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WAS是微软开发的云存储系统，提供Blob、Table、Queue三种类型的服务，它广泛部署于微软内部。其发表于2011年SOSP。

整体架构

WAS主要分为两个部分：定位服务（Location Service LS）和存储区（Storage Stamp）

• 定位服务管理用户到存储区之间的映射，负责负载均衡，并且服务跨地域、高可用
• 存储区分为三层：
  • 文件流层（stream layer）：处理底层的文件存储，分布式replication、管理extent等等，可以看做是存储引擎。
  • 分区层（Partition Layer）：访问文件流层获取文件，对上层提供blob、table、queue服务。
  • 前端层（Front-End Layer）：由一些列无状态的web服务器组成，接受请求完成验证之后，转发到partition layer。

因为WAS跨存储区，所以其使用了两种复制方式：

1. Intra-Stamp Replication：在一个stamp内，使用synchronous replication保证强一致。每个成功的写操作必须保证所有的副本都同步成功。
2. Inter-Stamp Replication：垮stamp使用asynchronous replication，异步复制，实现异地容灾。

文件流层 stream layer

文件流层提供类似文件系统的命名空间和API，所有的写操作只能是追加。文件流层中的文件称为流（streams）。每个流包含一系列的extent，每个extent由多个block组成。

block是独具读写的最小单位。每个block最大不超过4M。stream layer会对block计算checksum。读取操作总是给定某个block的边界。每次读取都会检查checksum。系统后台也会每隔一段时间校验block的checksum。

extent是文件流层数据复制、负载均衡的基本单位，每个extent有三个副本。每个extent默认1GB，如果存储大对象，就会用很多个extent。

stream layer有一个stream manager，负责监控extent存储节点，管理文件到extent的映射关系，垃圾回收、负载均衡等等。通过paxos实现高可用。

存储引擎

WAS中的流文件只允许追加，不允许更改。追加操作是原子的，数据追加到Block中，客户端可以缓存多个请求之后一次提交给stream layer，客户端需要保证幂等性重试。

对于追加产生的重复数据，WAS这样处理：

1. 对于元数据和log，通过他们的事务编号（transaction sequence）去重。
2. 对于行数据流（row data streams）：只有最后一个追加成功的会被索引，之前重复的会被垃圾回收。

WAS的追加流程如下：

1. 如果客户端没有缓存需要的extent信息，或者extent已经被sealed(缝合)了，客户端向steam manager请求获取extent
2. SM通过一定的策略，如负载均衡、副本分配等，分配一定数量的extent到存储节点EN（extent node），其中一个extent是主副本（这种方式写时才分配三副本，SM可以根据当前系统的状态动态调整新的部分的位置，并且不需要像GFS那样主chunk需要维持lease）
3. 客户端知道主副本之后，将请求发送到主副本，主副本执行以下操作：
   1. 决定追加的数据块在extent中的位置
   2. 定序：如果有多个客户端向同一个extent并发追加，主副本需要确定追加顺序（元数据索引）（不知道这个确定顺序会不会有瓶颈，毕竟1G也比较大了）
   3. 将数据块写入主副本
   4. 主副本将请求发送给备副本，备副本链式转发给其他备副本，其他的备副本按照主副本确定的顺序追加写入。
   5. 备副本写成功后回应主副本
   6. 如果所有的主副本都成功，主副本应答客户端追加成功。
4. 追加过程中如果某副本出现错误，客户端追加请求会失败，这时候客户端会联系SM，SM根据当前集群状况，首先seal失败的extent，然后创建新的extent用来提供追加请求。SM处理副本故障的平均时间在20ms左右，新的extent创建成功之后，追加操作可以继续。WAS通过这种错误处理的方式，实现强一致。

每个extent副本都维护了已经提交的数据长度（commit length），如果出现异常，每个副本当前的长度可能不一致，SM缝合时首先选择获取所有副本的commit length，如果副本之间不一致，SM将选择最小的长度作为缝合长度，如果某副本出现异常，等该节点重启之后，其上的extent会从其他节点上同步数据。

文件流层保证以下两点：

1. 只要记录被猪价并成功相应客户端，从任何一个副本都能读取到相同的数据。
2. 即使追加过程中出现故障，一旦extent被缝合，从任何一个被缝合的副本中都能读到相同的数据。

存储优化

extent存储面临两大问题：

1. 如何保证磁盘调度公平
2. 避免磁盘随机写操作

WAS的优化点如下：

1. 如果SM发现某个存储节点的IO被阻塞时间超过100ms，则将新的请求调度到其他存储节点。
2. 由于一个存储节点（磁盘）有很多个extent，不同extent的并发追加会导致磁盘出现很多随机写，降低写性能。因此存储节点采用单独的日志盘（journal drive），存储节点收到的追加请求会顺序的写入日志盘，然后针对同一个extent文件的多个连续写入合并成一个写操作，再真正落盘
3. 通过EC（Erasure coding），将extent中的数据条带化落盘。这个和HDFS类似。

分区层 Partition Layer

分区层建立在文件流层之上，用于提供Table、Blob、Queue等数据服务。分区层的一个重要特性是提供强一致性并保证事务操作顺序。

分区层内部支持一种成为对象表（Object Table，OT）的数据结构，用来存储对象到extent的映射，OT被动态的划分为多个连续的范围（RangePartition，对应Bigtable的子表），并分散到不同的Partition Server上，范围区间不想不重叠。另外，分区层中还有一张全局的Schema表（Schema Table），保证所有的对象表格的shema信息，即每个OT包含的每个列的名字、数据类型以及属性。这些表是持久化到存储区的。

通过这种方式，WAS支持了很多的数据类型，包括：bool、binary string、DataTime、duoble、GUID、int32、int64、DictionaryType、BlobType。

Partition Layer也存在Partition Server和Partition Master，Partition Master通过Lock Service选主。每个PS与Lock Service之间存在Lease，如果PS出现故障，PM需要首等待PS上的Lease过期，才能将他原来的服务分配出去。

存储引擎

WAS分区层中的操作与Bigtable基本类似。用户的写操作首先追加到操作日志（commit log strema）中，接着修改内存表（memory table），等到内存表达到一定大小之后，执行快照（checkpoint），PS还会将多个小快照合并成一个大快照（对应Bigtable中的minor/major compaction），并且PS上会缓存数据，还会有布隆过滤器优化读请求。也存在负载均衡和分区的分裂与合并。

与Bigtable不同点如下：

1. WAS中每个分区有都有对应的commit log文件，而bigtable中，每个Tablet Server上的所有子表共享一个操作日志文件。
2. WAS中每个分区维护各自的元数据，PM只负责管理每个分区之间的关系。而bigtable通过根表（root table）和元数据表（meta table），将所以的元数据统一在一起。
3. WAS中存储类型较多，从数值到blob都支持。

WAS总结

WAS整体架构借鉴GFS+Bigtable，并有所创新：

1. WAS使用1G的extent从而减少元数据
2. WAS保证每个副本之间的强一致性
3. WAS将范围分区的操作写到不同的操作日志中。

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