Storage-Minio的原理和K8S部署

一、OSS简介

1.1、Object Storage Service

何为对象存储？我们来看下阿里云 OSS （Object Storage Service）的介绍：https://link.zhihu.com/?target=https%3A//helpcdn.aliyun.com/product/31815.html

对象存储服务（Object Storage Service，OSS）是一种海量、安全、低成本、高可靠的云存储服务，适合存放任意类型的文件。容量和处理能力弹性扩展，多种存储类型供选择，全面优化存储成本。

对于中小型企业，如果不选择存储上云，那么 Minio 是个不错的选择，麻雀虽小，五脏俱全。当然 Minio 除了直接作为对象存储使用，还可以作为云上对象存储服务的网关层，无缝对接到 Amazon S3、MicroSoft Azure。

1.2、OSS相关概念

存储类型（Storage Class）
- OSS提供标准、低频访问、归档、冷归档四种存储类型，全面覆盖从热到冷的各种数据存储场景。其中标准存储类型提供高持久、高可用、高性能的对象存储服务，能够支持频繁的数据访问；低频访问存储类型适合长期保存不经常访问的数据（平均每月访问频率1到2次），存储单价低于标准类型；归档存储类型适合需要长期保存（建议半年以上）的归档数据；冷归档存储适合需要超长时间存放的极冷数据。更多信息，请参见存储类型介绍。
存储空间（Bucket）
- 存储空间是您用于存储对象（Object）的容器，所有的对象都必须隶属于某个存储空间。存储空间具有各种配置属性，包括地域、访问权限、存储类型等。您可以根据实际需求，创建不同类型的存储空间来存储不同的数据。
对象（Object）
- 对象是OSS存储数据的基本单元，也被称为OSS的文件。对象由元信息（Object Meta）、用户数据（Data）和文件名（Key）组成。对象由存储空间内部唯一的Key来标识。对象元信息是一组键值对，表示了对象的一些属性，例如最后修改时间、大小等信息，同时您也可以在元信息中存储一些自定义的信息。
地域（Region）
- 地域表示OSS的数据中心所在物理位置。您可以根据费用、请求来源等选择合适的地域创建Bucket。更多信息，请参见OSS已开通的地域。
访问域名（Endpoint）
- Endpoint表示OSS对外服务的访问域名。OSS以HTTP RESTful API的形式对外提供服务，当访问不同地域的时候，需要不同的域名。通过内网和外网访问同一个地域所需要的域名也是不同的。更多信息，请参见各个Region对应的Endpoint。
访问密钥（AccessKey）
- AccessKey简称AK，指的是访问身份验证中用到的AccessKey ID和AccessKey Secret。OSS通过使用AccessKey ID和AccessKey Secret对称加密的方法来验证某个请求的发送者身份。AccessKey ID用于标识用户；AccessKey Secret是用户用于加密签名字符串和OSS用来验证签名字符串的密钥，必须保密。关于获取AccessKey的方法，请参见创建AccessKey。

二、Minio简介

2.1、Minio

Minio 是一个基于Apache License v2.0开源协议的对象存储服务。它兼容亚马逊S3云存储服务接口，非常适合于存储大容量非结构化的数据，例如图片、视频、日志文件、备份数据和容器/虚拟机镜像等，而一个对象文件可以是任意大小，从几kb到最大5T不等。
Minio是一个非常轻量的服务,可以很简单的和其他应用的结合；
Minio 是个基于 Golang 编写的开源对象存储套件，虽然轻量，却拥有着不错的性能。
官网地址：MinIO | High Performance, Kubernetes Native Object Storage

2.2、Minio应用场景

单主机单硬盘模式
单主机多硬盘模式
多主机多硬盘分布式

2.3、Minio特点

高性能：作为高性能对象存储，在标准硬件条件下它能达到55GB/s的读、35GG/s的写速率
可扩容：不同MinIO集群可以组成联邦，并形成一个全局的命名空间，并跨越多个数据中心
云原生：容器化、基于K8S的编排、多租户支持
Amazon S3兼容：Minio使用Amazon S3 v2 / v4 API。可以使用Minio SDK，Minio Client，AWS SDK和AWS CLI访问Minio服务器。
可对接后端存储: 除了Minio自己的文件系统，还支持DAS、 JBODs、NAS、Google云存储和Azure Blob存储。
SDK支持: 基于Minio轻量的特点，它得到类似Java、Python或Go等语言的sdk支持
Lambda计算: Minio服务器通过其兼容AWS SNS / SQS的事件通知服务触发Lambda功能。支持的目标是消息队列，如Kafka，NATS，AMQP，MQTT，Webhooks以及Elasticsearch，Redis，Postgres和MySQL等数据库。
有操作页面
功能简单: 这一设计原则让MinIO不容易出错、更快启动
支持纠删码：MinIO使用纠删码、Checksum来防止硬件错误和静默数据污染。在最高冗余度配置下，即使丢失1/2的磁盘也能恢复数据

2.4、存储机制（数据编码）

Minio使用纠删码erasure code和校验和checksum。即便丢失一半数量（N/2）的硬盘，仍然可以恢复数据。
校验和
- 保护数据免受硬件故障和无声数据损坏
纠删码
- 纠删码是一种恢复丢失和损坏数据的数学算法，目前，纠删码技术在分布式存储系统中的应用主要有三类，阵列纠删码（Array Code: RAID5、RAID6等）、RS(Reed-Solomon)里德-所罗门类纠删码和LDPC(LowDensity Parity Check Code)低密度奇偶校验纠删码。Erasure Code是一种编码技术，它可以将n份原始数据，增加m份数据，并能通过n+m份中的任意n份数据，还原为原始数据。即如果有任意小于等于m份的数据失效，仍然能通过剩下的数据还原出来。
Reed-Solomon算法
- Minio采用Reed-Solomon code将对象拆分成N/2数据和N/2 奇偶校验块。这就意味着如果是12块盘，一个对象会被分成6个数据块、6个奇偶校验块，可以丢失任意6块盘（不管其是存放的数据块还是奇偶校验块），仍可以从剩下的盘中的数据进行恢复。
- RS code编码数据恢复原理
- RS编码以word为编码和解码单位，大的数据块拆分到字长为w（取值一般为8或者16位）的word，然后对word进行编解码。数据块的编码原理与word编码原理相同，后文中以word为例说明，变量Di, Ci将代表一个word。
- 把输入数据视为向量D=(D1，D2，..., Dn）, 编码后数据视为向量（D1, D2,..., Dn, C1, C2,.., Cm)，RS编码可视为如下（图1）所示矩阵运算。
- 图1最左边是编码矩阵（或称为生成矩阵、分布矩阵，Distribution Matrix），编码矩阵需要满足任意n*n子矩阵可逆。为方便数据存储，编码矩阵上部是单位阵（n行n列），下部是m行n列矩阵。下部矩阵可以选择范德蒙德矩阵或柯西矩阵。

RS最多能容忍m个数据块被删除。数据恢复的过程如下：
- 1、假设D1、D4、C2丢失，从编码矩阵中删掉丢失的数据块/编码块对应的行。（图2、3）
- 2、由于B' 是可逆的，记B'的逆矩阵为 (B'^-1)，则B' * (B'^-1) = I 单位矩阵。两边左乘B' 逆矩阵。（图4、5）
- 3、得到如下原始数据D的计算公式。
- 4、对D重新编码，可得到丢失的编码

存储形式
上图直观地展示了每个节点上的数据存放形式。所有对象的编码块和meta信息，最终是以目录和文件的形式，存储在文件系统上的。
比如My Bucket就是在所有节点的顶级目录创建了对应的目录叫My Bucket。然后当我们上传一个对象的时候，就会在这个对象所对应的Set上面创建一个目录叫My Object，之后把所有编码块的数据跟meta信息都保存在此目录下面，这就是MinIO的真实存储数据的方式。
meta数据是json文件，编码块是part.1文件。黑色的右图是meta信息示例图，里面除了包含正常的meta信息外，还包括了怎样做ec编码，以便之后可以解码出来。

2.5、分布式

分布式好处

分布式Minio可以让你将多块硬盘（甚至在不同的机器上）组成一个对象存储服务。由于硬盘分布在不同的节点上，分布式Minio避免了单点故障

数据保护

分布式Minio采用纠删码来防范多个节点宕机和位衰减bit rot。
分布式Minio至少需要4个硬盘，使用分布式Minio自动引入了纠删码功能。

高可用

单机Minio服务存在单点故障，相反，如果是一个有N块硬盘的分布式Minio,只要有N/2硬盘在线，你的数据就是安全的。不过你需要至少有N/2+1个硬盘来创建新的对象。
例如，一个16节点的Minio集群，每个节点16块硬盘，就算8台服務器宕机，这个集群仍然是可读的，不过你需要9台服務器才能写数据。
注意，只要遵守分布式Minio的限制，你可以组合不同的节点和每个节点几块硬盘。比如，你可以使用2个节点，每个节点4块硬盘，也可以使用4个节点，每个节点两块硬盘，诸如此类。

一致性

Minio在分布式和单机模式下，所有读写操作都严格遵守read-after-write一致性模型。

纠删码

Minio使用纠删码erasure code和校验和checksum来保护数据免受硬件故障和无声数据损坏。即便您丢失一半数量（N/2）的硬盘，您仍然可以恢复数据。

什么是纠删码erasure code?

纠删码是一种恢复丢失和损坏数据的数学算法， Minio采用Reed-Solomon code将对象拆分成N/2数据和N/2 奇偶校验块。这就意味着如果是12块盘，一个对象会被分成6个数据块、6个奇偶校验块，你可以丢失任意6块盘（不管其是存放的数据块还是奇偶校验块），你仍可以从剩下的盘中的数据进行恢复，是不是很NB，感兴趣的同学请自行google。

为什么纠删码有用?

纠删码的工作原理和RAID或者复制不同，像RAID6可以在损失两块盘的情况下不丢数据，而Minio纠删码可以在丢失一半的盘的情况下，仍可以保证数据安全。而且Minio纠删码是作用在对象级别，可以一次恢复一个对象，而RAID是作用在卷级别，数据恢复时间很长。 Minio对每个对象单独编码，存储服务一经部署，通常情况下是不需要更换硬盘或者修复。Minio纠删码的设计目标是为了性能和尽可能的使用硬件加速。

什么是位衰减bit rot保护?

位衰减又被称为数据腐化Data Rot、无声数据损坏Silent Data Corruption,是目前硬盘数据的一种严重数据丢失问题。硬盘上的数据可能会神不知鬼不觉就损坏了，也没有什么错误日志。正所谓明枪易躲，暗箭难防，这种背地里犯的错比硬盘直接咔咔宕了还危险。不过不用怕，Minio纠删码采用了高速 HighwayHash 基于哈希的校验和来防范位衰减。

三、Minio部署

3.1、docker部署

docker pull minio/minio     
docker run -p 9000:9000 minio/minio server /data

3.2、helm部署minio

3.2.1、创建持久化存储

1、给node打标签
	# kubectl label node aliyun_beijing_node01 minio_role=standalone

2、创建storage、PV
# pv 、torageclass是集群资源，不区分名称空间，这里使用了节点亲和性
# cat storage-minio.yaml
apiVersion: storage.k8s.io/v1
kind: StorageClass
metadata:
  name: local-storage-minio
provisioner: kubernetes.io/no-provisioner
volumeBindingMode: WaitForFirstConsumer

---
apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: local-pv-minio
spec:
  capacity:
    storage: 500Gi
  accessModes:
  - ReadWriteOnce
  persistentVolumeReclaimPolicy: Retain
  storageClassName: local-storage-minio
  local:
    path: /storage/data/minio
  nodeAffinity:
    required:
      nodeSelectorTerms:
      - matchExpressions:
        - key: minio_role
          operator: In
          values:
          - standalone
          - distributed

3.2.2、helm部署

更多配置请阅读官网配置示例：https://artifacthub.io/packages/helm/minio/minio

helm upgrade --install minio \
--set persistence.storageClass=local-storage-minio,mode=standalone,accessKey=ACCESSKEY,secretKey=SECRETKEY \
./minio --namespace test-ns

# 更多配置示例
helm install \
--set persistence.enabled=true \
--set service.externalIPs[0]=192.168.1.7 \
--set accessKey=xxxxxxx \
--set secretKey=yyyyyyy \
--set persistence.size=1Gi \
--set resources.requests.memory=1Gi \
--set persistence.storageClass=managed-nfs-storage \
--set mode=distributed,replicas=4 \
minio/minio --generate-name
# 设置persistence.enabled=false 表示不使用持久卷存储数据
	--set persistence.existingClaim=minio-pvc --set persistence.enabled=false
# 分布式创建mode=distributed表示分布式创建, 节点数为4个
# externalIPs外部访问IP
	--set service.externalIPs[0]=192.168.1.7

3.3.3、配置Ingress外部访问

http

apiVersion: extensions/v1beta1
kind: Ingress
metadata:
  name: minio
  annotations:
    kubernetes.io/ingress.class: "nginx-alpha"
    nginx.ingress.kubernetes.io/use-regex: "true"
    nginx.ingress.kubernetes.io/proxy-body-size: 2048m
  namespace: test-ns
spec:
  rules:
  - host: "minio.toptops.top"
    http:
      paths:
      - backend:
          serviceName: minio
          servicePort: 9000
        path: /

如果使用cert-manager自动生成的证书，https域名访问,需要调整values.yaml

[root@master minio]# cat <<EOF> values.yaml
ingress:
  enabled: true
  annotations:
    kubernetes.io/ingress.class: nginx
    kubernetes.io/tls-acme: "true"
  path: /
  hosts:
    - minio.xxxxxx.xxx
  tls:
    - secretName: minio-tls
      hosts:
        - minio.xxxxxx.xxx
accessKey: "xxxxxx"
secretKey: "yyyyyy"
resources:
  requests:
    memory: 1Gi
persistence:
  storageClass: minio-data
  size: 3Gi
EOF

四、SDK

python https://github.com/minio/minio-py
go https://github.com/minio/minio-go
java https://github.com/minio/minio-java

posted @ 2021-05-07 17:25 SRE运维充电站阅读(3862) 评论(0) 编辑收藏举报

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Storage-Minio的原理和K8S部署

一、OSS简介

1.1、Object Storage Service

1.2、OSS相关概念

二、Minio简介

2.1、Minio

2.2、Minio应用场景

2.3、Minio特点

2.4、存储机制（数据编码）

2.5、分布式

三、Minio部署

3.1、docker部署

3.2、helm部署minio

3.2.1、创建持久化存储

3.2.2、helm部署

3.3.3、配置Ingress外部访问

四、SDK

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