Linux 6.12内核中 “客户端侧纠删编码” 介绍及场景应用

在Hammerspace，我们不仅与创新保持同步，而且还在推动创新。我们对Linux内核的贡献使得可以重新定义企业、AI和HPC等场景下存储的可能性。

将标准Linux服务器转变为可以满足企业、AI和HPC场景所需的文件和对象存储平台，这些转变是由Hammerspace设计，并作为标准Linux发行版的一部分提供，使企业能够通过可信的、易于部署的开放标准实现前所未有的性能和可扩展性。

《Linux在高性能存储和分布式环境方面的进步》

NFS中的Client-side Erasure Coding（客户端侧纠删编码）是一种数据保护机制，用于在客户端进行数据的编码和解码，目的是提高存储系统的可靠性、容错性和性能，尤其是在处理大规模数据存储和分布式存储环境中。

1. 什么是纠删编码（Erasure Coding）？

纠删编码（Erasure Coding, EC）是一种数据保护技术，旨在通过将数据分割成多个碎片并冗余编码，使得即使丢失部分碎片，也能够恢复完整的数据。与传统的RAID（冗余磁盘阵列）技术不同，纠删编码不仅能够容忍数据丢失，还能够通过数学算法有效地恢复丢失的数据。

Hammerspace使用Mojette Transform编码，该编码比传统纠删编码方案（Reed-Solomon）快2倍，因为它使用简单的XOR逻辑来避免Reed-Solomon的复杂数学计算。因此，它的CPU效率更高，并为其他应用程序留出更多的计算能力。

2. Client-side Erasure Coding在NFS中的作用

在NFS（Network File System）中，Client-side Erasure Coding是指在客户端对数据进行纠删编码的过程，目的是在传输数据之前增加冗余，提升数据的容错能力。这意味着在客户端将数据写入到 NFS 服务器之前，会先对数据进行编码处理，将原始数据切分并生成冗余数据。这样，即使部分数据块丢失或损坏，客户端依然可以通过编码信息恢复原始数据。

客户端执行的纠删编码通常是在数据写入NFS服务器之前进行的，而不是服务器端进行数据编码。客户端会在上传数据时自动将数据分割成多个数据块，并将这些数据块和冗余块一同发送到NFS服务器。

3. Client-side Erasure Coding的工作原理

• 数据分块和编码：
  • 在客户端，原始文件被分割成多个数据块（例如，分割成4个数据块）。
  • 通过纠删编码算法（例如 Reed-Solomon），生成多个冗余数据块，使得即使某些数据块丢失，仍然能够恢复完整的文件。比如，从4个原始数据块和2个冗余数据块，构成一个6个块的数据集。
• 数据传输到NFS服务器：
  • 客户端将所有数据块（包括原始数据块和冗余数据块）一起上传到NFS服务器。
  • 服务器存储这些数据块，不需要进行编码，只负责保存数据。
• 数据恢复：
  • 当客户端请求数据时，若某些数据块丢失或损坏，客户端可以利用剩余的完整数据块和冗余数据块，通过纠删编码算法恢复原始数据块。
  • 这种恢复操作通常是在客户端完成的，而不是依赖NFS服务器来进行数据恢复。

4. Client-side Erasure Coding的优势

• 提高容错性：
  • 通过客户端执行纠删编码，即使存储或传输过程中丢失部分数据块，客户端也能够通过冗余数据块恢复原始数据，从而提高系统的容错性和数据可靠性。
• 减少服务器负担：
  • 由于编码和解码操作是在客户端完成的，NFS服务器不需要进行额外的计算和数据恢复操作，这减轻了服务器的负担，提高了系统的总体性能。
• 网络带宽优化：
  • 客户端将数据编码后上传，这意味着每次写入的冗余数据块将被提前计算并发送到NFS服务器。这种优化能够提高数据传输的效率，尤其是在大规模分布式存储系统中。
• 提升数据恢复速度：
  • 由于数据恢复是在客户端进行的，客户端可以利用冗余数据块快速恢复丢失或损坏的数据块，减少了恢复过程中的延迟。
• 跨存储平台的兼容性：
  • 由于纠删编码操作是在客户端进行的，而不是依赖服务器端的实现，因此可以在不同的存储系统或平台之间实现数据的无缝迁移和共享。

5. 适用场景

Client-side Erasure Coding在以下场景中尤为有效：

分布式文件系统和云存储：在大规模分布式存储或云存储环境中，客户端侧纠删编码可以确保数据的高可用性和可靠性，减少服务器和网络的负担。

大数据和高吞吐量环境：对于大数据处理和高吞吐量应用，客户端侧纠删编码可以有效地减少传输延迟和增加数据恢复能力，确保数据的完整性和系统的高可用性。

容灾和备份解决方案：通过实现纠删编码，可以在多个存储节点或数据中心之间提供数据冗余，确保即使在灾难发生时，数据也能够快速恢复。

多租户和跨平台存储环境：纠删编码提供了一种跨不同存储平台之间共享数据的方法，特别是在多租户环境中，每个租户的数据可以通过客户端进行冗余编码，减少对服务器端的依赖。

6. 总结

Client-side Erasure Coding是NFS协议中的一种数据保护机制，旨在通过在客户端执行纠删编码来提高数据的容错性和系统性能。通过将数据划分为多个块并生成冗余数据块，客户端能够在数据丢失的情况下恢复完整的数据。这种机制不仅减轻了NFS服务器的负担，还提供了更高的可靠性、性能和灵活性，尤其在分布式存储和大数据环境中具有重要作用。然而，它也面临一定的计算开销和存储效率问题，需要根据实际场景权衡使用。