Minio纠删码与存储级别

纠删码(`erasure code`)概念

简单来说就是可以通过数学计算，把丢失的数据进行还原，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。举个最简单例子就是有两个数据(d1, d2)，用一个校验和y（d1 + d2 = y）即可保证即使丢失其中一个，依然可以还原数据。如丢失 d1 ，则使用 y - d2 = d1 还原，同理，d2 丢失或者y丢失，均可通过计算得出。

EC 的具体应用实现中， RS（Reed-Solomen）是 EC 的一种更简单快捷的实现，可以通过矩阵运算，还原数据。具体的数学矩阵运算及证明，可以参考文章《Erasure-Code-擦除码-1-原理篇》及《EC纠删码原理》。

Minio采用Reed-Solomon code（纠删码中的一种）将对象拆分成m份数据和n份奇偶校验块。

Minio中的纠删码

首先需要了解如下基本概念：

Drive：即存储数据的磁盘，在 MinIO 启动时，以参数的方式传入。
Erasure Set：即一组 Drive 的集合，分布式部署根据集群规模自动划分一个或多个 Erasure Set（每个Erasure Set包含4到16个Drive），每个 Erasure Set 中的 Drive 分布在不同位置。一个对象存储在一个 Erasure Set 上。

Minio采用Reed-Solomon code纠删码实现数据的冗余。对象通过Hash均匀分布在所在的Erasure Set中。在Minio中用格式（EC:N），其中N表示EC（m+n），m为数据块的数量，n为校验块parity的数量。Minio的读操作，需要的磁盘数量为：Erasure Set中m个磁盘，写操作需要m+1个磁盘。

对于小文件（小于2M），数据和元数据都同时保存在对应的xl.meta的文件中。对应大文件的写入，会创建相应的目录，该目录下是对应的part的数据文件和元数据文件。

由上两图可知：每个bucket对应一个同名本地目录，每个对象也对应一个同名的目录，下面存数据和元数据。

Minio中的存储级别

Minio当前支持两种存储级别：Reduced Redundancy和Standard，通过对两种级别的设置来修改对象的Parity Drives (P)（奇偶校验块）和Data Drives (D)（数据块）的比例，让用户能够更好的控制磁盘使用率和容错性。

介绍

STANDARD

STANDARD存储级别包含比REDUCED_REDUNDANCY存储级别更多的奇偶校验块，因此STANDARD存储级别的奇偶校验块需要满足如下条件：

在未设置REDUCED_REDUNDANCY存储级别的情况下，STANDARD存储级别的奇偶校验块需要大于等于2；
在设置了REDUCED_REDUNDANCY存储级别的情况下，STANDARD存储级别的奇偶校验块需要大于REDUCED_REDUNDANCY存储级别的奇偶校验块数量
奇偶校验块的数量必须小于数据块，所以STANDARD存储级别的奇偶校验块不能大于N/2（N为Erasure Set中的磁盘数量）

STANDARD存储级别的奇偶校验块的默认值取决于Erasure Set中的磁盘数量：

Erasure Set Size	Default Parity (EC:N)
5 or fewer	EC:2
6-7	EC:3
8 or more	EC:4

补充说明：在RELEASE.2021-01-30T00-20-58Z以前的版本中，STANDARD存储级别的奇偶校验块默认为N/2（N为Erasure Set中的磁盘数量）

REDUCED_REDUNDANCY

REDUCED_REDUNDANCY存储级别包含比STANDARD存储级别更少的奇偶校验块，因此REDUCED_REDUNDANCY存储级别的奇偶校验块需要满足如下条件：

在未设置STANDARD存储级别的情况下，REDUCED_REDUNDANCY存储级别的奇偶校验块需要小于N/2
在设置了STANDARD存储级别的情况下，REDUCED_REDUNDANCY存储级别的奇偶校验块需要小于STANDARD存储级别的奇偶校验块数量
奇偶校验块的数量必须小于数据块，且REDUCED_REDUNDANCY存储级别的奇偶校验块需要小于STANDARD存储级别的奇偶校验块数量，那么REDUCED_REDUNDANCY存储级别的奇偶校验块需要大于等于2，所以Erasure Set中的磁盘数量大于4的时候才支持REDUCED_REDUNDANCY存储级别。

REDUCED_REDUNDANCY存储级别的奇偶校验块默认值为：EC:2

使用

配置存储级别

有以下两种配置方式：

环境变量

export MINIO_STORAGE_CLASS_STANDARD=EC:4
export MINIO_STORAGE_CLASS_RRS=EC:2

设置以上环境变量并重启服务

mc admin

mc admin config set myminio/ storage_class standard="EC:4"
mc admin config set myminio/ storage_class rrs="EC:2"# 重启minio服务
mc admin service restart myminio/

对象存储级别选取

在对象上传时，通过设置x-amz-storage-class元数据为REDUCED_REDUNDANCY或STANDARD来为对象选择不同的存储级别，以下为python示例：

minioClient = Minio("localhost:9000", "YOUR-ACCESSKEYID", "YOUR-SECRETACCESSKEY", true)metadata={'x-amz-storage-class': 'REDUCED_REDUNDANCY'}
# metadata={'x-amz-storage-class': 'STANDARD'}
minioClient.put_object("mybucket", "myobject", BytesIO(b"hello"),metadata=metadata,length=5
)

备注：

如果minio在启动前未自定义存储级别(storage class )，minio使用各模式存储级别的默认值进行对象储存。
当上传对象时，如果没有设置x-amz-storage-class元数据，minio使用STANDARD模式的存储级别进行对象存储。

参考：

https://github.com/minio/minio/tree/master/docs/erasure/storage-class

https://github.com/minio/minio/tree/master/docs/config#storage-class

https://zhuanlan.zhihu.com/p/374939519

https://segmentfault.com/a/1190000022524583