隨著網路效能提升，雲端計算架構逐步向存算分離轉變，AWS Aurora 率先在資料庫領域實現了這個轉變，大資料計算領域也迅速朝此方向演化。
存算分離在雲端有明顯優勢，不但可以充分發揮彈性計算的靈活，同時集中的託管儲存可以提供更大的容量和更低的成本，避免了雲端大量自建儲存叢集的維護代價。
一、問題和挑戰
物件儲存是廣泛使用的雲端非結構化資料儲存解決方案，越來越多的非結構化資料聚集於物件儲存的資料湖中，隨之而來的是對這些海量資料的分析需求。
然而對大資料分析的儲存系統來說，HDFS 介面是事實標準，HDFS 是大資料生態的儲存基石。
原生的物件儲存介面不相容 HDFS，無法直接使用。為支援計算儲存分離的大資料場景，物件儲存通常提供了一個模擬層，實現 HDFS 語義到物件儲存語義的轉換，典型實現類似 s3n 和 cosn。然而這類實現缺乏對真正的檔案系統介面的支援，基於物件儲存的扁平目錄結構無法實現分層名稱空間，在處理類似 rename 等操作時效率極低（實際是基於字首複製關聯的所有物件），對於 list、head 等頻繁後設資料操作的場景延遲較高，一些物件儲存系統還缺少強一致性語義，不能保證寫後讀一致性，導致上層的大資料計算框架出錯。
同時在資料流方面，諸如常見的檔案 append 操作，s3n 和 cosn 等物件儲存的模擬層也無法支援。
為支援大資料存算分離場景，需要重新設計雲端儲存系統，該系統可以為雲端大資料計算提供高效可靠的儲存基石，在實現無限儲存的同時，重點滿足對後設資料的需求。
為此，我們提出了一種基於物件儲存的通用分散式檔案系統設計方案：cloud native hdfs，簡稱 CHDFS。
二、CHDFS 整體介紹
CHDFS 整體架構如圖所示。
CHDFS，在物件儲存之上，充分發揮雲端優勢，構建可擴充套件的 metadata 層，實現對 HDFS 語義的支援。通過高度優化的 metadata 層，可以支援海量後設資料的高效訪問。在後設資料規模遠超 HDFS 的情況下，達到接近原生 HDFS 效能的效果。同時提供優化了讀寫資料流的 java 客戶端，在支援高效後設資料操作的同時，充分發揮了物件儲存高吞吐和低成本的優點。
CHDFS 基於物件儲存實現檔案系統語義，資料託管給物件儲存，把物件儲存當做磁碟使用，在此基礎上構建檔案系統分散式後設資料層，支援海量資料。基於物件儲存託管資料，可以自動獲得物件儲存的優勢，如低成本，高可靠，大吞吐，高可用等特性，容量可達到百 PB 級別。
三、CHDFS 後設資料服務特點
CHDFS 後設資料服務採用分散式架構，在後設資料讀寫方面做了較多優化，支援百億級別的檔案資料量，突破了 hdfs namenode 規模限制，同時保證了嚴格的強一致語義。
對比 COS 和 HDFS，具有以下特點：
- 毫秒級別的原子 rename 操作，對目錄和檔案都適用；
- 後設資料強一致，寫入後立即可見；
- 支援百億級別的檔案數量，遠超 HDFS 規模，延遲和 HDFS 相當；
- 單檔案系統，後設資料支援 10w 以上的 qps，滿足大規模計算的高併發需求；
- 高可用，秒級的 ha 切換時間；
- 後設資料並行載入，冷啟動速度 比 HDFS 快1個數量級；
- 後設資料跨區域/可用區複製，進一步提高可靠性；
CHDFS 提供了多種後設資料引擎，在面臨不同的應用場景時，使用者可以有多種選擇，達到成本、容量和效能的平衡。
在介面上，CHDFS 完全相容 HDFS，可以輕鬆在兩個系統之間遷移資料。
四、COS 為 CHDFS 提供資料底座
物件儲存 COS 作為雲端基礎儲存服務，為 CHDFS 提供了堅實的資料底座，CHDFS 的檔案資料分塊後儲存在 COS，具有以下優點：
- 海量儲存，支援百P級別的資料量，容量自動擴充套件；
- 超大頻寬，支援 Tbps 級別的頻寬，大資料計算可以充分發揮 COS 高吞吐的優勢；
- 資料多AZ，帶來了11個9的超高可靠性；
- 資料儲存預設EC編碼，成本更低；
- 支援檔案資料跨區域複製；
- 智慧分層支援，根據資料的冷熱程度，自動分層，進一步降低儲存成本；
同時，CHDFS 提供了高效能的 HDFS 相容的 java sdk，針對大資料場景做了全面優化，實現了高效的讀寫快取機制，可以充分發揮 COS 在資料流方面的優勢。
五、豐富的產品功能
除了上述提到的強大的檔案讀寫能力外，CHDFS 還提供了豐富的產品功能，來滿足大資料場景下客戶的多樣需求。
對於關注成本優化的客戶，CHDFS 提供了儲存生命週期管理功能，能夠通過簡單的配置頁面，讓客戶的檔案自動沉降到成本更低的儲存介質，進一步降低客戶使用雲端儲存的成本，真真正正的幫助客戶省錢。當客戶需要訪問這部分沉降的冷資料時，CHDFS 提供了功能強大、方便易用的命令列工具，使檔案回到熱儲存層供客戶使用。
對於有儲存內容感知需求的客戶，CHDFS 提供了強大的檔案清單功能，可以按照客戶指定的檔案格式及過濾欄位，離線匯出檔案資訊，並且投遞到客戶的檔案系統中。客戶可以通過讀取該清單檔案，進行多維度的業務檔案屬性分析，如檔案平均大小分佈等。甚至還可以作為客戶從本地 HDFS 匯入 CHDFS 過程中的一種檔案校驗手段。
六、生態整合
CHDFS 提供了完全相容 HDFS 的協議，可以無縫支援常見的大資料計算框架，如 Hive，Spark，Presto，Flink 等。
CHDFS 目前已經和騰訊雲 EMR 產品緊密集合。客戶購買 CHDFS 產品後，無需安裝任何環境，即可直接在騰訊雲 EMR 上使用 CHDFS 產品，進一步簡化客戶使用 CHDFS 的上手成本。