基于对象存储 OSS 的智能数据分析处理框架和功能

导语

今年参加了 2019 全球闪存峰会(Flash Memory World)，分享了“基于云存储的智能数据分析处理架构”，重点介绍在对象存储 OSS 之上的数据处理功能，现整理相关内容和大家探讨。

一、通过存储技术分析，探讨为什么对象存储适合做数据分析处理

1.1 存储技术分析

纵观存储技术的发展历史，从 1957 年发明硬盘，1970 年代发明 SAN(Storage Area Network)，1980 年代发明 NAS(Network Attached Storage)，再到 2006 年发明 Object Storage。从中可以看出，存储技术是不断向上和应用结合的过程，但是这些技术并不是代次的替换，而是场景的扩展。其中有个规律，大约每隔 10 年就会有新技术的出现。现在是2019年，距离对象存储出现已经13年过去了，下一个存储未来技术会是什么呢？(后面会抛出一些思考)。

通过上图对比存储技术的差异，加强理解：

• 存储的部署和服务场景不同。SAN(块存储) 和 NAS(文件存储)都是面向数据中心内访问的设备，而对象存储产生的目的根本就不是在数据中心内使用，而是面向互联网、移动互联网(3G、4G、5G)而产生的，为大量使用的网页、视频、图片、音频、文档访问而设计。
• 存储的使用者不同。块存储的使用者是机器，它映射 LUN(Logical Unit Number) 给机器，被机器识别为盘，然后创建文件系统、数据库。NAS 的使用者是办公账号，如 AD(Active Directory) 和 LDAP(Lightweight Directory Access Protocol) 账号，该账号登陆 NAS 设备的 IP(Internet Protocol) 地址就可以访问共享文件夹，用于办公场景。对象存储的使用者是云账号或者社交账号，通过该账号成功登陆云服务后就可以存储数据了。
• 访问协议/接口不同。SAN(块存储) 和 NAS(文件存储) 是基于数据中心内的技术，采用 FC、iSCSI、NFS、CIFS、SMB 协议。而对象存储是基互联网访问的技术，采用基于 HTTP/HTTPS 的 S3(Simple Storage Service)/OSS(Object Storage Service) 访问接口。

综上可以看出，存储技术的不同，关键是 交互模式的差别。SAN 是典型的机机交互模式，NAS 是人机交互模式，对象存储是移动互联网交互模式。SAN 的机机交互最简单，就是要求盘时延低、带宽大；NAS 的人机交互需求多，就像人管理图书那样会分门别类(目录)和书名(文件名)、重命名、移动，还有复杂的权限、配额管理等；对象存储的移动互联网交互模式，上面会通过互联网应用对外服务，可以做的比人机交互更简单，如采用平坦的名字空间来管理对象，从而降低了 NAS 场景下大目录、海量小文件的管理难题。不同的交互模式，大大影响了存储背后的设计哲学，它也是系统设计的源头和根本。

1.2 存储技术的应用场景

从本质上来看：

• SAN 存储(块)，本质是一块盘，就是一个线性地址空间，在它之上装文件系统、数据库、虚拟机等后，才能让应用更好的使用。
• NAS 存储，本质是 企业员工+IP地址+共享文件夹，围绕目录、文件等特性设计，应用于企业办公、媒体编辑、高性能计算等场景。
• 对象存储，本质是 云账号通过互联网(或移动互联网)访问网络内容，广泛使用的互联网短视频、图片、音乐等应用，它为应用提供了全局、全网共享的数据大池子，非常适合做为互联网内容的底层平台。

对象存储拥有面向互联网的海量数据存储、访问能力，在它之上构建数据分析平台，可以关联数据挖掘的价值；在对象存储上构建分析平台，让存储更智能，这将是存储未来的发展之道。

二、当前基于对象存储构建数据分析的典型设计范式

当前，大量的计算应用构建在对象存储上，因为对象存储是面向互联网、面向未来5G的存储服务，它的数据量非常巨大，从而形成了海量的数据池，计算应用基于它去分析，更容易找出数据之间的关联性、挖掘数据价值。所以，基于对象存储来构建数据分析体系，是公有云上常见的使用模式。

如上图所示：

• 阿里云的全球文娱互动直播解决方案，就是使用对象存储系统 OSS 为底座，通过 ECS 部署截图、窄带高清转码、拉流直播、录制等软件，形成文娱互动的能力；该方案提供全球多 Region 容灾部署、千万级高并发能力。
• 阿里云的在线教育解决方案，基于阿里云对象存储 OSS，构建媒体转码、媒体点播、视频直播，来管理服务大量的视频数据。该方案提供海量、安全、低成本、高可靠的云存储，不限文件数量，基于 RESTful API 的互联网任何位置存储和访问。

上述应用方案设计范式的典型特征，就是在对象存储 OSS 之上自主搭建计算、分析集群的能力，实现业务需求。但这样的方案，对带宽的消耗也很明显，做好将计算功能 Offloading(卸载) 到存储，将是很有价值的工作。

三、对象存储计算卸载的智能数据分析处理框架

上述章节的方案解决了对应场景的使用问题，但也存在优化点。

• 带宽优化，对于图片、音视频等多媒体文件，都是较大的对象，不管通过公网还是 VPC 内网，都会带来较大的带宽需求，会存在性能瓶颈。
• 时延问题，将大量的数据下载到手机、服务器处理，传输距离长、时延大，用户体验较差。
• 部署要求，需要购买机器、软件，在进行安装、配置、运维等，这都需要不少的投入。

这些优化点都存在成本开销，因此将合适的数据分析处理算子卸载到存储、实现数据就近访问，并采用 Serverless 的对外提供服务，将会降低带宽开销、减少时延、更易运维使用。

因此，对象存储计算卸载的智能数据分析处理框架核心是构建计算框架、并将它和存储关联，为此在对象存储最近的数据中心，部署计算引擎实现就近访问。然后，在对象存储的数据路径上和计算框架打通，从而实现关联。
为了支持种类丰富的数据分析处理，设计了智能的调度框架：

• 该框架在底层支持 CPU、GPU、FPGA 芯片。
• 将机器抽象为物理机、虚拟机、容器屏蔽硬件差异。
• 在此之上运行 Linux、Windows 运行环境，并部署各类卸载的算子。
• 通过集群调度系统提供离线请求、实时请求的灵活调度。

通过该框架，只要卸载的算子通过验证并部署过来，就可以提供集群化的服务，并实现云服务的 SLA 能力。

四、典型场景

通过对象存储计算卸载的智能数据分析处理框架，支持如下的场景。

4.1 图片处理

通过卸载图片转换算法的算子到调度框架，实现了图片水印、缩放、裁剪、旋转、格式转换、效果共 6 个场景，完完全全实现了云上的 PS。以前做图片处理是在本地机器上用 photoshop 完成，现在可以在云上实现，而且还不用安装软件，并且云上 PS 还可方便的实现多人协作处理。使用方式也非常简单，无需购买任何服务器、无需安装软件，直接使用 URL 请求完成，例如:

http://image-demo.oss-cn-hangzhou.aliyuncs.com/example.jpg?x-oss-process=image/resize,w_200

它表示将图片缩放为宽度 200 像素的新图片，通过使用 FPGA 加速，和自主搭建 CPU 方式相比，单机的吞吐率可提升 6 倍，时延下降 80%-90%，整体带宽优化可以达到 5 倍。

4.2 视频推流

OSS 是业界第一个实现支持多媒体推流的公共云对象存储服务，通过卸载视频流处理算子，可以在对象存储 OSS 的推流配置完成后，得到 RTMP 推流的 OSS 地址，然后就可在客户端推送视频流到 OSS，例如：

ffmpeg -i 1.flv -c copy -f flv "rtmp://your-bucket.oss-cn-hangzhou.aliyuncs.com/live/test-channel?OSSAccessKeyId=LGarxxxxxxHjKWg6&Expires=1472199095&Signature=%2FAvRo7FTss1InBKgwn7Gz%2FUlp9w%3D"

通过此方法，无需搭建多媒体流服务，就可以让视频处理卸载到对象存储，并切还能支持音频流，在时延要求不高时还可做直播。

4.3 视频处理

通过卸载视频截帧算子，可实现零流量的截帧处理，直接使用 URL 请求完成，例如：

http://a-image-demo.oss-cn-qingdao.aliyuncs.com/demo.mp4?x-oss-process=video/snapshot,t_7000,f_jpg,w_800,h_600,m_fast

它表示在 7 秒钟的时间，截 1 帧长宽 800×600 的图片。

4.4 文档预览

通过该卸载算子，可以直接预览存储在对象存储 OSS 上的文档。对于文档预览功能，只需提交请求预览文档，OSS 将会返回经过转码的签名 URL，然后基于该 URL 就可以在浏览器中进行文档查看，目前支持近 50 种文档格式的预览。由于和 OSS 天然结合，从而也完全复用了 OSS 的 SLA 能力(大于 99.9%)，并享受 OSS 的安全设计。

4.5 图片 AI

通过卸载图片 AI 算子，实现人脸识别和图像内容识别。
人脸识别 功能，使用时直接在人脸图片的 URL 后加上参数就能直接返回识别的人脸结果，例如：

http://image-demo.oss-cn-hangzhou.aliyuncs.com/person.jpg?x-oss-process=imm/detecface

内容识别 功能，使用时直接在图片的 URL 后加上参数就能直接返回识别结果，例如：

http://image-demo.oss-cn-hangzhou.aliyuncs.com/image.jpg?x-oss-process=imm/tagimage

4.5 SQL 卸载(Select Object)

在对象存储 OSS 中，也叫 Select Object 功能，它将 SQL 的条件、Projection 算子下推，实现基本的过滤并且只返回有用的数据，从而实现高效的数据查询。
Select Object 的卸载方式，和外部大数据平台实现 SQL 方式(OSS 未卸载)相比，时延可减少到原来的1/12，带宽最多可以减少99%。

五、总结

• 交互模式决定存储系统的设计哲学。SAN 块存储是机机交互，NAS 文件存储是人机交互，对象存储是移动互联网交互(3G/4G/5G)，不同的交互模式决定后端的架构和功能。
• 基于对象存储计算卸载的智能数据分析处理框架，可以灵活支持不同硬件、平台、操作系统、运行环境、卸载算子，并提供实时、离线请求，满足不同场景的数据分析处理需求。
  -存储卸载的遵循原则。寻找合适的数据分析处理算子，实现数据就近访问，提供 Serverless 的模式。

通过整体的介绍，可以相信，基于对象存储海量数据的数据分析处理，挖掘数据价值，是未来技术的重要发展趋势。