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# 18 | 分布式存储：你知道对象存储是如何保存图片文件的吗？
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你好，我是李玥。
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我们都知道，保存像图片、音视频这类大文件，最佳的选择就是对象存储。对象存储不仅有很好的大文件读写性能，还可以通过水平扩展实现近乎无限的容量，并且可以兼顾服务高可用、数据高可靠这些特性。
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对象存储之所以能做到这么“全能”，最主要的原因是，**对象存储是原生的分布式存储系统**。这里我们讲的“原生分布式存储系统”，是相对于MySQL、Redis这类单机存储系统来说的。虽然这些非原生的存储系统，也具备一定的集群能力，但你也能感受到，用它们构建大规模分布式集群的时候，其实是非常不容易的。
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随着云计算的普及，很多新生代的存储系统，都是原生的分布式系统，它们一开始设计的目标之一就是分布式存储集群，比如说[Elasticsearch](https://www.elastic.co/cn/)、[Ceph](http://about:blank)和国内很多大厂推出的新一代数据库，大多都可以做到：
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* 近乎无限的存储容量；
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* 超高的读写性能；
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* 数据高可靠：节点磁盘损毁不会丢数据；
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* 实现服务高可用：节点宕机不会影响集群对外提供服务。
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那这些原生分布式存储是如何实现这些特性的呢？
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实际上不用我说，你也能猜得到，这里面同样存在严重的“互相抄作业”的情况。这个也可以理解，除了存储的数据结构不一样，提供的查询服务不一样以外，这些分布式存储系统，它们面临的很多问题都是一样的，那实现方法差不多也是可以理解。
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对象存储它的查询服务和数据结构都非常简单，是最简单的原生分布式存储系统。这节课，我们就来一起来研究一下对象存储这种最简单的原生分布式存储，通过对象存储来认识一下分布式存储系统的一些共性。掌握了这些共性之后，你再去认识和学习其他的分布式存储系统，也会感觉特别容易。
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## 对象存储数据是如何保存大文件的？
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对象存储对外提供的服务，其实就是一个近乎无限容量的大文件KV存储，所以对象存储和分布式文件系统之间，没有那么明确的界限。对象存储的内部，肯定有很多的存储节点，用于保存这些大文件，这个就是数据节点的集群。
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另外，我们为了管理这些数据节点和节点中的文件，还需要一个存储系统保存集群的节点信息、文件信息和它们的映射关系。这些为了管理集群而存储的数据，叫做元数据(Metadata)。
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元数据对于一个存储集群来说是非常重要的，所以保存元数据的存储系统必须也是一个集群。但是元数据集群存储的数据量比较少，数据的变动不是很频繁，加之客户端或者网关都会缓存一部分元数据，所以元数据集群对并发要求也不高。一般使用类似[ZooKeeper](https://zookeeper.apache.org/)或者[etcd](https://github.com/etcd-io/etcd)这类分布式存储就可以满足要求。
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另外，存储集群为了对外提供访问服务，还需要一个网关集群，对外接收外部请求，对内访问元数据和数据节点。网关集群中的每个节点不需要保存任何数据，都是无状态的节点。有些对象存储没有网关，取而代之的是客户端，它们的功能和作用都是一样的。
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那么，对象存储是如何来处理对象读写请求的呢？这里面处理读和写请求的流程是一样的，我们一起来说。网关收到对象读写请求后，首先拿着请求中的Key，去元数据集群查找这个Key在哪个数据节点上，然后再去访问对应的数据节点读写数据，最后把结果返回给客户端。
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以上是一个比较粗略的大致流程，实际上这里面包含很多的细节，我们暂时没有展开讲。目的是让你在整体上对对象存储，以至于分布式存储系统，有一个清晰的认知。
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上面这张图，虽然我画的是对象存储集群的结构，但是把图上的名词改一改，完全可以套用到绝大多数分布式文件系统和数据库上去，比如说HDFS。
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## 对象是如何拆分和保存的？
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接下来我们说一下对象存储到底是如何来保存大文件对象的。一般来说，对象存储中保存的文件都是图片、视频这类大文件。在对象存储中，每一个大文件都会被拆成多个大小相等的**块儿（Block）**，拆分的方法很简单，就是把文件从头到尾按照固定的块儿大小，切成一块儿一块儿，最后一块儿长度有可能不足一个块儿的大小，也按一块儿来处理。块儿的大小一般配置为几十KB到几个MB左右。
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把大对象文件拆分成块儿的目的有两个：
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1. 第一是为了提升读写性能，这些块儿可以分散到不同的数据节点上，这样就可以并行读写。
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2. 第二是把文件分成大小相等块儿，便于维护管理。
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对象被拆成块儿之后，还是太过于碎片化了，如果直接管理这些块儿，会导致元数据的数据量会非常大，也没必要管理到这么细的粒度。所以一般都会再把块儿聚合一下，放到块儿的容器里面。这里的“容器”就是存放一组块儿的逻辑单元。容器这个名词，没有统一的叫法，比如在[ceph](https://ceph.io/)中称为Data Placement，你理解这个含义就行。容器内的块儿数大多是固定的，所以容器的大小也是固定的。
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到这里，这个容器的概念，就比较类似于我们之前讲MySQL和Redis时提到的“分片”的概念了，都是复制、迁移数据的基本单位。每个容器都会有N个副本，这些副本的数据都是一样的。其中有一个主副本，其他是从副本，主副本负责数据读写，从副本去到主副本上去复制数据，保证主从数据一致。
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这里面有一点儿和我们之前讲的不一样的是，对象存储一般都不记录类似MySQL的Binlog这样的日志。主从复制的时候，复制的不是日志，而是整块儿的数据。这么做有两个原因：
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1. 第一个原因是基于性能的考虑。我们知道操作日志里面，实际上就包含着数据。在更新数据的时候，先记录操作日志，再更新存储引擎中的数据，相当于在磁盘上串行写了2次数据。对于像数据库这种，每次更新的数据都很少的存储系统，这个开销是可以接受的。但是对于对象存储来说，它每次写入的块儿很大，两次磁盘IO的开销就有些不太值得了。
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2. 第二个原因是它的存储结构简单，即使没有日志，只要按照顺序，整块儿的复制数据，仍然可以保证主从副本的数据一致性。
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以上我们说的对象（也就是文件）、块儿和容器，都是逻辑层面的概念，数据落实到副本上，这些副本就是真正物理存在了。这些副本再被分配到数据节点上保存起来。这里的数据节点就是运行在服务器上的服务进程，负责在本地磁盘上保存副本的数据。
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了解了对象是如何被拆分并存储在数据节点上之后，我们再来回顾一下数据访问的流程。当我们请求一个Key的时候，网关首先去元数据中查找这个Key的元数据。然后根据元数据中记录的对象长度，计算出对象有多少块儿。接下来的过程就可以分块儿并行处理了。对于每个块儿，还需要再去元数据中，找到它被放在哪个容器中。
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我刚刚讲过，容器就是分片，怎么把块儿映射到容器中，这个方法就是我们在《[15 | MySQL存储海量数据的最后一招：分库分表](https://time.geekbang.org/column/article/217568)》这节课中讲到的几种分片算法。不同的系统选择实现的方式也不一样，有用哈希分片的，也有用查表法把对应关系保存在元数据中的。找到容器之后，再去元数据中查找容器的N个副本都分布在哪些数据节点上。然后，网关直接访问对应的数据节点读写数据就可以了。
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## 小结
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对象存储是最简单的分布式存储系统，主要由数据节点集群、元数据集群和网关集群（或者客户端）三部分构成。数据节点集群负责保存对象数据，元数据集群负责保存集群的元数据，网关集群和客户端对外提供简单的访问API，对内访问元数据和数据节点读写数据。
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为了便于维护和管理，大的对象被拆分为若干固定大小的块儿，块儿又被封装到容器（也就分片）中，每个容器有一主N从多个副本，这些副本再被分散到集群的数据节点上保存。
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对象存储虽然简单，但是它具备一个分布式存储系统的全部特征。所有分布式存储系统共通的一些特性，对象存储也都具备，比如说数据如何分片，如何通过多副本保证数据可靠性，如何在多个副本间复制数据，确保数据一致性等等。
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希望你通过这节课的学习，不仅是学会对象存储，还要对比分析一下，对象存储和其他分布式存储系统，比如MySQL集群、HDFS、Elasticsearch等等这些，它们之间有什么共同的地方，差异在哪儿。想通了这些问题，你对分布式存储系统的认知，绝对会上升到一个全新的高度。然后你再去看一些之前不了解的存储系统，就非常简单了。
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## 思考题
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我们刚刚说到过，对象存储并不是基于日志来进行主从复制的。假设我们的对象存储是一主二从三个副本，采用半同步方式复制数据，也就是主副本和任意一个从副本更新成功后，就给客户端返回成功响应。主副本所在节点宕机之后，这两个从副本中，至少有一个副本上的数据是和宕机的主副本上一样的，我们需要找到这个副本作为新的主副本，才能保证宕机不丢数据。
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但是没有了日志，如果这两个从副本上的数据不一样，我们如何确定哪个上面的数据是和主副本一样新呢？欢迎你在留言区与我交流讨论。
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