【IT168 專稿】8月27日下午，在IT168系統(tǒng)架構(gòu)師大會存儲與系統(tǒng)架構(gòu)分論壇上，淘寶網(wǎng)技術(shù)委員會主席，淘寶網(wǎng)核心工程師章文嵩向我們詳細介紹了淘寶網(wǎng)圖片處理與存儲系統(tǒng)的架構(gòu)。章文嵩博士的演講日程包括了淘寶的整個系統(tǒng)架構(gòu)、淘寶圖片存儲系統(tǒng)架構(gòu)，淘寶網(wǎng)獨立開發(fā)的TFS集群文件系統(tǒng)，前端CDN系統(tǒng)以及淘寶網(wǎng)在節(jié)能服務器方面的應用和探索。

　　本文側(cè)重介紹淘寶網(wǎng)后臺的圖片存儲系統(tǒng)架構(gòu)、包括TFS集群文件系統(tǒng)，以及前端處理服務器架構(gòu)。

　　解決海量并發(fā)小文件的系統(tǒng)噩夢

　　對于淘寶網(wǎng)這類型訪問量極高的電子交易網(wǎng)站來說，對圖片系統(tǒng)的要求和日常的照片分享完全不在一個級別。日常照片分享往往集中在幾個有限的親朋好友之間，訪問量不會特別高，而淘寶網(wǎng)商鋪中的商品照片，尤其是熱門商品，圖片的訪問流量其實是非常大的。而且對于賣家來說，圖片遠勝于文字描述，因此賣家也格外看重圖片的顯示質(zhì)量、上傳時間、訪問速度等等問題。根據(jù)淘寶網(wǎng)的流量分析，整個淘寶網(wǎng)流量中，圖片的訪問流量會占到90%以上，而主站的網(wǎng)頁則占到不到10%。

淘寶網(wǎng)電子商城首頁截圖，淘寶網(wǎng)的后端系統(tǒng)上保存著286億多個圖片文件，淘寶網(wǎng)整體流量中，圖片的訪問流量要占到90%以上。且這些圖片平均大小為17.45KB，小于8K的圖片占整體圖片數(shù)量61%，整體系統(tǒng)容量的11%

　　與此同時，這些圖片的存儲與讀取還有一些頭疼的要求：例如，這些圖片要求根據(jù)不同的應用位置，生成不同大小規(guī)格的縮略圖。考慮到多種不同的應用場景以及改版的可能性，一張原圖有可能需要生成20多個不同尺寸規(guī)格的縮略圖。

　　淘寶整體圖片存儲系統(tǒng)容量1800TB（1.8PB），已經(jīng)占用空間990TB（約1PB）。保存的圖片文件數(shù)量達到286億多個，這些圖片文件包括根據(jù)原圖生成的縮略圖。平均圖片大小是17.45K；8K以下圖片占圖片數(shù)總量的61%，占存儲容量的11%。

　　這就給淘寶網(wǎng)的系統(tǒng)帶來了一個巨大的挑戰(zhàn)，眾所周知，對于大多數(shù)系統(tǒng)來說，最頭疼的就是大規(guī)模的小文件存儲與讀取，因為磁頭需要頻繁的尋道和換道，因此在讀取上容易帶來較長的延時。在大量高并發(fā)訪問量的情況下，簡直就是系統(tǒng)的噩夢。

　　分析自主研發(fā)和商用系統(tǒng)的經(jīng)濟效益

　　淘寶網(wǎng)成立于2003年，在整個系統(tǒng)的構(gòu)建和規(guī)劃上也做過相當多的嘗試和探索。

　　下圖是淘寶網(wǎng)2007年之前的圖片存儲系統(tǒng)。淘寶網(wǎng)之前一直采用的商用存儲系統(tǒng)，應用NetApp公司的文件存儲系統(tǒng)。隨著淘寶網(wǎng)的圖片文件數(shù)量以每年2倍(即原來3倍)的速度增長，淘寶網(wǎng)后端NetApp公司的存儲系統(tǒng)也從低端到高端不斷遷移，直至2006年，即時是NetApp公司最高端的產(chǎn)品也不能滿足淘寶網(wǎng)存儲的要求。

淘寶網(wǎng)2007年以前的圖片存儲系統(tǒng)架構(gòu)圖，由于淘寶網(wǎng)圖片速度已每年2倍的速度增長，商用系統(tǒng)已經(jīng)完全不能滿足其存儲需求，目前淘寶網(wǎng)采用自主研發(fā)的TFS集群文件系統(tǒng)來解決海量小圖片的讀取和訪問問題。

　　章文嵩博士在這里總結(jié)了幾點商用存儲系統(tǒng)的局限和不足：

　　首先是商用的存儲系統(tǒng)沒有對小文件存儲和讀取的環(huán)境進行有針對性的優(yōu)化；其次，文件數(shù)量大，網(wǎng)絡存儲設(shè)備無法支撐；另外，整個系統(tǒng)所連接的服務器也越來越多，網(wǎng)絡連接數(shù)已經(jīng)到達了網(wǎng)絡存儲設(shè)備的極限。此外，商用存儲系統(tǒng)擴容成本高，10T的存儲容量需要幾百萬￥，而且存在單點故障，容災和安全性無法得到很好的保證。

　　談到在商用系統(tǒng)和自主研發(fā)之間的經(jīng)濟效益對比，章文嵩博士列舉了以下幾點經(jīng)驗：

　　1. 商用軟件很難滿足大規(guī)模系統(tǒng)的應用需求，無論存儲還是CDN還是負載均衡，因為在廠商實驗室端，很難實現(xiàn)如此大的數(shù)據(jù)規(guī)模測試。

　　2. 研發(fā)過程中，將開源和自主開發(fā)相結(jié)合，會有更好的可控性，系統(tǒng)出問題了，完全可以從底層解決問題，系統(tǒng)擴展性也更高。

自主研發(fā)和采用商用系統(tǒng)的經(jīng)濟效益對比

　　3. 在一定規(guī)模效應基礎(chǔ)上，研發(fā)的投入都是值得的。上圖是一個自主研發(fā)和購買商用系統(tǒng)的投入產(chǎn)出比對比，實際上，在上圖的交叉點左邊，購買商用系統(tǒng)都是更加實際和經(jīng)濟性更好的選擇，只有在規(guī)模超過交叉點的情況下，自主研發(fā)才能收到較好的經(jīng)濟效果，實際上，規(guī)模化達到如此程度的公司其實并不多，不過淘寶網(wǎng)已經(jīng)遠遠超過了交叉點。

　　4. 自主研發(fā)的系統(tǒng)可在軟件和硬件多個層次不斷的優(yōu)化。

　　TFS 1.0版本的集群文件系統(tǒng)

　　從2006年開始，淘寶網(wǎng)決定自己開發(fā)一套針對海量小文件存儲難題的文件系統(tǒng)，用于解決自身圖片存儲的難題。到2007年6月，TFS(淘寶文件系統(tǒng)，Taobao File System)正式上線運營。在生產(chǎn)環(huán)境中應用的集群規(guī)模達到了200臺PC Server(146G*6 SAS 15K Raid5)，文件數(shù)量達到上億級別；系統(tǒng)部署存儲容量: 140 TB；實際使用存儲容量: 50 TB；單臺支持隨機IOPS 200+，流量3MBps。

淘寶集群文件系統(tǒng)TFS 1.0第一版的邏輯架構(gòu)，TFS最大的特點就是將一部分元數(shù)據(jù)隱藏到圖片的保存文件名上，大大簡化了元數(shù)據(jù)，消除了管理節(jié)點對整體系統(tǒng)性能的制約，這一理念和目前業(yè)界流行的“對象存儲”較為類似。

　　圖為淘寶集群文件系統(tǒng)TFS 1.0第一版的邏輯架構(gòu)：集群由一對Name Server和多臺Data Server構(gòu)成，Name Server的兩臺服務器互為雙機，就是集群文件系統(tǒng)中管理節(jié)點的概念。

　　? 每個Data Server運行在一臺普通的Linux主機上

　　? 以block文件的形式存放數(shù)據(jù)文件(一般64M一個block)

　　? block存多份保證數(shù)據(jù)安全

　　? 利用ext3文件系統(tǒng)存放數(shù)據(jù)文件

　　? 磁盤raid5做數(shù)據(jù)冗余

　　? 文件名內(nèi)置元數(shù)據(jù)信息，用戶自己保存TFS文件名與實際文件的對照關(guān)系–使得元數(shù)據(jù)量特別小。

　　淘寶TFS文件系統(tǒng)在核心設(shè)計上最大的取巧的地方就在，傳統(tǒng)的集群系統(tǒng)里面元數(shù)據(jù)只有1份，通常由管理節(jié)點來管理，因而很容易成為瓶頸。而對于淘寶網(wǎng)的用戶來說，圖片文件究竟用什么名字來保存實際上用戶并不關(guān)心，因此TFS在設(shè)計規(guī)劃上考慮在圖片的保存文件名上暗藏了一些元數(shù)據(jù)信息，例如圖片的大小、時間、訪問頻次等等信息，包括所在的邏輯塊號。而在元數(shù)據(jù)上，實際上保存的信息很少，因此元數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)非常簡單。僅僅只需要一個fileID，能夠準確定位文件在什么地方。

　　由于大量的文件信息都隱藏在文件名中，整個系統(tǒng)完全拋棄了傳統(tǒng)的目錄樹結(jié)構(gòu)，因為目錄樹開銷最大。拿掉后，整個集群的高可擴展性極大提高。實際上，這一設(shè)計理念和目前業(yè)界的“對象存儲”較為類似，淘寶網(wǎng)TFS文件系統(tǒng)已經(jīng)更新到1.3版本，在生產(chǎn)系統(tǒng)的性能已經(jīng)得到驗證，且不斷得到了完善和優(yōu)化，淘寶網(wǎng)目前在對象存儲領(lǐng)域的研究已經(jīng)走在前列。

　　TFS 1.3版本的集群文件系統(tǒng)

　　到2009年6月，TFS 1.3版本上線，集群規(guī)模大大擴展，部署到淘寶的圖片生產(chǎn)系統(tǒng)上，整個系統(tǒng)已經(jīng)從原有200臺PC服務器擴增至440臺PC Server(300G*12 SAS 15K RPM)+30臺PC Server (600G*12 SAS 15K RPM)。支持文件數(shù)量也擴容至百億級別；系統(tǒng)部署存儲容量：1800TB(1.8PB)；當前實際存儲容量：995TB；單臺Data Server支持隨機IOPS 900+，流量15MB+;目前Name Server運行的物理內(nèi)存是217MB(服務器使用千兆網(wǎng)卡)。

TFS 1.3版本邏輯結(jié)構(gòu)圖

　　圖為TFS1.3版本的邏輯結(jié)構(gòu)圖，在TFS1.3版本中，淘寶網(wǎng)的軟件工作組重點改善了心跳和同步的性能，最新版本的心跳和同步在幾秒鐘之內(nèi)就可完成切換，同時進行了一些新的優(yōu)化：包括元數(shù)據(jù)存內(nèi)存上，清理磁盤空間，性能上也做了優(yōu)化，包括：

• 完全扁平化的數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)，拋棄了傳統(tǒng)文件系統(tǒng)的目錄結(jié)構(gòu)。
• 在塊設(shè)備基礎(chǔ)上建立自有的文件系統(tǒng)，減少EXT3等文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)碎片帶來的性能損耗。
• 單進程管理單塊磁盤的方式，摒除RAID5機制。
• 帶有HA機制的中央控制節(jié)點，在安全穩(wěn)定和性能復雜度之間取得平衡。
• 盡量縮減元數(shù)據(jù)大小，將元數(shù)據(jù)全部加載入內(nèi)存，提升訪問速度。
• 跨機架和IDC的負載均衡和冗余安全策略。
• 完全平滑擴容。

　　在后面“圖片服務器部署與緩存”一節(jié)中詳細介紹了淘寶網(wǎng)整個圖片處理系統(tǒng)的拓撲圖。我們可以看到，TFS在淘寶的部署環(huán)境中前端有兩層緩沖，到達TFS系統(tǒng)的請求非常離散，所以TFS內(nèi)部是沒有任何數(shù)據(jù)的內(nèi)存緩沖的，包括傳統(tǒng)文件系統(tǒng)的內(nèi)存緩沖也不存在。

　　TFS主要的性能參數(shù)不是IO吞吐量，而是單臺PCServer提供隨機讀寫IOPS。由于大家硬件型號不同，當然也是因為一些技術(shù)保密的原因，淘寶網(wǎng)很難給出一個參考值來說明性能。但基本上可以達到單塊磁盤隨機IOPS理論最大值的60%左右，整機的輸出隨盤數(shù)增加而線性增加。

　　開發(fā)中的TFS2.0與開源TFS

　　TFS 2.0已經(jīng)在開發(fā)過程中，主要解決的問題是大文件存儲的難題。TFS最早開發(fā)的時候針對小文件頻繁并發(fā)讀取的難題而開發(fā)，設(shè)計的塊大小是64MB，意味著每個文件小于64MB，這對于一般的圖片存儲來說完全足夠用了，但對于大文件存儲還有一些瓶頸。

　　TFS 2.0將重點針對大文件跨越塊的存儲進行優(yōu)化。此外，還包括SSD、SAS硬盤不同硬盤特性的應用優(yōu)化。根據(jù)淘寶網(wǎng)的資料數(shù)據(jù)，SSD的存儲成本大約是20￥每GB左右，SAS硬盤的存儲成本約在5-6￥每GB，SATA盤的每GB成本不到1￥。隨著對應用性能的要求提升，應用SSD是未來的趨勢，針對不同硬盤的存取特性進行優(yōu)化是十分必要的。

　　此外，章文嵩宣布，TFS將在9月份完全開源，完全開源則意味著淘寶網(wǎng)將提供所有的源代碼，開源版本的TFS將與淘寶網(wǎng)線上應用的系統(tǒng)完全一致。

　　圖片服務器部署與緩存

淘寶網(wǎng)圖片存儲與處理系統(tǒng)全局拓撲，圖片服務器前端還有一級和二級緩存服務器，盡量讓圖片在緩存中命中，最大程度的避免圖片熱點，實際上后端到達TFS的流量已經(jīng)非常離散和平均

　　上圖為淘寶網(wǎng)整體系統(tǒng)的拓撲圖結(jié)構(gòu)。整個系統(tǒng)就像一個龐大的服務器一樣，有處理單元、緩存單元和存儲單元。前面已經(jīng)詳細介紹過了后臺的TFS集群文件存儲系統(tǒng)，在TFS前端，還部署著200多臺圖片文件服務器，用Apatch實現(xiàn)，用于生成縮略圖的運算。

　　這里需要補充一點，根據(jù)淘寶網(wǎng)的縮略圖生成規(guī)則，縮略圖都是實時生成的。這樣做的好處有兩點：一是為了避免后端圖片服務器上存儲的圖片數(shù)量過多，大大節(jié)約后臺存儲空間的需求，淘寶網(wǎng)計算，采用實時生成縮略圖的模式比提前全部生成好縮略圖的模式節(jié)約90%的存儲空間，也就是說，存儲空間只需要后一種模式的10%；二是，縮略圖可根據(jù)需要實時生成出來，更為靈活。

　　圖片文件服務器的前端則是一級緩存和二級緩存，前面還有全局負載均衡的設(shè)置，解決圖片的訪問熱點問題。圖片的訪問熱點一定存在，重要的是，讓圖片盡量在緩存中命中。目前淘寶網(wǎng)在各個運營商的中心點設(shè)有二級緩存，整體系統(tǒng)中心店設(shè)有一級緩存，加上全局負載均衡，傳遞到后端TFS的流量就已經(jīng)非常均衡和分散了，對前端的響應性能也大大提高。

　　根據(jù)淘寶的緩存策略，大部分圖片都盡量在緩存中命中，如果緩存中無法命中，則會在本地服務器上查找是否存有原圖，并根據(jù)原圖生成縮略圖，如果都沒有命中，則會考慮去后臺TFS集群文件存儲系統(tǒng)上調(diào)取，因此，最終反饋到TFS集群文件存儲系統(tǒng)上的流量已經(jīng)被大大優(yōu)化了。

　　淘寶網(wǎng)將圖片處理與緩存編寫成基于Nginx的模塊，淘寶網(wǎng)認為Nginx是目前性能最高的HTTP服務器(用戶空間)，代碼清晰，模塊化非常好。淘寶網(wǎng)使用GraphicsMagick進行圖片處理，采用了面向小對象的緩存文件系統(tǒng)，前端有LVS+Haproxy將原圖和其所有縮略圖請求都調(diào)度到同一臺Image Server。

　　文件定位上，內(nèi)存用hash算法做索引，最多一次讀盤。寫盤方式則采用Append方式寫，并采用了淘汰策略FIFO，主要考慮降低硬盤的寫操作，沒有必要進一步提高Cache命中率，因為Image Server和TFS在同一個數(shù)據(jù)中心，讀盤效率還是非常高的。

　　演講人簡介

　　章文嵩博士是淘寶網(wǎng)的研究員，主要負責基礎(chǔ)核心軟件研發(fā)、推進網(wǎng)絡軟硬件方面的性能優(yōu)化、搭建下一代高可擴展低碳低成本淘寶電子商務基礎(chǔ)設(shè)施。他也是開放源碼及Linux內(nèi)核的開發(fā)者，著名的Linux集群項目--LVS (Linux Virtual Server)的創(chuàng)始人和主要開發(fā)人員，LVS集群代碼已在Linux 2.4和2.6的官方內(nèi)核中。在設(shè)計和架構(gòu)大型系統(tǒng)、系統(tǒng)軟件開發(fā)、Linux操作系統(tǒng)、系統(tǒng)安全和軟件開發(fā)管理上有著豐富的經(jīng)驗。他一直在自由軟件的開發(fā)上花費時間，并以此為樂。

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總結(jié)

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