什么是GPFS文件系统

GPFS（General Parallel File System）是IBM公司开发的高性能集群文件系统，从1998年

开始首先应用于AIX集群，2001年后应用于Linux集群。

在集群的环境中，GPFS文件系统允许集群中所有的节点访问同一文件的数据，并提供统一的文

件存储空间。应用可以使用标准的UNIX文件系统接口访问文件的内容。GPFS支持32位和64位的应

用，经过测试的文件系统的大小为100TB。GPFS可以动态的增加或减少文件系统的容量。

GPFS提供了标准的POSIX应用开发接口，支持缓存方式的I/O（buffered I/O）、同步I/O操作（文件打

开时使用O_SYNC或O_DSYNC标示符）、核心级的异步I/O（kernel asynchronous I/O，通过使用异步I/O系统

调用实现）和直接I/O（Direct I/O，没有缓存的I/O）。直接I/O可以在文件级，使用O_DIRECT标识打开文件，

也可以在文件系统级使用dio参数挂接文件系统。

直接I/O的特点是执行I/O操作时忽略文件系统的缓存，这样可以节省处理器的消耗，避免数据从文件系

统的缓存拷贝到应用的缓存。

GPFS并行文件系统区别于其他的集群文件系统的特点是，在多个AIX、Linux节点中，为应用提供并发的、

高速的文件访问，提供突出的性能，尤其是大数据量的顺序操作，尽管典型的GPFS应用适用于多个节点，但

对单个节点也能提供有益的性能。

GPFS文件系统适用于AIX和Linux节点的异构集群

从GPFS版本2.2开始，允许集群中同时存在AIX和Linux的节点。GPFS的AIX版本和GPFS的Linux版本基于同样的源

代码，只是适应于不同的硬件环境和不同的操作系统环境。

GPFS使用共享硬盘的模式（Shared Disk Model）

GPFS使用共享硬盘的方式，可以通过多种方式实现硬盘的共享：

1）基于硬件的SAN结构，集群中的所有节点物理的连接到所有的存储

2）使用单独的软件驱动VSD（Virtual Shared Disk），对集群节点体统虚拟的共享硬盘，通过VSD调度I/O操作

3）使用NSD（Network Shared Disk），是有GPFS本身提供的，通过NSD调度I/O操作

在VSD或NSD的环境中使用GPFS，为增强GPFS的性能，建议存储和节点之间通过高速的通道互连，增加数据的带宽。

提高GPFS性能的关键点

以下GPFS的特点可以帮助GPFS文件系统取得高性能的I/O：

- 跨越多个硬盘和多个节点的条带化数据

- 高效的客户端数据缓存

- 允许管理员配置大的数据块，满足应用的特点

- 使用预读（read-ahead）和后台写（write-behind）技术

- 使用字节级（byte-range）的锁技术，提供数据的一致性要求，可以使多个应用节点并发访问同一文件

GPFS元数据（GPFS metadata）

在集群中，GPFS在所有的节点上处理元数据（metadata）。这是GPFS文件系统的架构和设计区别于其他集群

文件系统的显著特点，需要集中的元数据服务器处理文件系统的边界（fixed region）。在大量的元数据操

作下，元数据服务器将是潜在的性能瓶颈，另外，如果没有配置备份服务器，元数据服务器将变成一个单点故障。

高可靠性的GPFS

GPFS是高可靠性的文件系统，即使是在下列失败的情况下，仍可以配置为不间断的数据访问：

- 计算节点

- I/O服务器节点

- 硬盘的连接

可以配置GPFS的多个备份，即使在丢失硬盘路径，或者硬盘自身不可访问的情况下，仍可以保持操作的连续性。

另外，GPFS也可以与RAID或者其他硬件冗余的功能协同使用，提供商业的连续性（business continuity）。要

达到这一目的，需配置多个I/O服务器，当某一I/O服务器失败时，I/O请求仍可以通过备份服务器实现。

在GPFS的环境中，某一节点的硬盘连接丢失，不会影响到其他的节点，GPFS使用RSCT的功能持续的监控不同文件

模块的健康状态，当任一错误被检测到时，相应的恢复动作将自动执行。GPFS还提供了额外的日志和恢复功能，

可以维持元数据的一致性。

GPFS顺序读写的性能

建议

在配置高性能GPFS文件系统的过程中，从性能方面考虑，有几种配置和优化的方法，在考虑GPFS的配置的同时，

应当考虑应用对性能的影响。

配置硬盘

GPFS可以使用VSD或者AIX物理卷，一段时间内，VSD在一些大的集群中是一个比较好的选择，

在使用HPS（High Performance Switch）的系统中，VSD可充分利用HPS高性能的特点。VSD是建立在逻辑卷组

（Logical Volume）之上的，I/O大小是有卷组（Volume Group）的LTG（Logical Track Group）的大小决定

的。LTG的性能将影响到GPFS，比较来看，GPFS 2.2只允许128KB的LTG大小。

数据条带

在AIX环境下，GPFS顺序I/O要取得较高的性能，配置使用RAID5，可以考虑三种方式：

a．GPFS条带，每一个RAID5组成一个GPFS的逻辑盘，这是配置GPFS的最典型的方法，对大数据量顺序读写，

可以充分利用GPFS预读和延迟写（pre-fetch/wirte-behind）的功能。

b．AIX逻辑卷（Logical Volume Manager）条带，条带化的逻辑卷可以使用部分或全部的RAID5组，构成GPFS

的逻辑盘。

c．GPFS和AIX逻辑卷条带的组合。推荐使用方式a，可充分发挥GPFS的预取功能。但是，在单节点的情况下，

如果系统存在数量较多的硬盘，方式b和方式c也能提供较好的性能，可以从系统级充分发挥物理卷的并发操作。

GPFS块大小

影响GPFS文件系统顺序I/O性能的另一个重要因素是GPFS文件系统的块大小，GPFS 2.2版本支持最大块为1MB。

使用连续的数据存储块

创建GPFS文件系统时在每一个独立的逻辑盘上申请使用连续的存储块，也是影响GPFS性能的重要因素，在GPFS

后续的版本中，将是一个新的功能。相反的GPFS 2.2仍然是随机的在每一个逻辑盘上申请存储块

GPFS优化

在GPFS的参数配置中，有些可优化的参数会影响到GPFS的性能，部分可调整的参数如下：

- pagepool ：GPFS缓存可申请使用的容量

- prefetchThreads：配置GPFS服务进程可使用的读写线程数，此参数配置GPFS可使用的最大并发请求数

- maxMBpS：基于I/O的响应时间，动态的调整prefetchThreads的数量

- maxBuddyBufferSize：设置最大的VSD通讯数据包大小

应用方面的建议

考虑GPFS的性能时，应当考虑到应用方面的影响，有些I/O比较敏感的应用使用单个线程执行大数据量

的顺序读写操作，通常情况下，GPFS能很好的执行读或者写系统调用，GPFS会使用多个线程调度I/O操作

到多个磁盘，这种操作方式使用GPFS文件系统的缓存存储被切割的数据。在单节点，I/O密集的负载中，

处理器的使用可能会占用较多的处理器时间，影响到系统的性能。

在处理器瓶颈的情况下，为提高I/O的性能，应用可以考虑使用直接I/O（Direct I/O），避免数据在文

件系统缓存和应用缓存之间拷贝数据，处理器可以节省时间处理额外的I/O请求。尽管直接I/O的使用节省了处

理器的时间，但会要求应用使用固定缓存(pinned)。使用固定缓存可保证系统不会将I/O请求的内存换页出去。

固定（pining）缓存的操作比较消耗处理器时间，如果应用的缓存的固定（pin）操作在初始化过程中完成，

可以节省处理器的时间，这要求文件系统存在一种机制知道应用的缓存已经被固定，因而不需要在调度I/O时

再固定同样的缓存。

GPFS 2.2版本不存在这种识别应用缓存是否被固定（pin）的能力，但在后续的GPFS版本中将会增加这

一新的功能。应用可以通知GPFS，相应的使用直接I/O（direct I/O）的应用缓存已经被固定（pinned），

因而GPFS不需要重新固定缓存。

注意：直接I/O（Direct I/O）的目的是直接读或写数据到应用缓存，这种方式会限制GPFS的预取功能，

可以从异步I/O或者多线程读写的方式弥补性能的损失。

GPFS read-behind-write性能

Read-behind-write技术常被一些高端用户采用，目的是降低延迟，提高性能。Read-behind-write技术意味

着一旦写者（writer）开始写操作，读者（reader）立刻开始读操作，思想是重叠写和读的时间，对一些I/O

性能较差的服务器而言，优势是明显的，但对高性能的机器，例如P690，相应的操作可能会演化为并行写整

个文件，然后再并行读回数据。

实施read-behind-write这种方式，可以有很多种方式，例如写者（writer）写完纪录后，等待读者（reader）

读取纪录，然后再处理此项纪录，尽管这种策略只是时写者和读者在纪录级保持同步，仍然需要消耗系统时间处

理读者和写者间的同步锁。

如果应用并不关心读者和写者之间存在的未读的纪录差，也可以采取这样的策略，写者可以尽可能快的写，而不

用关心读者的问题，写者可以在一定数量的纪录写完后更新相应的标示量，写者可以根据此标示量确定有多少纪录未读。