Lustre/ZFS Verteiltes Dateisystem auf neuen Sohlen
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- Lioba Bruhn
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Transkript
1 Lustre/ZFS Verteiltes Dateisystem auf neuen Sohlen Daniel Kobras science + computing ag IT-Dienstleistungen und Software für anspruchsvolle Rechnernetze Tübingen München Berlin Düsseldorf
2 science+computing ag Gegründet Standorte Mitarbeiter Anteilseigner Umsatz 10/ Tübingen München Berlin Düsseldorf 258 Bull S.A. (100%) 26,66 Mio. Euro Portfolio IT Service für komplexe Berechnungsumgebungen Umfassende Lösungen für Linux- und Windows-basiertes HPC scvenus Systemmanagement-Software zur effizienten Administration homogener und heterogener Netze Seite 2
3 High-Performance-Anything Seite 3
4 Vertikale Skalierung (Scale-Up) Größer ist besser 2006 Graham Richardson, CC BY Ben Fredericson, CC BY einfache Handhabung Migrationsaufwand meist hohe Investition nötig Seite 4
5 Horizontale Skalierung (Scale-Out) Wenn einer allein es nicht schafft, nimm zwei Ben Fredericson, CC BY Edgar Jimenez, CC BY-SA Bedarfsgerechtes Wachstum möglich Komplexes verteiltes System Seite 5
6 Wenn Scale-Out schiefgeht 2008 B. Katz, CC BY-SA 2.0 Seite 6
7 Scale-Out benötigt Koordination Wenn Scale-Out schiefgeht 2008 B. Katz, CC BY-SA 2.0 Seite 7
8 Ideale Kombination: So viel Scale-Up wie möglich So viel Scale-Out wie nötig Wenn Scale-Out schiefgeht 2008 B. Katz, CC BY-SA 2.0 Seite 8
9 High-Performance-Storage Seite 9
10 Scale-Up für Dateisysteme Immer mehr Storagekapazität pro Server Anwender wollen immer größere Dateisysteme > Gefahr von fehlerhaften Daten steigt > fsck dauert immer länger Aktuelle lokale Dateisysteme müssen Zu hohe Kapazitäten hin skalieren Mit Plattendefekten umgehen können Integrität ohne fsck sicherstellen können Hybride Architekturen aus SSD und HDD verwalten können Beispiele: ZFS, btrfs Seite 10
11 Scale-Out für Dateisysteme Einzelne Fileserver können hohe Kapazitäten verwalten Bandbreite einzelner Fileserver bleibt beschränkt Umstieg auf schnellere Interconnects erfordert Austausch der kompletten Netzinfrastruktur > Scale-Out-Speichersysteme bündeln mehrere getrennte Fileserver zu logischen Gesamtsystem (Cluster-Dateisysteme, verteilte Dateisysteme) Beispiele: GPFS, Lustre, glusterfs, FhgFS, Ceph, Verwenden in der Regel lokale Dateisysteme im Backend Seite 11
12 Scale-Out für Dateisysteme Einzelne Fileserver können hohe Kapazitäten verwalten Bandbreite einzelner Fileserver bleibt beschränkt Umstieg auf schnellere Interconnects erfordert Austausch der kompletten Netzinfrastruktur > Scale-Out-Speichersysteme bündeln mehrere getrennte Fileserver zu logischen Gesamtsystem (Cluster-Dateisysteme, verteilte Dateisysteme) Beispiele: GPFS, Lustre, glusterfs, FhgFS, Ceph, Verwenden in der Regel lokale Dateisysteme im Backend Ideal: Kombination mit leistungsfähigem lokalen Dateisystem (z.b. ZFS, btrfs) Seite 12
13 Exkurs: Lustre-Funktionsweise Client Client Client Client LAN MetadatenServer BlockGerät ObjektServer 1 ObjektServer 2 BlockGerät BlockGerät Seite 13
14 Exkurs: Lustre-Funktionsweise /fs1/a.ou t? Client MetadatenServer /fs1/a.out = OSS1: obj 7BlockOSS2: obj 19Gerät Client Client Client LAN ObjektServer 1 obj 7 BlockGerät ObjektServer 2 obj 19 BlockGerät Seite 14
15 Exkurs: Lustre-Funktionsweise Client /fs1/a.out = OSS1: obj 7 Client Client Client LAN OSS2: obj 19 MetadatenServer /fs1/a.out = OSS1: obj 7BlockOSS2: obj 19Gerät ObjektServer 1 obj 7 BlockGerät ObjektServer 2 obj 19 BlockGerät Seite 15
16 Exkurs: Lustre-Funktionsweise Client Client Client Client /fs1/a.out = OSS1: obj 7 OSS2: obj 19 j ob LAN ob j 7? MetadatenServer /fs1/a.out = OSS1: obj 7BlockOSS2: obj 19Gerät ObjektServer 1 obj 7 BlockGerät 19? ObjektServer 2 obj 19 BlockGerät Seite 16
17 Lustre mit ZFS-Backend Seite 17
18 Status Lustre/ldiskfs Größte Dateisysteme im Bereich von ca PByte, ca. 1TB/s lokales Backend basiert auf ext3/ext4 ( ldiskfs ) Zertifizierungen/Fault Isolation erfordert Partitionierung der OSTs in kleine lokale Dateisysteme, typisch Raid6 (8+2) à 24 TB Dadurch: starke Fragmentierung, hoher Verwaltungsaufwand, Beschränkung für maximale Dateigröße (ohne Striping) Seite 18
19 Defizite Lustre/ldiskfs 2007: LLNL identifiziert auf seinen Supercomputern Schwachstellen der Skalierbarkeit von Lustre fsck-dauer Maximale Partitionsgröße (OST) pro Server (OSS) Zuverlässigkeit erfordert teure Hardware Performance-Probleme beim Checkpointing großer Jobs Unzulänglichkeiten in ldiskfs und seiner Schnittstelle zu mdraid/device Mapper als Ursache > LLNL evaluiert alternative Dateisystem-Backends > LLNL initiiert Projekt für Lustre mit ZFS als lokalem Backend > LLNL startet Kernel-Port für ZFS unter Linux Seite 19
20 Defizite Lustre/ldiskfs 2007: LLNL identifiziert auf seinen Supercomputern Schwachstellen der Skalierbarkeit von Lustre fsck-dauer Maximale Partitionsgröße (OST) pro Server (OSS) Zuverlässigkeit erfordert teure Hardware Performance-Probleme beim Checkpointing großer Jobs Unzulänglichkeiten in ldiskfs und seiner Schnittstelle zu mdraid/device Mapper als Ursache > LLNL evaluiert alternative Dateisystem-Backends > LLNL initiiert Projekt für Lustre mit ZFS als lokalem Backend > LLNL startet Kernel-Port für ZFS unter Linux Seite 20
21 Exkurs: Checkpointing und CoW Checkpoint von massiv parallelem Job: viele Knoten/Prozesse Rank n Rank 0 schreiben gleichzeitig in dieselbe Datei Blöcke ldiskfs: Allokator weist Blöcke zu, bevor I/O-Muster bekannt Wählt möglichst große, zusammenhängende Bereiche aus ZFS: Copy-on-Write: Allokator weist Blöcke beim Schreiben zu Kann Plattenzugriffe linearisieren Seite 21
22 Dürfen die das? Problem: GPL (Linux-Kernel, Lustre) inkompatibel zu CDDL (ZFS) Daher bislang war ZFS-Ports für BSD, aber unter Linux nur als FUSE-Port im Userland Lösung für vollwertiges ZFS-Kernelmodul: Solaris Porting Layer (SPL) unter GPL als Schnittstelle zwischen Linux-Kernel und ZFS ZFS-Modul nutzt keine GPL-only Symbole ZFS-Modul nutzt nur API-Funktionen ZFS-Modul wird separat von SPL und Linux-Kernel vertrieben nur im Quellcode > keine derived work von GPL- und CDDL-Code Ähnlicher Status wie OpenAFS Seite 22
23 Historie 2008 ZFS Lustre zfson linux LLNL OpenSFS/EOFS CFS Sun Oracle Whamcloud Intel Xyratex Sun Oracle Nexenta Joyent btrfs... Chris Mason/Oracle CM/ FusionIO Seite 23
24 Historie 2008 ZFS Lustre zfson linux LLNL OpenSFS/EOFS CFS Sun Oracle Whamcloud Intel Xyratex Sun Oracle Nexenta Joyent btrfs... Chris Mason/Oracle CM/ FusionIO Seite 24
25 Vereinfachter Aufbau Lustre-Targets MDT/OST fsfilt ldiskfs/ext3 ldiskfs/ext4 Seite 25
26 Neues Backend-Dateisystem (Theorie) MDT/OST fsfilt ldiskfs/ext3 ldiskfs/ext4 ZFS Seite 26
27 Neues Backend-Dateisystem (Praxis) MDT/OST OSD ldiskfs/ext3 ldiskfs/ext4 ZFS Seite 27
28 Komponenten ZFS Posix Interface (ZPL) Block Interface (ZVOL) Transactional Transactional Objects Objects (DMU, ZIL,...) Pooled Storage (VDEV, ZIO, ARC,...) Seite 28
29 Komponenten ZFS + Lustre/ZFS Posix Interface (ZPL) Block Interface (ZVOL) Object Interface (osd-zfs) Transactional Transactional Objects Objects (DMU, ZIL,...) Pooled Storage (VDEV, ZIO, ARC,...) Seite 29
30 Hands-On Lustre/ZFS Seite 30
31 Praxis: zfsonlinux bereitstellen DIY ist ein Muss: % % % # git clone (...) oder wget (...)./configure make rpm rpm -i (...) Solaris Porting Layer: Download-Tarball veraltet Aktuell: spl rc14 ZFS: Download-Tarball und Master-Branch veraltet! Aktuell: zfs rc14 Seite 31
32 Praxis: Lustre/ZFS bereitstellen Quellen für Lustre mit ZFS-Unterstützung: (orion-branches) (orion-branch) (master) Feature Release Lustre 2.3 (Technologie-Preview, nur OSTs) Demnächst: Maintenance Release Lustre 2.4 Übersetzen und installieren: #./configure --without-ldiskfs # make rpms # rpm -i (...) Keine Kernel-Patches für Lustre-Server mehr nötig! Seite 32
33 Praxis: MDS einrichten Beispiel: MDS/MGS mit ZFS-Backend auf vier Platten mit Raid10 in gemeinsamem Pool einrichten # zpool create -f -O canmount=off meta \ mirror /dev/sdb /dev/sdc \ mirror /dev/sdd /dev/sde # mkfs.lustre --mgs fsname=lustre \ --backfstype=zfs meta/mgs # mkfs.lustre --mdt --fsname=lustre \ --index=0 --mgsnode= @tcp \ --backfstype=zfs meta/mdt # mount -t lustre meta/mgs /lustre/mgs # mount -t lustre meta/mdt \ /lustre/lustre-mdt0000 Empfehlung eigentlich: separater Pool für jeden Lustre-Dienst Seite 33
34 Praxis: MDS einrichten Beispiel: MDS/MGS mit ZFS-Backend auf vier Platten mit Raid10 in gemeinsamem Pool einrichten # zpool create -f -O canmount=off meta \ mirror /dev/sdb /dev/sdc \ mirror /dev/sdd /dev/sde # mkfs.lustre --mgs fsname=lustre \ --backfstype=zfs meta/mgs # mkfs.lustre --mdt --fsname=lustre \ --index=0 --mgsnode= @tcp \ --backfstype=zfs meta/mdt # mount -t lustre meta/mgs /lustre/mgs # mount -t lustre meta/mdt \ /lustre/lustre-mdt0000 Empfehlung eigentlich: separater Pool für jeden Lustre-Dienst Seite 34
35 Praxis: OSS einrichten Beispiel: OST mit ZFS-Backend auf zehn Platten mit Raidz2 einrichten # mkdir -p /lustre/lustre-ost0000 # mkfs.lustre --ost --fsname=lustre \ --index=0 --mgsnode= @tcp \ --backfstype=zfs data/ost0000 raidz2 \ /dev/sd[b-k] # mount -t lustre data/ost0000 \ /lustre/lustre-ost0000 Der data-zpool wird implizit durch mkfs.lustre angelegt Seite 35
36 Praxis: OSS einrichten Beispiel: OST mit ZFS-Backend auf zehn Platten mit Raidz2 einrichten # mkdir -p /lustre/lustre-ost0000 # mkfs.lustre --ost --fsname=lustre \ --index=0 --mgsnode= @tcp \ --backfstype=zfs data/ost0000 raidz2 \ /dev/sd[b-k] # mount -t lustre data/ost0000 \ /lustre/lustre-ost0000 Der data-zpool wird implizit durch mkfs.lustre angelegt Seite 36
37 Praxis: Änderungen im Verhalten df auf Servern zeigt Platzbedarf auf Targets nicht mehr an. (Alternativen: zfs list oder lfs df auf Client) Lustre-Mountdata steht in ZFS-Properties: # zfs get all meta/mgs grep lustre: meta/mgs lustre:flags 100 local meta/mgs lustre:svname MGS local meta/mgs lustre:version 1 local meta/mgs lustre:index 0 local meta/mgs lustre:fsname lustre local Zugriff auf Backend-FS über Snapshots: # zfs snap meta/mgs@snap1234 # mount -t zfs meta/mgs@snap1234 \ /lustre/mgs-snap # llog_reader \ /lustre/mgs-snap/configs/lustre-client Seite 37
38 Zusammenfassung Lustre+ZFS kombiniert Scale-Out- mit Scale-Up-fähigem Dateisystem Hoher Datendurchsatz Dateisystem-Limits weit jenseits aktueller Anforderungen Permanente Integritätsprüfung für Daten und Metadaten Online-Scrubbing Nur Commodity-Hardware nötig, kein Vendor-Lock-In In Kürze in Lustre 2.4 Maintenance Release verfügbar (aktuell im Feature Freeze, Release geplant für 30. April 2013) ZFS-Port für Linux als Abfallprodukt Seite 38
39 Ausblick Performance ZFS-Blockgröße anheben auf 1MB Integration ZFS Write-Cache (ZIL) Zuverlässigkeit Integration ZFS-Fault-Management/automatische Verwaltung von Hot-Spares Konsistenter Lustre-Check über sämtliche MDT/OST End-to-end-Checksums Features Snapshots auf Lustre-Ebene Seite 39
40 Quellen ZFS-Port für Linux: Quellcode SPL/ZFS-Port: Lustre: Informationen zu Lustre/ZFS content/uploads/2011/11/lug12_zfs_lustre_for_sequoia.pdf Seite 40
41 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. Daniel Kobras science + computing ag Telefon info@science-computing.de
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