【分布式技术专题】「OSS中间件系列」从0到1的介绍一下开源对象存储MinIO技术架构

MinIO背景介绍

• MinIO创始者是Anand Babu Periasamy, Harshavardhana（戒日王）等人， Anand是GlusterFS的初始开发者、Gluster公司的创始人与CTO，Harshavardhana曾经是GlusterFS的开发人员，直到2011年红帽收购了Gluster公司。
• MinIO在设计上汲取了GlusterFS的相关经验与教训，系统复杂度上作了大量简化。

MinIO简介

概述

• MinIO对象存储系统是为海量数据存储、人工智能、大数据分析而设计，基于Apache License v2.0开源协议的对象存储系统，它完全兼容Amazon S3接口，单个对象最大可达5TB，适合存储海量图片、视频、日志文件、备份数据和容器/虚拟机镜像等。
• MinIO主要采用Golang语言实现，整个系统都运行在操作系统的用户态空间，客户端与存储服务器之间采用http/https通信协议。

Glusterfs

Glusterfs是一个开源分布式文件系统，具有强大的横向扩展能力，可支持数PB存储容量和数千客户端，通过Infiniband RDMA 或Tcp/Ip 方式将许多廉价的x86 主机，通过网络互联成一个并行的网络文件系统。具有可扩展性、高性能、高可用性等特点。

设计哲学

• 极简理念——采用尽可以简单可靠的集群管理方案，摒弃复杂的大规模集群调度管理，减少风险因素与性能瓶颈，聚焦产品的核心功能，打造高可靠的集群、灵活的扩展能力以及超高的性能；
• 积木式扩展——建立众多的中小规模、易管理的集群，支持跨数据中心将多个集群聚合成超大资源池，而非直接采用大规模、统一管理的分布式集群。

设计原则

产品特点

高级特性

官方资源

官方网站

技术架构

数据组织结构

NAS系统把整个存储资源组织为目录树的形式，与此不同，对象存储系统把存储资源组织为租户-桶-对象的形式。数据结构组织见下图：

• 对象：类似于hash表中的表项：它的名字相当于关键字，它的内容相当于“值”。
• 桶：是若干个对象的逻辑抽象，是盛装对象的容器。
• 租户：用于隔离存储资源。在租户之下可以建立桶、存储对象。
• 用户：在租户下面创建的用于访问不同桶的账号。可以使用MinIO提供的mc命令设置不用用户访问各个桶的权限。

数据分布与均衡

去中心化架构

MinIO采用去中心化的无共享架构，对象数据被打散存放在不同节点的多块硬盘，对外提供统一命名空间访问，并通过Web负载均衡器或DNS轮询（DNS round-robin）在各服务器之间实现负载均衡。

统一命名空间

MinIO对象存储系统主要有两种部署方式，一种是常见的本地分布式集群部署，一种是联盟模式部署。

• 本地分布式集群部署方式即在多个本地服务器节点部署MinIO软件，并将其组件成单套分布式存储集群，并提供统一命名空间和标准S3访问接口。
• 联盟部署模式即将多个MinIO集群在逻辑上组成了统一命名空间，实现近乎无限的扩展与海量的数据规模管理，这些集群可以都在本地，或分布在不同地域的数据中心。

如下图所示，4个服务器节点组成一个MinIO集群，每个服务器节点中会选择相同数据的硬盘创建一个纠删组，某个桶的数据会根据MinIO的分布式算法，切片分散存储到对应的纠删组中（详见纠删码相关内容）。

分布式锁管理

与分布式数据库相类似，MinIO对象存储系统也面临数据一致性问题：一个客户端程序在读取一个对象的同时，另一个客户端程序可能正在修改或者删除这个对象。为了避免出现数据不一致情况，MinIO相关开发人员为MinIO对象存储专门设计并实现了dsync分布式锁管理器。

它采用如下分布式锁管理机制：

• 任何一个节点的锁请求都会广播给集群内所有在线节点；
• 如果n/2 + 1个节点回应“是”，则成功获得锁；
• 客户端获得锁以后可保留任意时间，不需要时自己释放即可。释放操作也会广播给所有的节点，从而恢复锁的可用状态。写锁仅能被一个写入者获得。

设计目标

• 要求设计简单，因为简单的设计，可以避免程序中很多非常棘手的条件分支的支持。
• 不存在主节点，因为一旦在设计上引入主节点，那么如果主节点宕机，整个锁管理器机制即将失效，这对MinIO对象存储系统影响非常严重，是不可接受的。
• 系统必须是弹性的，即使存在多个失效的节点，只要它们的个数小于n/2, 整个锁管理系统是可以正常工作的。
• 完全可以替代Golang标准库中的sync.RWMutex互斥锁。这样可以简化MinIO对象存储系统的编程。
• 当失效节点重启以后，其它节点重新连接。

不使用zookeeper/raft等技术的原因

zookeeper/raft功能丰富，而MinIO对象储存的使用用例其实很有限。在MinIO中使用zookeeper/raft，会使整个系统增加不必要的复杂性。

优势

• 实际操作极其简单，有效代码不足一千行，易理解，易维护。
• 超高的性能。

云网关模式

• MinIO存储系统的后端可以是磁盘，也可以作为云网关，对接第三方的NAS系统、分布式文件系统或公有云存储资源，并为业务系统转换提供标准的对象访问接口。
• 目前MinIO支持Google 云存储、HDFS、阿里巴巴OSS、亚马逊S3, 微软Azure Blob 存储等第三方存储资源。

与Kubernetes的整合部署