UnderstandingLustre.xml

   1 <?xml version='1.0' encoding='utf-8'?>
   2 <chapter xmlns="http://docbook.org/ns/docbook"
   3 xmlns:xl="http://www.w3.org/1999/xlink" version="5.0" xml:lang="en-US"
   4 xml:id="understandinglustre">
   5   <title xml:id="understandinglustre.title">Understanding Lustre
   6   Architecture</title>
   7   <para>This chapter describes the Lustre architecture and features of the
   8   Lustre file system. It includes the following sections:</para>
   9   <itemizedlist>
  10     <listitem>
  11       <para>
  12         <xref linkend="understandinglustre.whatislustre" />
  13       </para>
  14     </listitem>
  15     <listitem>
  16       <para>
  17         <xref linkend="understandinglustre.components" />
  18       </para>
  19     </listitem>
  20     <listitem>
  21       <para>
  22         <xref linkend="understandinglustre.storageio" />
  23       </para>
  24     </listitem>
  25   </itemizedlist>
  26   <section xml:id="understandinglustre.whatislustre">
  27     <title>
  28     <indexterm>
  29       <primary>Lustre</primary>
  30     </indexterm>What a Lustre File System Is (and What It Isn't)</title>
  31     <para>The Lustre architecture is a storage architecture for clusters. The
  32     central component of the Lustre architecture is the Lustre file system,
  33     which is supported on the Linux operating system and provides a POSIX
  34     <superscript>*</superscript>standard-compliant UNIX file system
  35     interface.</para>
  36     <para>The Lustre storage architecture is used for many different kinds of
  37     clusters. It is best known for powering many of the largest
  38     high-performance computing (HPC) clusters worldwide, with tens of thousands
  39     of client systems, petabytes (PiB) of storage and hundreds of gigabytes per
  40     second (GB/sec) of I/O throughput. Many HPC sites use a Lustre file system
  41     as a site-wide global file system, serving dozens of clusters.</para>
  42     <para>The ability of a Lustre file system to scale capacity and performance
  43     for any need reduces the need to deploy many separate file systems, such as
  44     one for each compute cluster. Storage management is simplified by avoiding
  45     the need to copy data between compute clusters. In addition to aggregating
  46     storage capacity of many servers, the I/O throughput is also aggregated and
  47     scales with additional servers. Moreover, throughput and/or capacity can be
  48     easily increased by adding servers dynamically.</para>
  49     <para>While a Lustre file system can function in many work environments, it
  50     is not necessarily the best choice for all applications. It is best suited
  51     for uses that exceed the capacity that a single server can provide, though
  52     in some use cases, a Lustre file system can perform better with a single
  53     server than other file systems due to its strong locking and data
  54     coherency.</para>
  55     <para>A Lustre file system is currently not particularly well suited for
  56     "peer-to-peer" usage models where clients and servers are running on the
  57     same node, each sharing a small amount of storage, due to the lack of data
  58     replication at the Lustre software level. In such uses, if one
  59     client/server fails, then the data stored on that node will not be
  60     accessible until the node is restarted.</para>
  61     <section remap="h3">
  62       <title>
  63       <indexterm>
  64         <primary>Lustre</primary>
  65         <secondary>features</secondary>
  66       </indexterm>Lustre Features</title>
  67       <para>Lustre file systems run on a variety of vendor's kernels. For more
  68       details, see the Lustre Test Matrix
  69       <xref xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"
  70       linkend="dbdoclet.50438261_99193" />.</para>
  71       <para>A Lustre installation can be scaled up or down with respect to the
  72       number of client nodes, disk storage and bandwidth. Scalability and
  73       performance are dependent on available disk and network bandwidth and the
  74       processing power of the servers in the system. A Lustre file system can
  75       be deployed in a wide variety of configurations that can be scaled well
  76       beyond the size and performance observed in production systems to
  77       date.</para>
  78       <para>
  79       <xref linkend="understandinglustre.tab1" /> shows some of the
  80       scalability and performance characteristics of a Lustre file system.
  81       For a full list of Lustre file and filesystem limits see
  82       <xref linkend="settinguplustresystem.tab2"/>.</para>
  83       <table frame="all" xml:id="understandinglustre.tab1">
  84         <title>Lustre File System Scalability and Performance</title>
  85         <tgroup cols="3">
  86           <colspec colname="c1" colwidth="1*" />
  87           <colspec colname="c2" colwidth="2*" />
  88           <colspec colname="c3" colwidth="3*" />
  89           <thead>
  90             <row>
  91               <entry>
  92                 <para>
  93                   <emphasis role="bold">Feature</emphasis>
  94                 </para>
  95               </entry>
  96               <entry>
  97                 <para>
  98                   <emphasis role="bold">Current Practical Range</emphasis>
  99                 </para>
 100               </entry>
 101               <entry>
 102                 <para>
 103                   <emphasis role="bold">Known Production Usage</emphasis>
 104                 </para>
 105               </entry>
 106             </row>
 107           </thead>
 108           <tbody>
 109             <row>
 110               <entry>
 111                 <para>
 112                   <emphasis role="bold">Client Scalability</emphasis>
 113                 </para>
 114               </entry>
 115               <entry>
 116                 <para>100-100000</para>
 117               </entry>
 118               <entry>
 119                 <para>50000+ clients, many in the 10000 to 20000 range</para>
 120               </entry>
 121             </row>
 122             <row>
 123               <entry>
 124                 <para>
 125                   <emphasis role="bold">Client Performance</emphasis>
 126                 </para>
 127               </entry>
 128               <entry>
 129                 <para>
 130                   <emphasis>Single client:</emphasis>
 131                 </para>
 132                 <para>I/O 90% of network bandwidth</para>
 133                 <para>
 134                   <emphasis>Aggregate:</emphasis>
 135                 </para>
 136                 <para>10 TB/sec I/O</para>
 137               </entry>
 138               <entry>
 139                 <para>
 140                   <emphasis>Single client:</emphasis>
 141                 </para>
 142                 <para>4.5 GB/sec I/O (FDR IB, OPA1),
 143                 1000 metadata ops/sec</para>
 144                 <para>
 145                   <emphasis>Aggregate:</emphasis>
 146                 </para>
 147                 <para>2.5 TB/sec I/O </para>
 148               </entry>
 149             </row>
 150             <row>
 151               <entry>
 152                 <para>
 153                   <emphasis role="bold">OSS Scalability</emphasis>
 154                 </para>
 155               </entry>
 156               <entry>
 157                 <para>
 158                   <emphasis>Single OSS:</emphasis>
 159                 </para>
 160                 <para>1-32 OSTs per OSS</para>
 161                 <para>
 162                   <emphasis>Single OST:</emphasis>
 163                 </para>
 164                 <para>300M objects, 256TiB per OST (ldiskfs)</para>
 165                 <para>500M objects, 256TiB per OST (ZFS)</para>
 166                 <para>
 167                   <emphasis>OSS count:</emphasis>
 168                 </para>
 169                 <para>1000 OSSs, with up to 4000 OSTs</para>
 170               </entry>
 171               <entry>
 172                 <para>
 173                   <emphasis>Single OSS:</emphasis>
 174                 </para>
 175                 <para>32x 8TiB OSTs per OSS (ldiskfs),</para>
 176                 <para>8x 32TiB OSTs per OSS (ldiskfs)</para>
 177                 <para>1x 72TiB OST per OSS (ZFS)</para>
 178                 <para>
 179                   <emphasis>OSS count:</emphasis>
 180                 </para>
 181                 <para>450 OSSs with 1000 4TiB OSTs</para>
 182                 <para>192 OSSs with 1344 8TiB OSTs</para>
 183                 <para>768 OSSs with 768 72TiB OSTs</para>
 184               </entry>
 185             </row>
 186             <row>
 187               <entry>
 188                 <para>
 189                   <emphasis role="bold">OSS Performance</emphasis>
 190                 </para>
 191               </entry>
 192               <entry>
 193                 <para>
 194                   <emphasis>Single OSS:</emphasis>
 195                 </para>
 196                 <para>15 GB/sec</para>
 197                 <para>
 198                   <emphasis>Aggregate:</emphasis>
 199                 </para>
 200                 <para>10 TB/sec</para>
 201               </entry>
 202               <entry>
 203                 <para>
 204                   <emphasis>Single OSS:</emphasis>
 205                 </para>
 206                 <para>10 GB/sec</para>
 207                 <para>
 208                   <emphasis>Aggregate:</emphasis>
 209                 </para>
 210                 <para>2.5 TB/sec</para>
 211               </entry>
 212             </row>
 213             <row>
 214               <entry>
 215                 <para>
 216                   <emphasis role="bold">MDS Scalability</emphasis>
 217                 </para>
 218               </entry>
 219               <entry>
 220                 <para>
 221                   <emphasis>Single MDS:</emphasis>
 222                 </para>
 223                 <para>1-4 MDTs per MDS</para>
 224                 <para>
 225                   <emphasis>Single MDT:</emphasis>
 226                 </para>
 227                 <para>4 billion files, 8TiB per MDT (ldiskfs)</para>
 228                 <para>64 billion files, 64TiB per MDT (ZFS)</para>
 229                 <para>
 230                   <emphasis>MDS count:</emphasis>
 231                 </para>
 232                 <para>1 primary + 1 standby</para>
 233                 <para condition="l24">256 MDSs, with up to 256 MDTs</para>
 234               </entry>
 235               <entry>
 236                 <para>
 237                   <emphasis>Single MDS:</emphasis>
 238                 </para>
 239                 <para>3 billion files</para>
 240                 <para>
 241                   <emphasis>MDS count:</emphasis>
 242                 </para>
 243                 <para>7 MDS with 7 2TiB MDTs in production</para>
 244                 <para>256 MDS with 256 64GiB MDTs in testing</para>
 245               </entry>
 246             </row>
 247             <row>
 248               <entry>
 249                 <para>
 250                   <emphasis role="bold">MDS Performance</emphasis>
 251                 </para>
 252               </entry>
 253               <entry>
 254                 <para>50000/s create operations,</para>
 255                 <para>200000/s metadata stat operations</para>
 256               </entry>
 257               <entry>
 258                 <para>15000/s create operations,</para>
 259                 <para>50000/s metadata stat operations</para>
 260               </entry>
 261             </row>
 262             <row>
 263               <entry>
 264                 <para>
 265                   <emphasis role="bold">File system Scalability</emphasis>
 266                 </para>
 267               </entry>
 268               <entry>
 269                 <para>
 270                   <emphasis>Single File:</emphasis>
 271                 </para>
 272                 <para>32 PiB max file size (ldiskfs)</para>
 273                 <para>2^63 bytes (ZFS)</para>
 274                 <para>
 275                   <emphasis>Aggregate:</emphasis>
 276                 </para>
 277                 <para>512 PiB space, 1 trillion files</para>
 278               </entry>
 279               <entry>
 280                 <para>
 281                   <emphasis>Single File:</emphasis>
 282                 </para>
 283                 <para>multi-TiB max file size</para>
 284                 <para>
 285                   <emphasis>Aggregate:</emphasis>
 286                 </para>
 287                 <para>55 PiB space, 8 billion files</para>
 288               </entry>
 289             </row>
 290           </tbody>
 291         </tgroup>
 292       </table>
 293       <para>Other Lustre software features are:</para>
 294       <itemizedlist>
 295         <listitem>
 296           <para>
 297           <emphasis role="bold">Performance-enhanced ext4 file
 298           system:</emphasis>The Lustre file system uses an improved version of
 299           the ext4 journaling file system to store data and metadata. This
 300           version, called
 301           <emphasis role="italic">
 302             <literal>ldiskfs</literal>
 303           </emphasis>, has been enhanced to improve performance and provide
 304           additional functionality needed by the Lustre file system.</para>
 305         </listitem>
 306         <listitem>
 307           <para condition="l24">With the Lustre software release 2.4 and later,
 308           it is also possible to use ZFS as the backing filesystem for Lustre
 309           for the MDT, OST, and MGS storage. This allows Lustre to leverage the
 310           scalability and data integrity features of ZFS for individual storage
 311           targets.</para>
 312         </listitem>
 313         <listitem>
 314           <para>
 315           <emphasis role="bold">POSIX standard compliance:</emphasis>The full
 316           POSIX test suite passes in an identical manner to a local ext4 file
 317           system, with limited exceptions on Lustre clients. In a cluster, most
 318           operations are atomic so that clients never see stale data or
 319           metadata. The Lustre software supports mmap() file I/O.</para>
 320         </listitem>
 321         <listitem>
 322           <para>
 323           <emphasis role="bold">High-performance heterogeneous
 324           networking:</emphasis>The Lustre software supports a variety of high
 325           performance, low latency networks and permits Remote Direct Memory
 326           Access (RDMA) for InfiniBand
 327           <superscript>*</superscript>(utilizing OpenFabrics Enterprise
 328           Distribution (OFED<superscript>*</superscript>), Intel OmniPath®,
 329           and other advanced networks for fast
 330           and efficient network transport. Multiple RDMA networks can be
 331           bridged using Lustre routing for maximum performance. The Lustre
 332           software also includes integrated network diagnostics.</para>
 333         </listitem>
 334         <listitem>
 335           <para>
 336           <emphasis role="bold">High-availability:</emphasis>The Lustre file
 337           system supports active/active failover using shared storage
 338           partitions for OSS targets (OSTs). Lustre software release 2.3 and
 339           earlier releases offer active/passive failover using a shared storage
 340           partition for the MDS target (MDT). The Lustre file system can work
 341           with a variety of high availability (HA) managers to allow automated
 342           failover and has no single point of failure (NSPF). This allows
 343           application transparent recovery. Multiple mount protection (MMP)
 344           provides integrated protection from errors in highly-available
 345           systems that would otherwise cause file system corruption.</para>
 346         </listitem>
 347         <listitem>
 348           <para condition="l24">With Lustre software release 2.4 or later
 349           servers and clients it is possible to configure active/active
 350           failover of multiple MDTs. This allows scaling the metadata
 351           performance of Lustre filesystems with the addition of MDT storage
 352           devices and MDS nodes.</para>
 353         </listitem>
 354         <listitem>
 355           <para>
 356           <emphasis role="bold">Security:</emphasis>By default TCP connections
 357           are only allowed from privileged ports. UNIX group membership is
 358           verified on the MDS.</para>
 359         </listitem>
 360         <listitem>
 361           <para>
 362           <emphasis role="bold">Access control list (ACL), extended
 363           attributes:</emphasis>the Lustre security model follows that of a
 364           UNIX file system, enhanced with POSIX ACLs. Noteworthy additional
 365           features include root squash.</para>
 366         </listitem>
 367         <listitem>
 368           <para>
 369           <emphasis role="bold">Interoperability:</emphasis>The Lustre file
 370           system runs on a variety of CPU architectures and mixed-endian
 371           clusters and is interoperable between successive major Lustre
 372           software releases.</para>
 373         </listitem>
 374         <listitem>
 375           <para>
 376           <emphasis role="bold">Object-based architecture:</emphasis>Clients
 377           are isolated from the on-disk file structure enabling upgrading of
 378           the storage architecture without affecting the client.</para>
 379         </listitem>
 380         <listitem>
 381           <para>
 382           <emphasis role="bold">Byte-granular file and fine-grained metadata
 383           locking:</emphasis>Many clients can read and modify the same file or
 384           directory concurrently. The Lustre distributed lock manager (LDLM)
 385           ensures that files are coherent between all clients and servers in
 386           the file system. The MDT LDLM manages locks on inode permissions and
 387           pathnames. Each OST has its own LDLM for locks on file stripes stored
 388           thereon, which scales the locking performance as the file system
 389           grows.</para>
 390         </listitem>
 391         <listitem>
 392           <para>
 393           <emphasis role="bold">Quotas:</emphasis>User and group quotas are
 394           available for a Lustre file system.</para>
 395         </listitem>
 396         <listitem>
 397           <para>
 398           <emphasis role="bold">Capacity growth:</emphasis>The size of a Lustre
 399           file system and aggregate cluster bandwidth can be increased without
 400           interruption by adding new OSTs and MDTs to the cluster.</para>
 401         </listitem>
 402         <listitem>
 403           <para>
 404           <emphasis role="bold">Controlled file layout:</emphasis>The layout of
 405           files across OSTs can be configured on a per file, per directory, or
 406           per file system basis. This allows file I/O to be tuned to specific
 407           application requirements within a single file system. The Lustre file
 408           system uses RAID-0 striping and balances space usage across
 409           OSTs.</para>
 410         </listitem>
 411         <listitem>
 412           <para>
 413           <emphasis role="bold">Network data integrity protection:</emphasis>A
 414           checksum of all data sent from the client to the OSS protects against
 415           corruption during data transfer.</para>
 416         </listitem>
 417         <listitem>
 418           <para>
 419           <emphasis role="bold">MPI I/O:</emphasis>The Lustre architecture has
 420           a dedicated MPI ADIO layer that optimizes parallel I/O to match the
 421           underlying file system architecture.</para>
 422         </listitem>
 423         <listitem>
 424           <para>
 425           <emphasis role="bold">NFS and CIFS export:</emphasis>Lustre files can
 426           be re-exported using NFS (via Linux knfsd or Ganesha) or CIFS (via
 427           Samba), enabling them to be shared with non-Linux clients such as
 428           Microsoft<superscript>*</superscript>Windows,
 429           <superscript>*</superscript>Apple
 430           <superscript>*</superscript>Mac OS X
 431           <superscript>*</superscript>, and others.</para>
 432         </listitem>
 433         <listitem>
 434           <para>
 435           <emphasis role="bold">Disaster recovery tool:</emphasis>The Lustre
 436           file system provides an online distributed file system check (LFSCK)
 437           that can restore consistency between storage components in case of a
 438           major file system error. A Lustre file system can operate even in the
 439           presence of file system inconsistencies, and LFSCK can run while the
 440           filesystem is in use, so LFSCK is not required to complete before
 441           returning the file system to production.</para>
 442         </listitem>
 443         <listitem>
 444           <para>
 445           <emphasis role="bold">Performance monitoring:</emphasis>The Lustre
 446           file system offers a variety of mechanisms to examine performance and
 447           tuning.</para>
 448         </listitem>
 449         <listitem>
 450           <para>
 451           <emphasis role="bold">Open source:</emphasis>The Lustre software is
 452           licensed under the GPL 2.0 license for use with the Linux operating
 453           system.</para>
 454         </listitem>
 455       </itemizedlist>
 456     </section>
 457   </section>
 458   <section xml:id="understandinglustre.components">
 459     <title>
 460     <indexterm>
 461       <primary>Lustre</primary>
 462       <secondary>components</secondary>
 463     </indexterm>Lustre Components</title>
 464     <para>An installation of the Lustre software includes a management server
 465     (MGS) and one or more Lustre file systems interconnected with Lustre
 466     networking (LNet).</para>
 467     <para>A basic configuration of Lustre file system components is shown in
 468     <xref linkend="understandinglustre.fig.cluster" />.</para>
 469     <figure xml:id="understandinglustre.fig.cluster">
 470       <title>Lustre file system components in a basic cluster</title>
 471       <mediaobject>
 472         <imageobject>
 473           <imagedata scalefit="1" width="100%"
 474           fileref="./figures/Basic_Cluster.png" />
 475         </imageobject>
 476         <textobject>
 477           <phrase>Lustre file system components in a basic cluster</phrase>
 478         </textobject>
 479       </mediaobject>
 480     </figure>
 481     <section remap="h3">
 482       <title>
 483       <indexterm>
 484         <primary>Lustre</primary>
 485         <secondary>MGS</secondary>
 486       </indexterm>Management Server (MGS)</title>
 487       <para>The MGS stores configuration information for all the Lustre file
 488       systems in a cluster and provides this information to other Lustre
 489       components. Each Lustre target contacts the MGS to provide information,
 490       and Lustre clients contact the MGS to retrieve information.</para>
 491       <para>It is preferable that the MGS have its own storage space so that it
 492       can be managed independently. However, the MGS can be co-located and
 493       share storage space with an MDS as shown in
 494       <xref linkend="understandinglustre.fig.cluster" />.</para>
 495     </section>
 496     <section remap="h3">
 497       <title>Lustre File System Components</title>
 498       <para>Each Lustre file system consists of the following
 499       components:</para>
 500       <itemizedlist>
 501         <listitem>
 502           <para>
 503           <emphasis role="bold">Metadata Servers (MDS)</emphasis>- The MDS makes
 504           metadata stored in one or more MDTs available to Lustre clients. Each
 505           MDS manages the names and directories in the Lustre file system(s)
 506           and provides network request handling for one or more local
 507           MDTs.</para>
 508         </listitem>
 509         <listitem>
 510           <para>
 511           <emphasis role="bold">Metadata Targets (MDT</emphasis>) - For Lustre
 512           software release 2.3 and earlier, each file system has one MDT. The
 513           MDT stores metadata (such as filenames, directories, permissions and
 514           file layout) on storage attached to an MDS. Each file system has one
 515           MDT. An MDT on a shared storage target can be available to multiple
 516           MDSs, although only one can access it at a time. If an active MDS
 517           fails, a standby MDS can serve the MDT and make it available to
 518           clients. This is referred to as MDS failover.</para>
 519           <para condition="l24">Since Lustre software release 2.4, multiple
 520           MDTs are supported in the Distributed Namespace Environment (DNE).
 521           In addition to the primary MDT that holds the filesystem root, it
 522           is possible to add additional MDS nodes, each with their own MDTs,
 523           to hold sub-directory trees of the filesystem.</para>
 524           <para condition="l28">Since Lustre software release 2.8, DNE also
 525           allows the filesystem to distribute files of a single directory over
 526           multiple MDT nodes. A directory which is distributed across multiple
 527           MDTs is known as a <emphasis>striped directory</emphasis>.</para>
 528         </listitem>
 529         <listitem>
 530           <para>
 531           <emphasis role="bold">Object Storage Servers (OSS)</emphasis>: The
 532           OSS provides file I/O service and network request handling for one or
 533           more local OSTs. Typically, an OSS serves between two and eight OSTs,
 534           up to 16 TiB each. A typical configuration is an MDT on a dedicated
 535           node, two or more OSTs on each OSS node, and a client on each of a
 536           large number of compute nodes.</para>
 537         </listitem>
 538         <listitem>
 539           <para>
 540           <emphasis role="bold">Object Storage Target (OST)</emphasis>: User
 541           file data is stored in one or more objects, each object on a separate
 542           OST in a Lustre file system. The number of objects per file is
 543           configurable by the user and can be tuned to optimize performance for
 544           a given workload.</para>
 545         </listitem>
 546         <listitem>
 547           <para>
 548           <emphasis role="bold">Lustre clients</emphasis>: Lustre clients are
 549           computational, visualization or desktop nodes that are running Lustre
 550           client software, allowing them to mount the Lustre file
 551           system.</para>
 552         </listitem>
 553       </itemizedlist>
 554       <para>The Lustre client software provides an interface between the Linux
 555       virtual file system and the Lustre servers. The client software includes
 556       a management client (MGC), a metadata client (MDC), and multiple object
 557       storage clients (OSCs), one corresponding to each OST in the file
 558       system.</para>
 559       <para>A logical object volume (LOV) aggregates the OSCs to provide
 560       transparent access across all the OSTs. Thus, a client with the Lustre
 561       file system mounted sees a single, coherent, synchronized namespace.
 562       Several clients can write to different parts of the same file
 563       simultaneously, while, at the same time, other clients can read from the
 564       file.</para>
 565       <para>A logical metadata volume (LMV) aggregates the MDCs to provide
 566       transparent access across all the MDTs in a similar manner as the LOV
 567       does for file access.  This allows the client to see the directory tree
 568       on multiple MDTs as a single coherent namespace, and striped directories
 569       are merged on the clients to form a single visible directory to users
 570       and applications.
 571       </para>
 572       <para>
 573       <xref linkend="understandinglustre.tab.storagerequire" />provides the
 574       requirements for attached storage for each Lustre file system component
 575       and describes desirable characteristics of the hardware used.</para>
 576       <table frame="all" xml:id="understandinglustre.tab.storagerequire">
 577         <title>
 578         <indexterm>
 579           <primary>Lustre</primary>
 580           <secondary>requirements</secondary>
 581         </indexterm>Storage and hardware requirements for Lustre file system
 582         components</title>
 583         <tgroup cols="3">
 584           <colspec colname="c1" colwidth="1*" />
 585           <colspec colname="c2" colwidth="3*" />
 586           <colspec colname="c3" colwidth="3*" />
 587           <thead>
 588             <row>
 589               <entry>
 590                 <para>
 591                   <emphasis role="bold" />
 592                 </para>
 593               </entry>
 594               <entry>
 595                 <para>
 596                   <emphasis role="bold">Required attached storage</emphasis>
 597                 </para>
 598               </entry>
 599               <entry>
 600                 <para>
 601                   <emphasis role="bold">Desirable hardware
 602                   characteristics</emphasis>
 603                 </para>
 604               </entry>
 605             </row>
 606           </thead>
 607           <tbody>
 608             <row>
 609               <entry>
 610                 <para>
 611                   <emphasis role="bold">MDSs</emphasis>
 612                 </para>
 613               </entry>
 614               <entry>
 615                 <para>1-2% of file system capacity</para>
 616               </entry>
 617               <entry>
 618                 <para>Adequate CPU power, plenty of memory, fast disk
 619                 storage.</para>
 620               </entry>
 621             </row>
 622             <row>
 623               <entry>
 624                 <para>
 625                   <emphasis role="bold">OSSs</emphasis>
 626                 </para>
 627               </entry>
 628               <entry>
 629                 <para>1-128 TiB per OST, 1-8 OSTs per OSS</para>
 630               </entry>
 631               <entry>
 632                 <para>Good bus bandwidth. Recommended that storage be balanced
 633                 evenly across OSSs and matched to network bandwidth.</para>
 634               </entry>
 635             </row>
 636             <row>
 637               <entry>
 638                 <para>
 639                   <emphasis role="bold">Clients</emphasis>
 640                 </para>
 641               </entry>
 642               <entry>
 643                 <para>No local storage needed</para>
 644               </entry>
 645               <entry>
 646                 <para>Low latency, high bandwidth network.</para>
 647               </entry>
 648             </row>
 649           </tbody>
 650         </tgroup>
 651       </table>
 652       <para>For additional hardware requirements and considerations, see
 653       <xref linkend="settinguplustresystem" />.</para>
 654     </section>
 655     <section remap="h3">
 656       <title>
 657       <indexterm>
 658         <primary>Lustre</primary>
 659         <secondary>LNet</secondary>
 660       </indexterm>Lustre Networking (LNet)</title>
 661       <para>Lustre Networking (LNet) is a custom networking API that provides
 662       the communication infrastructure that handles metadata and file I/O data
 663       for the Lustre file system servers and clients. For more information
 664       about LNet, see
 665       <xref linkend="understandinglustrenetworking" />.</para>
 666     </section>
 667     <section remap="h3">
 668       <title>
 669       <indexterm>
 670         <primary>Lustre</primary>
 671         <secondary>cluster</secondary>
 672       </indexterm>Lustre Cluster</title>
 673       <para>At scale, a Lustre file system cluster can include hundreds of OSSs
 674       and thousands of clients (see
 675       <xref linkend="understandinglustre.fig.lustrescale" />). More than one
 676       type of network can be used in a Lustre cluster. Shared storage between
 677       OSSs enables failover capability. For more details about OSS failover,
 678       see
 679       <xref linkend="understandingfailover" />.</para>
 680       <figure xml:id="understandinglustre.fig.lustrescale">
 681         <title>
 682         <indexterm>
 683           <primary>Lustre</primary>
 684           <secondary>at scale</secondary>
 685         </indexterm>Lustre cluster at scale</title>
 686         <mediaobject>
 687           <imageobject>
 688             <imagedata scalefit="1" width="100%"
 689             fileref="./figures/Scaled_Cluster.png" />
 690           </imageobject>
 691           <textobject>
 692             <phrase>Lustre file system cluster at scale</phrase>
 693           </textobject>
 694         </mediaobject>
 695       </figure>
 696     </section>
 697   </section>
 698   <section xml:id="understandinglustre.storageio">
 699     <title>
 700     <indexterm>
 701       <primary>Lustre</primary>
 702       <secondary>storage</secondary>
 703     </indexterm>
 704     <indexterm>
 705       <primary>Lustre</primary>
 706       <secondary>I/O</secondary>
 707     </indexterm>Lustre File System Storage and I/O</title>
 708     <para>In Lustre software release 2.0, Lustre file identifiers (FIDs) were
 709     introduced to replace UNIX inode numbers for identifying files or objects.
 710     A FID is a 128-bit identifier that contains a unique 64-bit sequence
 711     number, a 32-bit object ID (OID), and a 32-bit version number. The sequence
 712     number is unique across all Lustre targets in a file system (OSTs and
 713     MDTs). This change enabled future support for multiple MDTs (introduced in
 714     Lustre software release 2.4) and ZFS (introduced in Lustre software release
 715     2.4).</para>
 716     <para>Also introduced in release 2.0 is an ldiskfs feature named
 717     <emphasis role="italic">FID-in-dirent</emphasis>(also known as
 718     <emphasis role="italic">dirdata</emphasis>) in which the FID is stored as
 719     part of the name of the file in the parent directory. This feature
 720     significantly improves performance for
 721     <literal>ls</literal> command executions by reducing disk I/O. The
 722     FID-in-dirent is generated at the time the file is created.</para>
 723     <note>
 724       <para>The FID-in-dirent feature is not backward compatible with the
 725       release 1.8 ldiskfs disk format. Therefore, when an upgrade from
 726       release 1.8 to release 2.x is performed, the FID-in-dirent feature is
 727       not automatically enabled. For upgrades from release 1.8 to releases
 728       2.0 through 2.3, FID-in-dirent can be enabled manually but only takes
 729       effect for new files.</para>
 730       <para>For more information about upgrading from Lustre software release
 731       1.8 and enabling FID-in-dirent for existing files, see
 732       <xref xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"
 733       linkend="upgradinglustre" />Chapter 16 “Upgrading a Lustre File
 734       System”.</para>
 735     </note>
 736     <para condition="l24">The LFSCK file system consistency checking tool
 737     released with Lustre software release 2.4 provides functionality that
 738     enables FID-in-dirent for existing files. It includes the following
 739     functionality:
 740     <itemizedlist>
 741       <listitem>
 742         <para>Generates IGIF mode FIDs for existing files from a 1.8 version
 743         file system files.</para>
 744       </listitem>
 745       <listitem>
 746         <para>Verifies the FID-in-dirent for each file and regenerates the
 747         FID-in-dirent if it is invalid or missing.</para>
 748       </listitem>
 749       <listitem>
 750         <para>Verifies the linkEA entry for each and regenerates the linkEA
 751         if it is invalid or missing. The
 752         <emphasis role="italic">linkEA</emphasis> consists of the file name and
 753         parent FID. It is stored as an extended attribute in the file
 754         itself. Thus, the linkEA can be used to reconstruct the full path name
 755         of a file.</para>
 756       </listitem>
 757     </itemizedlist></para>
 758     <para>Information about where file data is located on the OST(s) is stored
 759     as an extended attribute called layout EA in an MDT object identified by
 760     the FID for the file (see
 761     <xref xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"
 762     linkend="Fig1.3_LayoutEAonMDT" />). If the file is a regular file (not a
 763     directory or symbol link), the MDT object points to 1-to-N OST object(s) on
 764     the OST(s) that contain the file data. If the MDT file points to one
 765     object, all the file data is stored in that object. If the MDT file points
 766     to more than one object, the file data is
 767     <emphasis role="italic">striped</emphasis> across the objects using RAID 0,
 768     and each object is stored on a different OST. (For more information about
 769     how striping is implemented in a Lustre file system, see
 770     <xref linkend="dbdoclet.50438250_89922" />.</para>
 771     <figure xml:id="Fig1.3_LayoutEAonMDT">
 772       <title>Layout EA on MDT pointing to file data on OSTs</title>
 773       <mediaobject>
 774         <imageobject>
 775           <imagedata scalefit="1" width="80%"
 776           fileref="./figures/Metadata_File.png" />
 777         </imageobject>
 778         <textobject>
 779           <phrase>Layout EA on MDT pointing to file data on OSTs</phrase>
 780         </textobject>
 781       </mediaobject>
 782     </figure>
 783     <para>When a client wants to read from or write to a file, it first fetches
 784     the layout EA from the MDT object for the file. The client then uses this
 785     information to perform I/O on the file, directly interacting with the OSS
 786     nodes where the objects are stored.
 787     <?oxy_custom_start type="oxy_content_highlight" color="255,255,0"?>
 788     This process is illustrated in
 789     <xref xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"
 790     linkend="Fig1.4_ClientReqstgData" /><?oxy_custom_end?>
 791     .</para>
 792     <figure xml:id="Fig1.4_ClientReqstgData">
 793       <title>Lustre client requesting file data</title>
 794       <mediaobject>
 795         <imageobject>
 796           <imagedata scalefit="1" width="75%"
 797           fileref="./figures/File_Write.png" />
 798         </imageobject>
 799         <textobject>
 800           <phrase>Lustre client requesting file data</phrase>
 801         </textobject>
 802       </mediaobject>
 803     </figure>
 804     <para>The available bandwidth of a Lustre file system is determined as
 805     follows:</para>
 806     <itemizedlist>
 807       <listitem>
 808         <para>The
 809         <emphasis>network bandwidth</emphasis> equals the aggregated bandwidth
 810         of the OSSs to the targets.</para>
 811       </listitem>
 812       <listitem>
 813         <para>The
 814         <emphasis>disk bandwidth</emphasis> equals the sum of the disk
 815         bandwidths of the storage targets (OSTs) up to the limit of the network
 816         bandwidth.</para>
 817       </listitem>
 818       <listitem>
 819         <para>The
 820         <emphasis>aggregate bandwidth</emphasis> equals the minimum of the disk
 821         bandwidth and the network bandwidth.</para>
 822       </listitem>
 823       <listitem>
 824         <para>The
 825         <emphasis>available file system space</emphasis> equals the sum of the
 826         available space of all the OSTs.</para>
 827       </listitem>
 828     </itemizedlist>
 829     <section xml:id="dbdoclet.50438250_89922">
 830       <title>
 831       <indexterm>
 832         <primary>Lustre</primary>
 833         <secondary>striping</secondary>
 834       </indexterm>
 835       <indexterm>
 836         <primary>striping</primary>
 837         <secondary>overview</secondary>
 838       </indexterm>Lustre File System and Striping</title>
 839       <para>One of the main factors leading to the high performance of Lustre
 840       file systems is the ability to stripe data across multiple OSTs in a
 841       round-robin fashion. Users can optionally configure for each file the
 842       number of stripes, stripe size, and OSTs that are used.</para>
 843       <para>Striping can be used to improve performance when the aggregate
 844       bandwidth to a single file exceeds the bandwidth of a single OST. The
 845       ability to stripe is also useful when a single OST does not have enough
 846       free space to hold an entire file. For more information about benefits
 847       and drawbacks of file striping, see
 848       <xref linkend="dbdoclet.50438209_48033" />.</para>
 849       <para>Striping allows segments or 'chunks' of data in a file to be stored
 850       on different OSTs, as shown in
 851       <xref linkend="understandinglustre.fig.filestripe" />. In the Lustre file
 852       system, a RAID 0 pattern is used in which data is "striped" across a
 853       certain number of objects. The number of objects in a single file is
 854       called the
 855       <literal>stripe_count</literal>.</para>
 856       <para>Each object contains a chunk of data from the file. When the chunk
 857       of data being written to a particular object exceeds the
 858       <literal>stripe_size</literal>, the next chunk of data in the file is
 859       stored on the next object.</para>
 860       <para>Default values for
 861       <literal>stripe_count</literal> and
 862       <literal>stripe_size</literal> are set for the file system. The default
 863       value for
 864       <literal>stripe_count</literal> is 1 stripe for file and the default value
 865       for
 866       <literal>stripe_size</literal> is 1MB. The user may change these values on
 867       a per directory or per file basis. For more details, see
 868       <xref linkend="dbdoclet.50438209_78664" />.</para>
 869       <para>
 870       <xref linkend="understandinglustre.fig.filestripe" />, the
 871       <literal>stripe_size</literal> for File C is larger than the
 872       <literal>stripe_size</literal> for File A, allowing more data to be stored
 873       in a single stripe for File C. The
 874       <literal>stripe_count</literal> for File A is 3, resulting in data striped
 875       across three objects, while the
 876       <literal>stripe_count</literal> for File B and File C is 1.</para>
 877       <para>No space is reserved on the OST for unwritten data. File A in
 878       <xref linkend="understandinglustre.fig.filestripe" />.</para>
 879       <figure xml:id="understandinglustre.fig.filestripe">
 880         <title>File striping on a
 881         Lustre file system</title>
 882         <mediaobject>
 883           <imageobject>
 884             <imagedata scalefit="1" width="100%"
 885             fileref="./figures/File_Striping.png" />
 886           </imageobject>
 887           <textobject>
 888             <phrase>File striping pattern across three OSTs for three different
 889             data files. The file is sparse and missing chunk 6.</phrase>
 890           </textobject>
 891         </mediaobject>
 892       </figure>
 893       <para>The maximum file size is not limited by the size of a single
 894       target. In a Lustre file system, files can be striped across multiple
 895       objects (up to 2000), and each object can be up to 16 TiB in size with
 896       ldiskfs, or up to 256PiB with ZFS. This leads to a maximum file size of
 897       31.25 PiB for ldiskfs or 8EiB with ZFS. Note that a Lustre file system can
 898       support files up to 2^63 bytes (8EiB), limited only by the space available
 899       on the OSTs.</para>
 900       <note>
 901         <para>Versions of the Lustre software prior to Release 2.2 limited the
 902         maximum stripe count for a single file to 160 OSTs.</para>
 903       </note>
 904       <para>Although a single file can only be striped over 2000 objects,
 905       Lustre file systems can have thousands of OSTs. The I/O bandwidth to
 906       access a single file is the aggregated I/O bandwidth to the objects in a
 907       file, which can be as much as a bandwidth of up to 2000 servers. On
 908       systems with more than 2000 OSTs, clients can do I/O using multiple files
 909       to utilize the full file system bandwidth.</para>
 910       <para>For more information about striping, see
 911       <xref linkend="managingstripingfreespace" />.</para>
 912     </section>
 913   </section>
 914 </chapter>