使用minio搭建高性能对象存储-第一部分:原型

近期参与了一个项目,该项目有存储大量图片、短视频、音频等 非结构化数据 的需求。于是我优先在Go社区寻找能满足这类需求的开源项目, minio 就这样进入了我的视野。

图:minio logo

其实三年前我就知道了minio,并还下载玩(研)耍(究)了一番,但那时minio的成熟程度与今天相比还是相差较远的(当时需求简单,于是选择了较为熟悉的weedfs)。而如今的minio在github上收获了广泛的关注,小星星也是蛮多的(20k+ star)。它不仅被Go社区使用,在其他语言社区也有着广泛应用。我可以 不负责任 的说:在对象存储领域,minio大有 kafka(java技术栈) 在消息队列领域舍我其谁的气概:)。

2019年 gopherchina大会 上,探探工程师分享了 “基于MINIO的对象存储方案在探探的实践” 。虽然探探目前是否在生产中使用minio暂不得而知,但这又一次证明了minio在对象存储领域的强大影响力。

图:探探工程师在gopherchina2019大会上分享minio实践

minio出品自一个有着多年网络文件系统开发经验的团队,其初始创始团队都来自于原 Glusterfs团队 ,该团队二次创业的产品minio的设计广泛吸取了glusterfs的经验和教训:

  • 部署简单:一个single二进制文件即是一切,还可支持各种平台。(托了go语言的福)

  • minio支持海量存储,可按zone扩展(原zone不受任何影响),支持单个对象最大5TB;

  • 兼容Amazon S3接口,充分考虑开发人员的需求和体验;

  • 低冗余且磁盘损坏高容忍,标准且最高的数据冗余系数为2(即存储一个1M的数据对象,实际占用磁盘空间为2M)。但在任意n/2块disk损坏的情况下依然可以读出数据(n为一个纠删码集合(Erasure Coding Set)中的disk数量)。并且这种损坏恢复是基于单个对象的,而不是基于整个存储卷的。

  • 读写性能优异

图:来自minio技术白皮书中的benchmark数据

鉴于上述minio的“优点”,我打算在这个项目中基于minio实现非结构化数据的对象存储方案。本篇文章将介绍方案的原型设计与初始minio验证环境搭建。

一. 原型方案

基于minio的非结构化数据对象存储方案都大同小异,下面的图示就是根据我们的需求简单设计的原型方案:

图:原型方案
  • 我们基于minio提供的 distributed mode ,将位于多个host上的多块磁盘组成一个逻辑存储池,通过运行于不同host上的minio server实现一个高可用的对象存储方案;

  • 数据通过一个独立的上传服务(基于minio提供的sdk与minio集群通信)写入minio;

  • 通过minio的 mc工具 创建bucket,并将bucket的policy设置为”download”,以允许外部用户直接与minio通信,获取对象数据。中间不再设置除lb之外的中间层;

  • 通过job或定时任务利用mc工具统一对minio中的数据进行维护,比如定期删除7天前的数据(如果数据默认过期时间设定为7天)。

二. minio server启动模式

minio支持多种server启动模式:

图:minio server启动模式

minio server的standalone模式,即要管理的磁盘都在host本地。该启动模式一般仅用于实验环境、测试环境的验证和学习使用。在standalone模式下,还可以分为 non-erasure code modeerasure code mode

所谓 non-erasure code mode ,即minio server启动时仅传入一个本地磁盘目录参数:比如:

$minio server data

Endpoint:  http://10.10.126.88:9000  http://127.0.0.1:9000
AccessKey: minioadmin
SecretKey: minioadmin

Browser Access:
   http://10.10.126.88:9000  http://127.0.0.1:9000           

Command-line Access: https://docs.min.io/docs/minio-client-quickstart-guide
   $ mc config host add myminio http://10.10.126.88:9000 minioadmin minioadmin

... ...

在这样的启动模式下,对于每一份对象数据,minio直接在data下面存储这份数据,不会建立副本,也不会启用纠删码机制。因此,这种模式无论是服务实例还是磁盘都是“单点”,无任何高可用保障,磁盘损坏就表示数据丢失。

同样在单minio server的情况下, erasure code mode 即为minio server实例传入多个本地磁盘参数。一旦遇到多于一个磁盘参数,minio server会自动启用 erasure code modeerasure code 对磁盘的个数是有要求的,如不满足要求,实例启动将失败:

$minio server data1 data2
ERROR Invalid command line arguments: Incorrect number of endpoints provided [data1 data2]
      > Please provide an even number of endpoints greater or equal to 4
      HINT:
        For more information, please refer to https://docs.min.io/docs/minio-erasure-code-quickstart-guide

erasure code启用后,要求传给minio server的endpoint(standalone模式下,即本地磁盘上的目录) 至少为4个 。minio server启用纠删码机制后,会自动将传入的disk drive划分为多个 erasure coding set ,每个 erasure coding set 中的disk drive的数量可以是:4, 6, 8, 10, 12, 14 和16。minio server会根据传入disk drive的数量自动计算set个数和每个set中的disk drive数量。比如下面例子中,我们传入四个endpoint(disk drive)给minio server:

$minio server data1 data2 data3 data4

Formatting 1 zone, 1 set(s), 4 drives per set.
WARNING: Host local has more than 2 drives of set. A host failure will result in data becoming unavailable.
Status:         4 Online, 0 Offline.
Endpoint:  http://10.10.126.88:9000  http://127.0.0.1:9000
AccessKey: minioadmin
SecretKey: minioadmin

Browser Access:
   http://10.10.126.88:9000  http://127.0.0.1:9000           

Command-line Access: https://docs.min.io/docs/minio-client-quickstart-guide
   $ mc config host add myminio http://10.10.126.88:9000 minioadmin minioadmin

... ...

从minio server的输出日志来看,minio server将这些drive放入了一个 erasure coding set 了。在输出日志中,我们还看到一行WARNING: Host local has more than 2 drives of set. A host failure will result in data becoming unavailable. ,即minio server警告我们:这个 erasure coding set 中有多于两个的drive都在local host上,这样一旦host宕机,那么数据将无法获取。(每个set 有4个drive,根据纠删码的机制,这个set的最大允许失效的disk数量为4/2=2)。

我们再来看minio server启动的一个 “语法糖” – “省略号”语法:

$minio server data{1...18}

Formatting 1 zone, 3 set(s), 6 drives per set.
WARNING: Host local has more than 3 drives of set. A host failure will result in data becoming unavailable.
WARNING: Host local has more than 3 drives of set. A host failure will result in data becoming unavailable.
WARNING: Host local has more than 3 drives of set. A host failure will result in data becoming unavailable.
Status:         18 Online, 0 Offline.
Endpoint:  http://10.10.126.88:9000  http://127.0.0.1:9000
AccessKey: minioadmin
SecretKey: minioadmin

Browser Access:
   http://10.10.126.88:9000  http://127.0.0.1:9000           

Command-line Access: https://docs.min.io/docs/minio-client-quickstart-guide
   $ mc config host add myminio http://10.10.126.88:9000 minioadmin minioadmin

... ...

minio server data{1...18} 等价于 minio server data1 data2 data3 data4 data5 data6 data7 data8 data9 data10 data11 data 12 data13 data14 data15 data16 data17 data18 。minio server会自行扩展省略号代表的内容。我们看到:当我们传入18个disk drive后,minio server创建了3个 erasure coding set ,每个set中有6个disk drive。同样,minio server还针对每个set输出了一行WARNING:每个Set中有三个以上的disk drive都位于同一台host上。

这些WARNING我们可以通过distributed mode来解决。顾名思义,distributed mode下,minio server实例和其管理的disk drive分布在多台host上,这种模式可以避免minio server实例单点,数据也将分布在不同host上的不同disk中,实现了高可用,提升了整体的容灾能力。由于处理多个host上的disk,distribute mode默认就会启动 erasure coding set 机制。

在distributed mode下,minio server后面的远程的endpoint采用http url编码格式:

export MINIO_ACCESS_KEY=<ACCESS_KEY>
export MINIO_SECRET_KEY=<SECRET_KEY>
$minio server http://host{1...4}:9000/minio/data{1...4}

上面例子中的minio server命令相当于4个host,每个host上启动一个minio server实例,每个实例都管理16的disk drive(包括本地和远程的)。上述命令等价于:

$minio server http://host1:9000/minio/data1 http://host1:9000/minio/data2 http://host1:9000/minio/data3 http://host1:9000/minio/data4 http://host2:9000/minio/data1 http://host2:9000/minio/data2 http://host2:9000/minio/data3 http://host2:9000/minio/data4 http://host3:9000/minio/data1 http://host3:9000/minio/data2 http://host3:9000/minio/data3 http://host3:9000/minio/data4 http://host4:9000/minio/data1 http://host4:9000/minio/data2 http://host4:9000/minio/data3 http://host4:9000/minio/data4

minio同样会自动将这些disk drive划分为若干个 erasure coding set 。每个endpoint用 http://address/disk-drive-path 的形式编码。注意: 这条命令在host1、host2、host3和host4上都要执行

minio有一个 zone 的概念,比如下面这个例子:

$minio server data{1...8} data{9...16}

Formatting 1 zone, 1 set(s), 8 drives per set.
WARNING: Host local has more than 4 drives of set. A host failure will result in data becoming unavailable.
Formatting 2 zone, 1 set(s), 8 drives per set.
WARNING: Host local has more than 4 drives of set. A host failure will result in data becoming unavailable.
Status:         16 Online, 0 Offline.
Endpoint:  http://10.10.126.88:9000  http://127.0.0.1:9000
AccessKey: minioadmin
SecretKey: minioadmin

Browser Access:
   http://10.10.126.88:9000  http://127.0.0.1:9000           

Command-line Access: https://docs.min.io/docs/minio-client-quickstart-guide
   $ mc config host add myminio http://10.10.126.88:9000 minioadmin minioadmin

... ...

我们在命令行中给minio server传入两组采用“省略号”语法的参数,minio认为 每组 就是一个 “zone” ,这里有两组,因此minio创建了两个 zone 。在每个zone内,minio创建了一个 erasure coding set ,每个set中有8个disk drive。对于外部的写数据请求,minio server会首先查找可用空间多的zone,然后再在zone内选择set和disk drive。

如果不用“省略号”语法,那么minio server会将后面传入的所有disk drive放入一个zone中。

三. 原型验证环境搭建与配置

1. 单机上部署distributed minio集群

我们的验证环境采用最小的distributed minio模式:单机、one zone, one erasure coding set, 4 disk drive。下面是部署的示意图:

图:单机上部署distributed minio集群

我们没有使用“省略号”语法,在单机上不是很好模拟。我们通过下面脚本来启动该minio集群:

# cat startup_minio.sh
#!/bin/bash

export MINIO_ACCESS_KEY="minio"
export MINIO_SECRET_KEY="minio123"

for i in {01..04}; do
    nohup minio server --address ":90${i}" http://127.0.0.1:9001/root/minio-install/data1 http://127.0.0.1:9002/root/minio-install/data2  http://127.0.0.1:9003/root/minio-install/data3 http://127.0.0.1:9004/root/minio-install/data4 > "/root/minio-install/90${i}.log"& 2>&1
done

启动该minio集群,并查看启动状态:

# bash startup_minio.sh

# ps -ef|grep minio

root      1218     1 11 21:58 pts/5    00:00:01 minio server --address :9001 http://127.0.0.1:9001/root/minio-install/data1 http://127.0.0.1:9002/root/minio-install/data2 http://127.0.0.1:9003/root/minio-install/data3 http://127.0.0.1:9004/root/minio-install/data4
root      1219     1 11 21:58 pts/5    00:00:01 minio server --address :9002 http://127.0.0.1:9001/root/minio-install/data1 http://127.0.0.1:9002/root/minio-install/data2 http://127.0.0.1:9003/root/minio-install/data3 http://127.0.0.1:9004/root/minio-install/data4
root      1220     1  3 21:58 pts/5    00:00:00 minio server --address :9003 http://127.0.0.1:9001/root/minio-install/data1 http://127.0.0.1:9002/root/minio-install/data2 http://127.0.0.1:9003/root/minio-install/data3 http://127.0.0.1:9004/root/minio-install/data4
root      1221     1 11 21:58 pts/5    00:00:01 minio server --address :9004 http://127.0.0.1:9001/root/minio-install/data1 http://127.0.0.1:9002/root/minio-install/data2 http://127.0.0.1:9003/root/minio-install/data3 http://127.0.0.1:9004/root/minio-install/data4

root@instance-cspzrq3u:~/minio-install# ls
9001.log  9002.log  9003.log  9004.log  data1  data2  data3  data4  startup_minio.sh
root@instance-cspzrq3u:~/minio-install# tail -100f 9001.log

Formatting 1 zone, 1 set(s), 4 drives per set.
Attempting encryption of all config, IAM users and policies on MinIO backend
Status:         4 Online, 0 Offline.
Endpoint:  http://192.168.16.4:9001  http://172.17.0.1:9001  http://172.18.0.1:9001  http://127.0.0.1:9001       

Browser Access:
   http://192.168.16.4:9001  http://172.17.0.1:9001  http://172.18.0.1:9001  http://127.0.0.1:9001       

.... ...

2. mc配置与管理

minio官方提供了mc命令行工具,用于对minio server进行管理。我们首先要为mc创建一个管理本地minio server(:9001)的配置:

# mc config host add myminio http://localhost:9001 minio minio123
Added `myminio` successfully.

这里我们使用mc添加了一个所谓”host”,指向上面创建的minio server(:9001)。上面的命令实质上是在~/.mc/config.json中写入了如下配置:

# cat ~/.mc/config.json
{
    "version": "9",
    "hosts": {
        "myminio": {
            "url": "http://localhost:9001",
            "accessKey": "minio",
            "secretKey": "minio123",
            "api": "s3v4",
            "lookup": "auto"
        }
    }
}

接下来,我们通过mc命令在minio集群中添加三个bucket:

root@instance-cspzrq3u:~# mc mb myminio/image
Bucket created successfully `myminio/image`.
root@instance-cspzrq3u:~# mc mb myminio/video
Bucket created successfully `myminio/video`.
root@instance-cspzrq3u:~# mc mb myminio/audio
Bucket created successfully `myminio/audio`.
root@instance-cspzrq3u:~# mc ls myminio
[2020-03-16 15:19:55 CST]      0B audio/
[2020-03-16 15:19:48 CST]      0B image/
[2020-03-16 15:19:52 CST]      0B video/

新创建的bucket默认的访问policy是none,即外部无访问权限:

root@instance-cspzrq3u:~# mc policy get myminio/image
Access permission for `myminio/image` is `none`

根据我们的设计,我们需要给这三个bucket添加外部可读取权限,以image这个bucket为例:

root@instance-cspzrq3u:~# mc policy set download myminio/image
Access permission for `myminio/image` is set to `download`
root@instance-cspzrq3u:~# mc policy get myminio/image
Access permission for `myminio/image` is `download`

3. load balancer设置

这里我们使用一个nginx前置在minio集群外部,下面是为minio创建的nginx配置文件(/etc/nginx/conf.d/minio.conf):

// /etc/nginx/conf.d/minio.conf

 upstream minio_cluster {
    server localhost:9001;
    server localhost:9002;
    server localhost:9003;
    server localhost:9004;
 }

server {
 listen 9000;
 server_name myminio.tonybai.com;

 # To allow special characters in headers
 ignore_invalid_headers off;
 # Allow any size file to be uploaded.
 # Set to a value such as 1000m; to restrict file size to a specific value
 client_max_body_size 0;
 # To disable buffering
 proxy_buffering off;

location / {

   proxy_set_header X-Real-IP $remote_addr;
   proxy_set_header X-Forwarded-For $proxy_add_x_forwarded_for;
   proxy_set_header X-Forwarded-Proto $scheme;
   proxy_set_header Host $http_host;

   proxy_connect_timeout 300;
   # Default is HTTP/1, keepalive is only enabled in HTTP/1.1
   proxy_http_version 1.1;
   proxy_set_header Connection "";
   chunked_transfer_encoding off;

   proxy_pass http://minio_cluster;
}

location /image/ {
   proxy_set_header X-Real-IP $remote_addr;
   proxy_set_header X-Forwarded-For $proxy_add_x_forwarded_for;
   proxy_set_header X-Forwarded-Proto $scheme;
   proxy_set_header Host $http_host;

   proxy_connect_timeout 300;
   # Default is HTTP/1, keepalive is only enabled in HTTP/1.1
   proxy_http_version 1.1;
   proxy_set_header Connection "";
   chunked_transfer_encoding off;
   client_max_body_size 1000m;
   proxy_buffering off;

   proxy_pass http://minio_cluster;
 }
}

重启nginx(nginx -s reload)。

我们使用浏览器访问一下 http://myminio.tonybai.com:9000/ ,登录后,你将看到如下页面:

图:浏览器访问minio web

选择左侧的”image” bucket,点击右下角的”+”号,我们可以上传一张图片:gopher-daily-logo.png,上传后,我们退出登录。然后通过地址 http://myminio.tonybai.com:9000/image/gopher-daily-logo.png 访问该图片。你也可以通过wget命令下载该图片:

$wget -c http://myminio.tonybai.com:9000/image/gopher-daily-logo.png
--2020-03-16 15:40:20--  http://myminio.tonybai.com:9000/image/gopher-daily-logo.png
正在解析主机 myminio.tonybai.com (myminio.tonybai.com)... 106.12.69.83
正在连接 myminio.tonybai.com (myminio.tonybai.com)|106.12.69.83|:9000... 已连接。
已发出 HTTP 请求,正在等待回应... 200 OK
长度:59736 (58K) [image/png]
正在保存至: “gopher-daily-logo.png”

gopher-daily-logo.png        100%[============================================>]  58.34K   253KB/s  用时 0.2s   

2020-03-16 15:40:20 (253 KB/s) - 已保存 “gopher-daily-logo.png” [59736/59736])

4. 对象清除

我们的需求中,bucket中的数据对象的生命周期是7天,我们可以使用定时工具或一个job通过mc工具对这些过期对象进行清除,比如我们每隔5分钟执行一次下面的命令:

$mc rm --recursive --force --newer-than 7d myminio/image/

该命令将递归删除image bucket下早于7天前创建的数据对象。rm命令支持各种条件组合,具体可参考一下mc rm的manual。

四. 小结

至此,使用minio搭建高性能对象存储的第一步:原型算是顺利搭建ok了。相信在后续对minio的深入使用和了解后,会有更多关于minio的内容和大家分享。

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