一、引言
高性能計算已由傳統的主機方式逐漸向集群方式演變，如TOP500中，1998年只有2台系統是集群方式，而到2003年已有208台為集群系統。隨著高性能計算體系結構的發展變化，傳統的基於主機的存儲架構已成為新的瓶頸，不能滿足集群系統的需求。集群的存儲系統必須有效解決兩個主要問題：（1）提供共享訪問數據，便於集群應用程序的編寫和存儲的負載均衡；（2）提供高性能的存儲，在I/O級和數據吞吐率方面能滿足成百上千台規模的Linux集群服務器聚合訪問的需求。目前，網絡化存儲已成為解決集群系統高性能存儲的有效技術途徑。
國際上主要有兩類網絡化存儲架構，它們是通過命令集來區分的。第一類是SAN（Storage Area Network）結構，它采用SCSI 塊I/O的命令集，通過在磁盤或FC（Fiber Channel）級的數據訪問提供高性能的隨機I/O和數據吞吐率，它具有高帶寬、低延遲的優勢，在高性能計算中占有一席之地，如SGI的CXFS文件系統就是基於SAN實現高性能文件存儲的，但是由於SAN系統的價格較高，且可擴展性較差，已不能滿足成千上萬個CPU規模的系統。第二類是NAS （Network Attached Storage）結構，它采用NFS或CIFS命令集訪問數據，以文件為傳輸協議，通過TCP/IP實現網絡化存儲，可擴展性好、價格便宜、用戶易管理，如目前在集群計算中應用較多的NFS文件系統，但由於NAS的協議開銷高、帶寬低、延遲大，不利於在高性能集群中應用。
針對Linux集群對存儲系統高性能和數據共享的需求，國外已開始研究全新的存儲架構和新型文件系統，希望能有效結合SAN和NAS系統的優點，支持直接訪問磁盤以提高性能，通過共享的文件和元數據以簡化管理，目前對象存儲文件系統已成為Linux集群系統高性能文件系統的研究熱點，如Cluster File Systems公司的Lustre、Panasas公司的ActiveScale文件系統等。Lustre文件系統采用基於對象存儲技術，它來源於卡耐基梅隆大學的Coda項目研究工作，2003年12月發布了Lustre 1.0版，預計在2005年將發布2.0版。Lustre在美國能源部(U.S.Department of Energy：DOE)、Lawrence Livermore 國家實驗室，Los Alamos國家實驗室，Sandia 國家實驗室，Pacific Northwest國家實驗室的高性能計算系統中已得到了初步的應用，IBM正在研制的Blue Gene系統也將采用Lustre文件系統實現其高性能存儲。ActiveScale文件系統技術來源於卡耐基梅隆大學的Dr. Garth Gibson，最早是由DARPA支持的NASD（Network Attached Secure Disks）項目，目前已是業界比較有影響力的對象存儲文件系統，榮獲了ComputerWorld 2004年創新技術獎。
二、對象存儲文件系統
2.1 對象存儲文件系統架構
對象存儲文件系統的核心是將數據通路（數據讀或寫）和控制通路（元數據）分離，並且基於對象存儲設備（Object-based Storage Device，OSD）構建存儲系統，每個對象存儲設備具有一定的智能，能夠自動管理其上的數據分布，對象存儲文件系統通常有以下幾部分組成。
1、對象
對象是系統中數據存儲的基本單位，一個對象實際上就是文件的數據和一組屬性的組合，這些屬性可以定義基於文件的RAID參數、數據分布和服務質量等，而傳統的存儲系統中用文件或塊作為基本的存儲單位，在塊存儲系統中還需要始終追蹤系統中每個塊的屬性，對象通過與存儲系統通信維護自己的屬性。在存儲設備中，所有對象都有一個對象標識，通過對象標識OSD命令訪問該對象。通常有多種類型的對象，存儲設備上的根對象標識存儲設備和該設備的各種屬性，組對象是存儲設備上共享資源管理策略的對象集合等。
2、對象存儲設備
對象存儲設備具有一定的智能，它有自己的CPU、內存、網絡和磁盤系統，目前國際上通常采用刀片式結構實現對象存儲設備。OSD提供三個主要功能：
（1） 數據存儲。OSD管理對象數據，並將它們放置在標准的磁盤系統上，OSD不提供塊接口訪問方式，Client請求數據時用對象ID、偏移進行數據讀寫。
（2） 智能分布。OSD用其自身的CPU和內存優化數據分布，並支持數據的預取。由於OSD可以智能地支持對象的預取，從而可以優化磁盤的性能。
（3）每個對象元數據的管理。OSD管理存儲在其上對象的元數據，該元數據與傳統的inode元數據相似，通常包括對象的數據塊和對象的長度。而在傳統的NAS 系統中，這些元數據是由文件服務器維護的，對象存儲架構將系統中主要的元數據管理工作由OSD來完成，降低了Client的開銷。
3、元數據服務器（Metadata Server，MDS）
MDS控制Client與OSD對象的交互，主要提供以下幾個功能：
（1） 對象存儲訪問。MDS構造、管理描述每個文件分布的視圖，允許Client直接訪問對象。MDS為Client提供訪問該文件所含對象的能力，OSD在接收到每個請求時將先驗證該能力，然後才可以訪問。
（2） 文件和目錄訪問管理。MDS在存儲系統上構建一個文件結構，包括限額控制、目錄和文件的創建和刪除、訪問控制等。
（3） Client Cache一致性。為了提高Client性能，在對象存儲文件系統設計時通常支持Client方的Cache。由於引入Client方的Cache，帶來了Cache一致性問題，MDS支持基於Client的文件Cache，當Cache的文件發生改變時，將通知Client刷新Cache，從而防止 Cache不一致引發的問題。
4、對象存儲文件系統的Client
為了有效支持Client支持訪問OSD上的對象，需要在計算結點實現對象存儲文件系統的Client，通常提供POSIX文件系統接口，允許應用程序像執行標准的文件系統操作一樣。
2.2 對象存儲文件系統的關鍵技術
1、分布元數據傳統的存儲結構元數據服務器通常提供兩個主要功能。（1）為計算結點提供一個存儲數據的邏輯視圖（Virtual File System，VFS層），文件名列表及目錄結構。（2）組織物理存儲介質的數據分布（inode層）。對象存儲結構將存儲數據的邏輯視圖與物理視圖分開，並將負載分布，避免元數據服務器引起的瓶頸（如NAS系統）。元數據的VFS部分通常是元數據服務器的10％的負載，剩下的90％工作（inode部分）是在存儲介質塊的數據物理分布上完成的。在對象存儲結構，inode工作分布到每個智能化的OSD，每個OSD負責管理數據分布和檢索，這樣90%的元數據管理工作分布到智能的存儲設備，從而提高了系統元數據管理的性能。另外，分布的元數據管理，在增加更多的OSD到系統中時，可以同時增加元數據的性能和系統存儲容量。
2、並發數據訪問對象存儲體系結構定義了一個新的、