微服务之分布式文件系统

背景

传统Web应用中所有的功能部署在一起，图片、文件也在一台服务器；应用微服务架构后，服务之间的图片共享通过FTP+Nginx静态资源的方式进行访问，文件共享通过nfs磁盘挂载的方式进行访问，无论是单体架构还是微服务架构下的应用都存在大量图片、文件读写操作，但是昂贵的磁盘空间、高性能服务器无疑增加了运营成本。

所以我们希望文件服务也能微服务、独立化，这样既能降低运营成本，又能对文件进行统一的管理和维护，所以搭建独立的文件服务是解决文件共享、释放业务系统压力的最优选择。于是便诞生了随行付分布式文件系统简称OSS(Object Storage Service)，提供的海量、安全、低成本、高可靠的云存储服务。它具有与平台无关的RESTful API接口，能够提供数据可靠性和服务可用性。

文件服务的意义

随着互联网图片、视频时代的到来，对文件的处理成为各个业务系统面临的巨大挑战，没有文件服务器之前，系统之间处理图片的方式大相径庭：FTP、NFS、数据库存储等等，虽然都实现了对文件的存储、访问，但是系统之间很难达到文件共享，所以文件服务可以形成一个统一的访问标准，降低各个系统之间的互相依赖，提高开发效率、释放业务系统压力，所以文件服务的意义如下：

降低WEB服务器压力

分担业务服务器的I0、流程负载，将耗费资源的文件访问、读写操作分离到文件服务器，可以提高服务器的性能和稳定性，降低WEB服务器成本。

独立服务易扩展

文件服务像微服务架构独立化，可以有针对性的进行配置提高性能；独立域名让图片管理、CDN缓存文件更方便，随时扩展文件服务器数量，即不影响业务又能增加文件服务器并发访问。

统一访问格式

开发者无需关心存储路径、存储介质、文件备份等，丰富的API帮助系统快速存储、共享文件，提高项目开发速度。

安全认证

文件服务对资源访问可以增加认证、权限等安全措施，防止服务器资源被盗用，有效的隔离了数据访问。

文件服务基本概念

为便于更好的理解对象存储OSS，需要了解对象存储中的几个概念。

对象/文件(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。对象元信息是一个键值对，表示了对象的一些属性，比如最后修改时间、大小等信息，同时用户也可以在元信息中存储一些自定义的信息。对象的生命周期是从上传成功到被删除为止。在整个生命周期内，对象信息不可变更。重复上传同名的对象会覆盖之前的对象，因此，OSS 不支持修改文件的部分内容等操作。

存储空间(Bucket)

存储空间是用于存储对象(Object)的容器，所有的对象都必须隶属于某个存储空间。可以设置和修改存储空间属性用来控制地域、访问权限、生命周期等，这些属性设置直接作用于该存储空间内所有对象，因此可以通过灵活创建不同的存储空间来完成不同的管理功能。

同一个存储空间的内部是扁平的，没有文件系统的目录等概念，所有的对象都直接隶属于其对应的存储空间。

每个用户可以拥有多个存储空间。

存储空间的名称在 OSS 范围内必须是全局唯一的，一旦创建之后无法修改名称。

存储空间内部的对象数目没有限制。

访问密钥(AppKey & AppSecret)

AppKey代表应用身份，AppSecret即应用密钥，用于生成签名认证，请求文件服务时必须要传递appkey和签名生产的token，网关根据请求验证请求的合法性性和时效性。

文件服务的功能

应用场景 功能描述

上传文件 创建存储空间后，您可以上传任意文件到该存储空间

搜索文件 可以在存储空间中搜索文件或文件夹

查看或下载文件 通过文件 URL 查看或者下载文件

删除文件或文件夹 删除单个或者多个文件/文件夹，还可以删除分片上传产生的碎片，节省存储空间

访问权限 可以通过应用授权和桶授权的方式，授予存储空间和对象访问权限的访问策略

访问信息 自动记录对OSS资源的详细访问信息

防盗链 防止OSS上的数据被其他人盗用，设置防盗链

监控服务 预警OSS服务使用情况的实时信息，如基本的系统运行状态和性能

API和SDK OSS 提供 RESTful API和各种语言的SDK开发包方便您快速进行二次开发

架构设计

OSS以分布式文件系统ceph作为底层存储，支持SDK或者浏览器以http的形式上传和下载文件，网关负责路由访问请求到文件服务集群ossWork，ossWork生成文件唯一保存路径后存储文件到ceph，并返回加密后访问地址给用户。 架构图如下：

原理介绍：

1.OSS采用OpenResty作为网关处理请求转发和校验,OpenResty汇聚了nginx的核心功能模块，还支持 lua 脚本方便对nginx功能的扩展，而且nginx多路复用机制和非阻塞的IO非常适合耗时短、业务简单的校验操作：权限验证、防盗链、黑白名单等，不仅如此nginx还能作为网关的缓存，这些特性极大提升了网关性能和并发访问。

2.ossWork作为文件服务，处理图片水印、缩放、url加密、解密等，还封装与底层存储的交互。

3.ossKeeper作为文件管理后台，负责权限接入注册、申请、监控报表展示。

4.ossMonitor日志收集、计算汇总、数据存储。

5.ossBackup负责文件异步备份。

oss子系统相关流程图如下：

核心实现

OSS主要为随行付各个业务系统提供文件共享和访问服务，并且可以按应用统计流量、命中率、空间等指标。下面将介绍OSS核心功能以及实现。主要包括：缓存、用户认证、权限管理、url加密解密、监控统计等。

缓存

提升性能的关键是缓存，OSS采用二级缓存：浏览器缓存、网关层缓存提升响应速度，具体如下：

第一次请求文件时，OSS返回文件给浏览器http的状态码是200

第二次请求时同一个文件时，服务器根据请求中HTTP协议中的max-age/Expires，判断文件未修改，返回状态码403，告诉浏览器可以继续使用本地缓存

第三次请求F5强制刷新，网关根据If-Modified-Since、Cache-Control:no-cache和Pragma:no-cache等信息重新返回nginx中缓存文件

第四次请求url时，requesturi不一样但文件是同一个，nginx根据requesturi判断网关中无此文件，请求底层存储返回文件。

用户认证

为避免文件、图片盗用，浪费服务器流量和IO等资源，OSS采用防盗链的方式认证请求。每个使用OSS服务的系统都需要进行注册、申请应用，成功后自动生成appkey、appsecret。appkey代表应用身份，appsecret即应用密钥，用于生成签名认证，请求文件服务时必须要传递appkey和签名生产的token，网关根据请求验证请求的合法性性和时效性。后台管理appkey的生成及防盗链的签名如下图：

手机终端认证

手机端认证同server端一样，但是由于账户信息的安全问题，appkey和appsecret只能保存在服务端，手机终端访问oss时无法生成签名，那么手机端如何访问oss服务？这里我们采用oauth认证的原理：

app用户登录终端系统，App发送请求OSS request请求

server收到请求后，向OSS申请资源的临时授权token

OSS接收授权请求后，生成临时访问token返回给server

server组装文件地址与临时的token，返回给app

权限管理

每个应用有了自己的appkey，文件访问时通过appkey验证身份，默认文件的归属只有上传者可以查看或修改，上传者可以授权给其他账户，通过在后台管理-权限配置功能授权授权的级别分为：修改、查看、删除，不同的级别对应不同的操作，后台管理系统会实时同步文件权限到文件系统。这样其他账户只需要传递自身的appkey就可以对此文件访问。具体流程及具体配置如下：

URL加解密、规范（实现参考）

底层存储中的文件名称必须全局唯一，oss采用自定义算法生成文件名称，命名规范=时间戳+分隔符+线程ID+分隔符+进程ID+分隔符+客户端IP，URL规范图解如下：

为了保证oss服务器的安全，防止程序文件和目录外泄，oss对url进行了私有协议的加密，按分隔符“_”对每一项进行base64编码，再按62位字典码加密生成加后的url，当然也有其他的算法实现，是要实现url加密即可。解密是对加密的逆向操作，解密后的url即为储存的访问url。服务端的规范样例及客户端的url规范样例：

oss统计监控

为保证文件服务的质量和可靠性，系统的监控和告警是必不可少的，各个阶段的运行信息，以日志的形式写到文件中，再使用Flume日志收集组件采集各个子系统的日志，按日志类别直接发送到kafka的不同topic，ossMonitor读取kafka中消息，以时间为单位计算流量、命中率，以空间为单位统计使用率，根据上传日志是否有异常发送告警邮件，流程如下：

Flume是由cloudera软件公司产出的可分布式日志收集系统,由source,channel,sink三个组件组成：

Source:

从数据发生器接收数据,并将接收的数据以Flume的event格式传递给一个或者多个通道channal,Flume提供多种数据接收的方式,比如Avro,Thrift,txt等

Channel:

channal是一种短暂的存储容器,它将从source处接收到的event格式的数据缓存起来,直到它们被sinks消费掉,它在source和sink间起着一共桥梁的作用,channal是一个完整的事务,这一点保证了数据在收发的时候的一致性. 并且它可以和任意数量的source和sink链接. 支持的类型有: JDBC channel , File System channel , Memort channel等.

Sink:

sink将数据存储到集中存储器比如Hbase和kafka,它从channals消费数据(events)并将其传递给目标地.

Flume配置如下：

gateway.sources = fileEvent

gateway.channels = kafkaChannel

gateway.sinks = loggerSink

For each one of the sources, the type is defined

gateway.sources.fileEvent.type = TAILDIR

gateway.sources.fileEvent.positionFile = / xxx.json

gateway.sources.fileEvent.filegroups = events

gateway.sources.fileEvent.filegroups.events=/xxx.log

gateway.sources.fileEvent.type = spooldir

The channel can be defined as follows.

gateway.sources.fileEvent.channels = kafkaChannel

gateway.sources.fileEvent.channels = kafkaChannel

gateway.sources.fileEvent.spoolDir = /home/app/oss_events

Each sink's type must be defined

gateway.sinks.loggerSink.type = org.apache.flume.sink.kafka.KafkaSink

Specify the channel the sink should use

gateway.sinks.loggerSink.channel = kafkaChannel

gateway.sinks.loggerSink.kafka.bootstrap.servers=xxx.xxx.xxx.xxx:9092

gateway.sinks.loggerSink.kafka.topic=oss-gateway-events

gateway.sinks.loggerSink.kafka.batchSize=20

gateway.sinks.loggerSink.kafka.producer.requiredAcks=1

Each channel's type is defined.

gateway.channels.kafkaChannel.type = memory

Other config values specific to each type of channel(sink or source)

can be defined as well

In this case, it specifies the capacity of the memory channel

gateway.channels.kafkaChannel.capacity = 30000

gateway.channels.kafkaChannel.transactionCapacity = 100

统计图如下：