Block可能對應(yīng)于多個物理塊，其中包括一個主塊，多個擴(kuò)展塊。
在DataServer端，每個Block可能會有多個實際的物理文件組成：一個主Physical Block文件，N個擴(kuò)展Physical Block文件和一個與該Block對應(yīng)的索引文件。Block中的每個小文件會用一個block內(nèi)唯一的fileid來標(biāo)識。!DataServer會在啟動的時候把自身所擁有的Block和對應(yīng)的Index加載進(jìn)來。
容錯機(jī)制
集群容錯。TFS可以配置主輔集群，一般主輔集群會存放在兩個不同的機(jī)房。主集群提供所有功能，輔集群只提供讀。主集群會把所有操作重放到輔集群。這樣既提供了負(fù)載均衡，又可以在主集群機(jī)房出現(xiàn)異常的情況不會中斷服務(wù)或者丟失數(shù)據(jù)。
!NameServer容錯。Namserver主要管理了!DataServer和Block之間的關(guān)系。如每個!DataServer擁有哪些Block，每個Block存放在哪些!DataServer上等。同時，!NameServer采用了HA結(jié)構(gòu)，一主一備，主NameServer上的操作會重放至備NameServer。如果主NameServer出現(xiàn)問題，可以實時切換到備NameServer。另外!NameServer和!DataServer之間也會有定時的heartbeat，!DataServer會把自己擁有的Block發(fā)送給!NameServer。!NameServer會根據(jù)這些信息重建!DataServer和Block的關(guān)系。
!DataServer容錯。TFS采用Block存儲多份的方式來實現(xiàn)!DataServer的容錯。每一個Block會在TFS中存在多份，一般為3份，并且分布在不同網(wǎng)段的不同!DataServer上。對于每一個寫入請求，必須在所有的Block寫入成功才算成功。當(dāng)出現(xiàn)磁盤損壞!DataServer宕機(jī)的時候，TFS啟動復(fù)制流程，把備份數(shù)未達(dá)到最小備份數(shù)的Block盡快復(fù)制到其他DataServer上去。 TFS對每一個文件會記錄校驗crc，當(dāng)客戶端發(fā)現(xiàn)crc和文件內(nèi)容不匹配時，會自動切換到一個好的block上讀取。此后客戶端將會實現(xiàn)自動修復(fù)單個文件損壞的情況。
并發(fā)機(jī)制
對于同一個文件來說，多個用戶可以并發(fā)讀。現(xiàn)有TFS并不支持并發(fā)寫一個文件。一個文件只會有一個用戶在寫。這在TFS的設(shè)計里面對應(yīng)著是一個block同時只能有一個寫或者更新操作。
TFS文件名的結(jié)構(gòu)
TFS的文件名由塊號和文件號通過某種對應(yīng)關(guān)系組成，最大長度為18字節(jié)。文件名固定以T開始，第二字節(jié)為該集群的編號(可以在配置項中指定，取值范圍 1~9)。余下的字節(jié)由Block ID和File ID通過一定的編碼方式得到。文件名由客戶端程序進(jìn)行編碼和解碼，它映射方式如下圖：
TFS客戶程序在讀文件的時候通過將文件名轉(zhuǎn)換為BlockID和FileID信息，然后可以在!NameServer取得該塊所在!DataServer信息（如果客戶端有該Block與!DataServere的緩存，則直接從緩存中取），然后與!DataServer進(jìn)行讀取操作。
四、圖片服務(wù)器部署與緩存
下圖為淘寶網(wǎng)整體系統(tǒng)的拓?fù)鋱D結(jié)構(gòu)。整個系統(tǒng)就像一個龐大的服務(wù)器一樣，有處理單元、緩存單元和存儲單元。前面已經(jīng)詳細(xì)介紹過了后臺的TFS集群文件存儲系統(tǒng)，在TFS前端，還部署著200多臺圖片文件服務(wù)器，用Apache實現(xiàn)，用于生成縮略圖的運算。
根據(jù)淘寶網(wǎng)的縮略圖生成規(guī)則，縮略圖都是實時生成的。這樣做的好處有兩點：一是為了避免后端圖片服務(wù)器上存儲的圖片數(shù)量過多，大大節(jié)約后臺存儲空間的需求，淘寶網(wǎng)計算，采用實時生成縮略圖的模式比提前全部生成好縮略圖的模式節(jié)約90%的存儲空間，也就是說，存儲空間只需要后一種模式的10%；二是，縮略圖可根據(jù)需要實時生成出來，更為靈活。
淘寶網(wǎng)圖片存儲與處理系統(tǒng)全局拓?fù)洌瑘D片服務(wù)器前端還有一級和二級緩存服務(wù)器，盡量讓圖片在緩存中命中，最大程度的避免圖片熱點，實際上后端到達(dá)TFS的流量已經(jīng)非常離散和平均。
圖片文件服務(wù)器的前端則是一級緩存和二級緩存，前面還有全局負(fù)載均衡的設(shè)置，解決圖片的訪問熱點問題。圖片的訪問熱點一定存在，重要的是，讓圖片盡量在緩存中命中。目前淘寶網(wǎng)在各個運營商的中心點設(shè)有二級緩存，整體系統(tǒng)中心店設(shè)有一級緩存，加上全局負(fù)載均衡，傳遞到后端TFS的流量就已經(jīng)非常均衡和分散了，對前端的響應(yīng)性能也大大提高。
根據(jù)淘寶的緩存策略，大部分圖片都盡量在緩存中命中，如果緩存中無法命中，則會在本地服務(wù)器上查找是否存有原圖，并根據(jù)原圖生成縮略圖，如果都沒有命中，則會考慮去后臺TFS集群文件存儲系統(tǒng)上調(diào)取，因此，最終反饋到TFS集群文件存儲系統(tǒng)上的流量已經(jīng)被大大優(yōu)化了。
淘寶網(wǎng)將圖片處理與緩存編寫成基于Nginx的模塊（Nginx-tfs），淘寶認(rèn)為Nginx是目前性能最高的HTTP服務(wù)器(用戶空間)，代碼清晰，模塊化非常好。淘寶使用GraphicsMagick進(jìn)行圖片處理，采用了面向小對象的緩存文件系統(tǒng)，前端有LVS+Haproxy將原圖和其所有縮略圖請求都調(diào)度到同一臺Image Server。
文件定位上，內(nèi)存用hash算法做索引，最多一次讀盤。寫盤方式則采用Append方式寫，并采用了淘汰策略FIFO，主要考慮降低硬盤的寫操作，沒有必要進(jìn)一步提高Cache命中率，因為Image Server和TFS在同一個數(shù)據(jù)中心，讀盤效率還是非常高的。
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