Almacenamiento de objetos
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El almacenamiento de objetos (también conocido como almacenamiento basado en objetos [1] ) es una arquitectura de almacenamiento de datos informáticos que gestiona los datos como objetos, a diferencia de otras arquitecturas de almacenamiento como los sistemas de archivos que gestionan los datos como una jerarquía de archivos y el almacenamiento de bloques que gestiona los datos como bloques dentro de sectores y pistas. [2] Cada objeto generalmente incluye los datos en sí, una cantidad variable de metadatos y un identificador único global.. El almacenamiento de objetos se puede implementar en varios niveles, incluido el nivel del dispositivo (dispositivo de almacenamiento de objetos), el nivel del sistema y el nivel de la interfaz. En cada caso, el almacenamiento de objetos busca habilitar capacidades no abordadas por otras arquitecturas de almacenamiento, como interfaces que son directamente programables por la aplicación, un espacio de nombres que puede abarcar múltiples instancias de hardware físico y funciones de administración de datos como la replicación y distribución de datos en granularidad a nivel de objeto.

Los sistemas de almacenamiento de objetos permiten la retención de grandes cantidades de datos no estructurados . El almacenamiento de objetos se utiliza para fines tales como almacenar fotos en Facebook , canciones en Spotify o archivos en servicios de colaboración en línea, como Dropbox . [3]

Historia

Orígenes

En 1995, la investigación dirigida por Garth Gibson sobre los discos seguros conectados a la red promovió por primera vez el concepto de dividir las operaciones menos comunes, como las manipulaciones del espacio de nombres, de las operaciones comunes, como las lecturas y escrituras, para optimizar el rendimiento y la escala de ambos. [4] Ese mismo año, se estableció una empresa belga, FilePool, para sentar las bases de las funciones de archivo. El almacenamiento de objetos se propuso en el laboratorio de la Universidad Carnegie Mellon de Gibson como un proyecto de investigación en 1996. [5] Otro concepto clave fue abstraer las escrituras y lecturas de datos a contenedores de datos más flexibles (objetos). Control de acceso detallado a través de la arquitectura de almacenamiento de objetos [6] fue descrito con más detalle por uno de los miembros del equipo de NASD, Howard Gobioff, quien más tarde fue uno de los inventores del sistema de archivos de Google . [7] Otro trabajo relacionado incluye el proyecto del sistema de archivos Coda en Carnegie Mellon , que comenzó en 1987 y generó el sistema de archivos Lustre . [8] También está el proyecto OceanStore en UC Berkeley, [9] que comenzó en 1999 [10] y el proyecto Logístico Networking en la Universidad de Tennessee Knoxville, que comenzó en 1998. [11] En 1999, Gibson fundó Panasas para comercializar los conceptos desarrollados por el equipo NASD.

Desarrollo

Seagate Technology jugó un papel central en el desarrollo del almacenamiento de objetos. Según la Asociación de la industria de redes de almacenamiento SNIA, "El almacenamiento de objetos se originó a fines de la década de 1990: las especificaciones de Seagate de 1999 introdujeron algunos de los primeros comandos y cómo el sistema operativo eliminó efectivamente el consumo del almacenamiento". [12]

Seagate presentó una versión preliminar de la "Propuesta de conjunto de comandos de DISPOSITIVOS DE ALMACENAMIENTO BASADOS EN OBJETOS" con fecha del 25 de octubre de 1999, editada por Dave Anderson de Seagate, y fue producto del trabajo del Consorcio Nacional de la Industria de Almacenamiento (NSIC), incluidas las contribuciones de Carnegie Universidad de Mellon , Seagate, IBM, Quantum y StorageTek. [13] Este documento fue propuesto a INCITS T-10 ( Comité Internacional de Normas de Tecnología de la Información) con el objetivo de formar un comité y diseñar una especificación basada en el protocolo de interfaz SCSI. Esto definió los objetos como datos abstractos, con un identificador único y metadatos, cómo los objetos se relacionan con los sistemas de archivos, junto con muchos otros conceptos innovadores. Anderson presentó muchas de estas ideas en la conferencia SNIA en octubre de 1999. La presentación reveló un acuerdo de propiedad intelectual que se había firmado en febrero de 1997 entre los colaboradores originales (con Seagate representado por Anderson y Chris Malakapalli), y cubría los beneficios del almacenamiento de objetos, informática escalable, independencia de plataforma y gestión del almacenamiento. [14]

Arquitectura

Abstracción de almacenamiento

Uno de los principios de diseño del almacenamiento de objetos es abstraer algunas de las capas inferiores de almacenamiento de los administradores y las aplicaciones. Por tanto, los datos se exponen y gestionan como objetos en lugar de archivos o bloques. Los objetos contienen propiedades descriptivas adicionales que pueden usarse para una mejor indexación o administración. Los administradores no tienen que realizar funciones de almacenamiento de nivel inferior como construir y administrar volúmenes lógicos para utilizar la capacidad del disco o configurar los niveles de RAID para hacer frente a las fallas del disco.

El almacenamiento de objetos también permite el direccionamiento e identificación de objetos individuales mediante algo más que el nombre y la ruta del archivo. El almacenamiento de objetos agrega un identificador único dentro de un depósito, o en todo el sistema, para admitir espacios de nombres mucho más grandes y eliminar las colisiones de nombres.

Inclusión de metadatos personalizados enriquecidos dentro del objeto

El almacenamiento de objetos separa explícitamente los metadatos de los archivos de los datos para admitir capacidades adicionales. A diferencia de los metadatos fijos en los sistemas de archivos (nombre de archivo, fecha de creación, tipo, etc.), el almacenamiento de objetos proporciona metadatos personalizados a nivel de objeto con funciones completas para:

  • Capture información específica de la aplicación o del usuario para mejorar la indexación.
  • Apoyar las políticas de gestión de datos (por ejemplo, una política para impulsar el movimiento de objetos de un nivel de almacenamiento a otro)
  • Centralice la gestión del almacenamiento en muchos nodos y clústeres individuales
  • Optimice el almacenamiento de metadatos (por ejemplo, encapsulado, base de datos o almacenamiento de valor clave) y el almacenamiento en caché / indexación (cuando los metadatos autorizados se encapsulan con los metadatos dentro del objeto) independientemente del almacenamiento de datos (por ejemplo, almacenamiento binario no estructurado)

Además, en algunas implementaciones de sistemas de archivos basados ​​en objetos:

  • Los clientes del sistema de archivos solo se ponen en contacto con los servidores de metadatos una vez cuando se abre el archivo y luego obtienen el contenido directamente a través de los servidores de almacenamiento de objetos (frente a los sistemas de archivos basados ​​en bloques que requerirían acceso constante a los metadatos)
  • Los objetos de datos se pueden configurar por archivo para permitir un ancho de banda adaptable, incluso a través de múltiples servidores de almacenamiento de objetos, admitiendo optimizaciones en el ancho de banda y E / S

Los dispositivos de almacenamiento basados ​​en objetos ( OSD ), así como algunas implementaciones de software (por ejemplo, Caringo Swarm) administran metadatos y datos a nivel de dispositivo de almacenamiento:

  • En lugar de proporcionar una interfaz orientada a bloques que lee y escribe bloques de datos de tamaño fijo, los datos se organizan en contenedores de datos de tamaño flexible, llamados objetos
  • Cada objeto tiene datos (una secuencia de bytes no interpretada) y metadatos (un conjunto extensible de atributos que describen el objeto); la encapsulación física de ambos beneficia la recuperabilidad.
  • La interfaz de comando incluye comandos para crear y eliminar objetos, escribir bytes y leer bytes hacia y desde objetos individuales, y para establecer y obtener atributos en objetos.
  • Los mecanismos de seguridad proporcionan control de acceso por objeto y por comando

Gestión de datos programáticos

El almacenamiento de objetos proporciona interfaces programáticas para permitir que las aplicaciones manipulen datos. En el nivel básico, esto incluye funciones de creación, lectura, actualización y eliminación ( CRUD ) para operaciones básicas de lectura, escritura y eliminación. Algunas implementaciones de almacenamiento de objetos van más allá y admiten funciones adicionales como el control de versiones de objetos , la replicación de objetos, la gestión del ciclo de vida y el movimiento de objetos entre diferentes niveles y tipos de almacenamiento. La mayoría de las implementaciones de API están basadas en REST , lo que permite el uso de muchas llamadas HTTP estándar .

Implementación

Almacenamiento en la nube

Artículo principal: almacenamiento en la nube

La gran mayoría del almacenamiento en la nube disponible en el mercado es una arquitectura de almacenamiento de objetos. Algunos ejemplos notables son Amazon Web Services S3 , que debutó en marzo de 2006, Microsoft Azure Blob Storage, Rackspace Files (cuyo código fue donado en 2010 al proyecto Openstack y lanzado como OpenStack Swift ) y Google Cloud Storage lanzado en mayo de 2010.

Sistemas de archivos basados ​​en objetos

Algunos sistemas de archivos distribuidos utilizan una arquitectura basada en objetos, donde los metadatos de los archivos se almacenan en servidores de metadatos y los datos de los archivos se almacenan en servidores de almacenamiento de objetos. El software de cliente del sistema de archivos interactúa con los distintos servidores y los abstrae para presentar un sistema de archivos completo a los usuarios y las aplicaciones.

Sistemas de almacenamiento de objetos

Algunas de las primeras encarnaciones del almacenamiento de objetos se utilizaron para el archivo, ya que las implementaciones se optimizaron para servicios de datos como la inmutabilidad, no el rendimiento. EMC Centera e Hitachi HCP (antes conocido como HCAP) son dos productos de almacenamiento de objetos comúnmente citados para archivar. Otro ejemplo es la plataforma de almacenamiento de objetos Quantum Lattus.

Alrededor de 2008 llegaron al mercado más sistemas de almacenamiento de objetos de uso general. Atraídos por el increíble crecimiento de los sistemas de almacenamiento "cautivos" en aplicaciones web como Yahoo Mail y el éxito inicial del almacenamiento en la nube, los sistemas de almacenamiento de objetos prometían la escala y las capacidades de la nube. almacenamiento, con la capacidad de implementar el sistema dentro de una empresa o en un aspirante a proveedor de servicios de almacenamiento en la nube.

Almacenamiento híbrido

Algunos sistemas de almacenamiento de objetos admiten el almacenamiento de archivos y objetos unificados (UFO), lo que permite que algunos clientes almacenen objetos en un sistema de almacenamiento mientras que otros clientes almacenan simultáneamente archivos en el mismo sistema de almacenamiento. Si bien "almacenamiento híbrido" no es un término ampliamente aceptado para este concepto debido a la confusión con el disco giratorio híbrido y el almacenamiento flash, [15] interfaces interoperables para el mismo conjunto de datos están disponibles en algunos productos de almacenamiento de objetos.

Almacenamiento de objetos "cautivos"

Algunas grandes empresas de Internet desarrollaron su propio software cuando los productos de almacenamiento de objetos no estaban disponibles comercialmente o los casos de uso eran muy específicos. Facebook inventó su propio software de almacenamiento de objetos, con el nombre en código Haystack, para abordar sus necesidades particulares de administración de fotografías a gran escala de manera eficiente. [dieciséis]

Almacenamiento de objetos virtuales

Además de los sistemas de almacenamiento de objetos que poseen los archivos administrados, algunos sistemas proporcionan una abstracción de objetos además de una o más soluciones tradicionales basadas en sistemas de archivos. Estas soluciones no poseen el almacenamiento sin procesar subyacente, sino que reflejan activamente los cambios del sistema de archivos y los replican en su propio catálogo de objetos, junto con cualquier metadato que se pueda extraer automáticamente de los archivos. Luego, los usuarios pueden contribuir con metadatos adicionales a través de las API de almacenamiento de objetos virtuales. Por lo general, se admiten un espacio de nombres global y capacidades de replicación tanto dentro como entre sistemas de archivos.

La mayoría de los productos de esta categoría han ampliado recientemente sus capacidades para admitir también otras soluciones de Object Store.

Dispositivos de almacenamiento basados ​​en objetos

El almacenamiento de objetos en la capa de protocolo y dispositivo se propuso hace 20 años [ ambiguo ] y se aprobó para el conjunto de comandos SCSI hace casi 10 años [ ambiguo ] como "Comandos de dispositivo de almacenamiento basados ​​en objetos" (OSD), [17] sin embargo, tenía no se puso en producción hasta el desarrollo de la plataforma Seagate Kinetic Open Storage. [18] [19] El conjunto de comandos SCSI para dispositivos de almacenamiento de objetos fue desarrollado por un grupo de trabajo del SNIA para el comité T10 del Comité Internacional de Estándares de Tecnología de la Información (INCITS). [20] T10 es responsable de todos los estándares SCSI.

Adopción de mercado

Uno de los primeros productos de almacenamiento de objetos, Lustre, se utiliza en el 70% de las 100 mejores supercomputadoras y ~ 50% de las 500 principales . [21] Al 16 de junio de 2013, esto incluye 7 de los 10, incluyendo el actual cuarto sistema más rápido en la lista - de China Tianhe-2 y el séptimo más rápido, el superordenador Titán en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge . [22]

Los sistemas de almacenamiento de objetos tuvieron una buena adopción a principios de la década de 2000 como plataforma de archivo, particularmente a raíz de leyes de cumplimiento como Sarbanes-Oxley . Después de cinco años en el mercado, el producto Centera de EMC reclamó más de 3.500 clientes y 150 petabytes enviados en 2007. [23] El producto HCP de Hitachi también reclama muchos clientes en escala de petabytes . [24] Los sistemas de almacenamiento de objetos más nuevos también han ganado algo de tracción, particularmente alrededor de aplicaciones personalizadas muy grandes como el sitio de subastas de eBay, donde EMC Atmos se utiliza para administrar más de 500 millones de objetos al día. [25] Al 3 de marzo de 2014, EMC afirma haber vendido más de 1,5 exabytes de almacenamiento Atmos. [26] El 1 de julio de 2014,Los Alamos National Lab eligió Scality RING como base para un entorno de almacenamiento de 500 petabytes, que estaría entre los más grandes de la historia. [27]

Los sistemas de almacenamiento de objetos "cautivos" como el Haystack de Facebook han escalado de manera impresionante. En abril de 2009, Haystack gestionaba 60 mil millones de fotos y 1,5 petabytes de almacenamiento, añadiendo 220 millones de fotos y 25 terabytes por semana. [16] Facebook declaró más recientemente que agregaba 350 millones de fotos al día y almacenaba 240 mil millones de fotos. [28] Esto podría equivaler a 357 petabytes. [29]

El almacenamiento en la nube se ha vuelto omnipresente a medida que muchas aplicaciones web y móviles nuevas lo eligen como una forma común de almacenar datos binarios . [30] Como back-end de almacenamiento para muchas aplicaciones populares como Smugmug y Dropbox , AWS S3 ha crecido a una escala masiva, citando más de 2 billones de objetos almacenados en abril de 2013. [31] Dos meses después, Microsoft afirmó que almacenaban incluso más objetos en Azure a 8,5 billones. [32] En abril de 2014, Azure reclamó más de 20 billones de objetos almacenados. [33] Windows Azure Storage administra Blobs (archivos de usuario), Tablas (almacenamiento estructurado) y Colas (entrega de mensajes) y los cuenta todos como objetos. [34]

Análisis de mercado

IDC ha comenzado a evaluar el mercado de almacenamiento basado en objetos anualmente utilizando su metodología MarketScape. IDC describe MarketScape como: "... una evaluación cuantitativa y cualitativa de las características que evalúan el éxito actual y futuro de un proveedor en dicho mercado o segmento de mercado y proporcionan una medida de su ascendencia para convertirse en un líder o mantener un liderazgo. IDC Las evaluaciones de MarketScape son particularmente útiles en los mercados emergentes que a menudo están fragmentados, tienen varios actores y carecen de líderes claros ". [35]

En 2019, IDC calificó a Dell EMC , Hitachi Data Systems , IBM , NetApp y Scality como líderes.

Estándares

Estándares de dispositivos de almacenamiento basados ​​en objetos

OSD versión 1

En la primera versión del estándar OSD, [36] los objetos se especifican con un ID de partición de 64 bits y un ID de objeto de 64 bits. Las particiones se crean y eliminan dentro de un OSD, y los objetos se crean y eliminan dentro de las particiones. No hay tamaños fijos asociados con particiones u objetos; se les permite crecer sujetos a limitaciones de tamaño físico del dispositivo o restricciones de cuotas lógicas en una partición.

Un conjunto extensible de atributos describe objetos. Algunos atributos son implementados directamente por el OSD, como el número de bytes en un objeto y el tiempo de modificación de un objeto. Hay un atributo de etiqueta de política especial que forma parte del mecanismo de seguridad. El OSD no interpreta otros atributos. Estos se establecen en los objetos mediante los sistemas de almacenamiento de nivel superior que utilizan el OSD para el almacenamiento persistente. Por ejemplo, los atributos pueden usarse para clasificar objetos o para capturar relaciones entre diferentes objetos almacenados en diferentes OSD.

Un comando de lista devuelve una lista de identificadores para objetos dentro de una partición, opcionalmente filtrados por coincidencias con sus valores de atributo. Un comando de lista también puede devolver atributos seleccionados de los objetos enumerados.

Los comandos de lectura y escritura pueden combinarse o combinarse con comandos para obtener y establecer atributos. Esta capacidad reduce la cantidad de veces que un sistema de almacenamiento de alto nivel tiene que cruzar la interfaz al OSD, lo que puede mejorar la eficiencia general.

OSD versión 2

Una segunda generación del conjunto de comandos SCSI, "Dispositivos de almacenamiento basados ​​en objetos - 2" (OSD-2) agregó soporte para instantáneas, colecciones de objetos y mejor manejo de errores. [37]

Una instantánea es una copia puntual de todos los objetos de una partición en una nueva partición. El OSD puede implementar una copia con uso eficiente del espacio utilizando técnicas de copia en escritura para que las dos particiones compartan objetos que no hayan cambiado entre las instantáneas, o el OSD podría copiar físicamente los datos a la nueva partición. El estándar define clones, que se pueden escribir, e instantáneas, que son de solo lectura.

Una colección es un tipo especial de objeto que contiene los identificadores de otros objetos. Hay operaciones para agregar y eliminar de colecciones, y hay operaciones para obtener o establecer atributos para todos los objetos de una colección. Las colecciones también se utilizan para informar de errores. Si un objeto se daña por la ocurrencia de un defecto de medio (es decir, un punto defectuoso en el disco) o por un error de software dentro de la implementación del OSD, su identificador se coloca en una colección de errores especial. El sistema de almacenamiento de nivel superior que utiliza el OSD puede consultar esta colección y tomar las medidas correctivas necesarias.

Diferencias entre los almacenes de valores-clave y de objetos

Desafortunadamente, el límite entre un almacén de objetos y un almacén de valores-clave es difuso, y los almacenes de valores-clave a veces se denominan vagamente almacenes de objetos. [38]

Una interfaz de almacenamiento de bloques tradicional utiliza una serie de bloques de tamaño fijo que se numeran a partir de 0. Los datos deben tener ese tamaño fijo exacto y pueden almacenarse en un bloque particular que se identifica por su número de bloque lógico (LBN). Posteriormente, se puede recuperar ese bloque de datos especificando su LBN único.

Con un almacén de valores-clave, los datos se identifican mediante una clave en lugar de un LBN. Una clave puede ser "gato", "oliva" o "42". Puede ser una secuencia arbitraria de bytes de longitud arbitraria. Los datos (llamados valor en este lenguaje) no necesitan tener un tamaño fijo y también pueden ser una secuencia arbitraria de bytes de longitud arbitraria. Uno almacena datos presentando la clave y los datos (valor) al almacén de datos y luego puede recuperar los datos presentando la clave. Este concepto se ve en los lenguajes de programación. Python los llama diccionarios, Perl los llama hashes, Java y C ++ los llaman mapas, etc. Varios almacenes de datos también implementan almacenes de clave-valor como Memcached, Redis y CouchDB.

Los almacenes de objetos son similares a los almacenes de valores-clave en dos aspectos. Primero, el identificador de objeto o URL (el equivalente de la clave) puede ser una cadena arbitraria. [39] En segundo lugar, los datos pueden tener un tamaño arbitrario.

Sin embargo, existen algunas diferencias clave entre los almacenes de valores-clave y los almacenes de objetos. Primero, los almacenes de objetos también permiten asociar un conjunto limitado de atributos (metadatos) con cada dato. La combinación de una clave, un valor y un conjunto de atributos se denomina objeto. En segundo lugar, los almacenes de objetos están optimizados para grandes cantidades de datos (cientos de megabytes o incluso gigabytes), mientras que para los almacenes de valores clave se espera que el valor sea relativamente pequeño (kilobytes). Por último, las tiendas de objetos suelen ofrecer garantías de coherencia más débiles, como la coherencia final , mientras que las tiendas de valor clave ofrecen una coherencia sólida .

Ver también

  • Almacenamiento en la nube
  • Sistema de archivos agrupado
  • Método de acceso a objetos

Referencias

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