随着数据规模和计算需求的急剧增长,传统的文件系统难以满足企业对海量数据存储和高速访问的需求。XTX作为一家领先的算法交易公司,面临着管理数百PB存储和数万台计算节点的挑战,开始研发自己的分布式文件系统 - - TernFS,以应对极端规模和多区域部署的需求。TernFS不仅面向现在,也为未来存储的可扩展性和可靠性奠定了坚实基础。TernFS的规模设计目标十分宏大,支持多达数十亿GB(Exabyte)容量,能够管理数万亿个文件,并承载百万级别并发客户端访问。这种设计确保了系统从根本上能够满足超级计算和大规模机器学习任务的存储性能与容量需求。系统采用横向扩展的设计思想,将文件系统元数据划分为256个逻辑分片,每个分片独立处理文件目录结构和元数据,避免了单点瓶颈。
各个分片之间通过一个称为跨目录协调器(CDC)的组件协同处理跨分片操作,确保跨目录的事务一致性。TernFS的核心架构分为四大模块:元数据分片服务、跨目录协调器、块服务及注册中心。元数据分片服务负责维护文件和目录的结构信息及属性,采用基于Raft算法的分布式共识机制来保证数据一致性和高可用性。跨目录协调器专门管理涉及多个元数据分片的事务,虽然成为部分操作的性能瓶颈,但在当前设计下满足了绝大多数使用场景。块服务则负责存储文件的实际内容,通常对应物理硬盘或闪存驱动器,支持通过TCP协议进行高速数据流式传输。注册中心则负责服务发现,追踪各组件的网络位置、角色状态及容量统计,确保客户端能够精准定位和访问所需服务。
值得关注的是,TernFS采用文件不可变设计理念 - - 一旦写入完成,文件内容无法再被修改。该设计简化了一致性模型,并将"写入中"文件与"已完成"文件明确区分,避免用户看到半写入状态。为突破传统POSIX接口限制,开发团队基于Linux内核开发了专有内核模块,使得绝大部分应用无需改动即可流畅运行在TernFS上。尽管部分极端用例需采取先写临时文件再复制的方法,但整体兼容性和性能表现优异。存储安全性方面,TernFS设计了多层保障措施。首先,文件被切分为大小不超过100MB的段(spans),每段进一步编码为数据块和冗余块,支持用户基于目录策略灵活配置数据块数量D和奇偶校验块数量P。
最常用配置为D=10,P=4,即最多可以容忍4块丢失依然能完整恢复数据。使用Reed-Solomon编码保证了存储空间的经济性和数据完整性。与此同时,所有数据块都采用CRC32-C校验,嵌入在每4KB的数据页后面,硬件层面支持加速计算,能及时发现并隔离数据损坏。这种方式不仅支持对大块数据的改动页面校验,还能通过本地读取执行主动数据擦洗,防止持续冷数据腐蚀隐患。文件块的存储选址充分考虑了硬件成本和性能需求。对于热数据或随机访问场景,优选闪存驱动器,保障访问延迟;而对于大容量顺序读写数据,采用高速旋转磁盘,提升性价比和吞吐效率。
为降低相关驱动和服务器故障带来的风险,TernFS引入失效域概念,将同一物理服务器上的多块磁盘视作一个失效域,确保同一文件的多个数据块不会落于同一失效域内,极大增强抗灾能力。文件块分布的随机化策略虽存在理论概率造成灾难性数据缺失,但结合数据中心级别的多副本异步跨地域复制,使得驱动大规模故障对业务影响几乎为零。通过主动数据迁移和故障检测,进一步强化存储体系的稳定运行。在全球多地域部署方面,TernFS支持不同区域间的异步数据复制,允许各地域节点最终收敛相同数据集。元数据主写入定于主数据中心,其他区域通过同步过程接受更新,虽然会带来一定的写入延迟,但并未影响整体访问性能和数据完整性。文件内容则优先本地写入,通过后台任务和客户端请求驱动的按需复制实现跨区域数据同步。
这种架构展现出灵活的容灾能力,并能适配多样的资源配备和存储硬件组合。交流协议方面,TernFS自主设计了高效的网络接口,基于特定的无状态UDP协议处理元数据请求,简化服务端的连接管理和负载均衡。块存储采用面向TCP的稳定传输方式,以支持大文件连续读写。为了增强易用性和扩展性,还提供了兼容S3的网关和可视化的Web界面,方便非本地用户和管理人员操作与监控。此外,基于Go语言开发的客户端库和辅助管理工具极大提升了自动化水平和用户体验。在保障数据完整和安全方面,TernFS引进了"区块证明"机制,即写或删块操作均需对应的加密签名校验,阻止恶意或错误客户端破坏文件系统。
结合强一致性的元数据管理和主动的健康扫描组件(scrubber),有效防止硬盘坏块和腐败数据长期潜伏,确保大规模数据集的长期可用。文件系统还内置了轻量级快照和回收机制,具备较强的误操作恢复能力。通过快照弱引用保存删除文件,结合外部垃圾回收进程定时清理过期数据,在保证数据安全与释放存储空间间达成平衡。针对日常运维,TernFS丰富的日志、指标和报警集成确保了运维人员能够及时发现潜在风险和性能异常。同时,自动驱动替换与迁移机制适应海量硬件故障的常态,保证系统持续健康运行。XTX通过自研TernFS实现了自身机群和存储资源的最大化利用率和成本效益。
一方面,基于准确匹配算法需求打造的专属存储方案简化了架构,提升了系统的整体响应和可靠性;另一方面,开源分享加速了行业发展,推动更多企业迈向万亿文件级的分布式存储实践。TernFS以其跨地域、多硬件环境兼容、极端可扩展性和数据安全性,成为高性能分布式文件系统领域的典范。未来,随着多主协议、权限管理等功能的持续完善,TernFS有望在更多场景发挥革命性作用,助力海量数据时代的数字化和智能化变革。 。
