Minio 文件服务（1）—— Minio部署使用及存储机制分析
Minio 文件服务（2）—— Minio用Nginx做负载均衡
本文参考Minio官方文档，使用细节里面说的很详细，本文主要讲解文档中较少涉及的Minio存储机制。以及我在使用中部署和使用Java SDK访问的过程。
简介
Minio 是一个基于Apache License v2.0开源协议的
对象存储服务。它兼容亚马逊S3云存储服务接口，非常适合于存储大容量非结构化的数据，例如图片、视频、日志文件、备份数据和容器/虚拟机镜像等，而一个对象文件可以是任意大小，从几kb到最大5T不等。
Minio是一个非常轻量的服务,可以很简单的和其他应用的结合，类似 NodeJS, Redis 或者 MySQL。
存储机制
Minio使用纠删码
erasure code和校验和checksum来保护数据免受硬件故障和无声数据损坏。 即便丢失一半数量（N/2）的硬盘，仍然可以恢复数据。
纠删码
纠删码是一种恢复丢失和损坏数据的数学算法，目前，纠删码技术在分布式存储系统中的应用主要有三类，阵列纠删码（Array Code: RAID5、RAID6等）、RS(Reed-Solomon)里德-所罗门类纠删码和LDPC(LowDensity Parity Check Code)低密度奇偶校验纠删码。Erasure Code是一种编码技术，它可以将n份原始数据，增加m份数据，并能通过n+m份中的任意n份数据，还原为原始数据。即如果有任意小于等于m份的数据失效，仍然能通过剩下的数据还原出来。
Minio采用Reed-Solomon code将对象拆分成N/2数据和N/2 奇偶校验块。因此下面主要讲解RS类纠删码。
RS code编码数据恢复原理：
RS编码以word为编码和解码单位，大的数据块拆分到字长为w（取值一般为8或者16位）的word，然后对word进行编解码。 数据块的编码原理与word编码原理相同，后文中以word为例说明，变量Di, Ci将代表一个word。
把输入数据视为向量D=(D1，D2，..., Dn）, 编码后数据视为向量（D1, D2,..., Dn, C1, C2,.., Cm)，RS编码可视为如下（图1）所示矩阵运算。
图1最左边是编码矩阵（或称为生成矩阵、分布矩阵，Distribution Matrix），编码矩阵需要满足任意n*n子矩阵可逆。为方便数据存储，编码矩阵上部是单位阵（n行n列），下部是m行n列矩阵。下部矩阵可以选择范德蒙德矩阵或柯西矩阵。
RS最多能容忍m个数据块被删除。 数据恢复的过程如下：
（1）假设D1、D4、C2丢失，从编码矩阵中删掉丢失的数据块/编码块对应的行。（图2、3）
（2）由于B' 是可逆的，记B'的逆矩阵为 (B'^-1)，则B' * (B'^-1) = I 单位矩阵。两边左乘B' 逆矩阵。 （图4、5）
（3）得到如下原始数据D的计算公式 。
（4）对D重新编码，可得到丢失的编码码
实践
Minio采用Reed-Solomon code将对象拆分成N/2数据和N/2 奇偶校验块。 这就意味着如果是12块盘，一个对象会被分成6个数据块、6个奇偶校验块，可以丢失任意6块盘（不管其是存放的数据块还是奇偶校验块），仍可以从剩下的盘中的数据进行恢复。
以下是我在4个节点上部署的集群，部署代码如下面多节点部署所示。
1、我在minio服务中上传了一个hello.txt文件，内容为：hello,how are you?\n 共20个字符。
2、然后在对应的bucket里会生成一个名为hello.txt的文件夹，文件夹里有2个文件，查看4个节点的part.1文件，会发现其中2个文件均分存放了原始数据hello,how are you?\n ，另外2个文件是乱码，但是根据上述分析应该存的就是奇偶校验块，充当编码矩阵的作用。因此part.1文件是存储就删码的。
(数据块和奇偶校验块所存储的节点位置不是固定不变的)
3、而另一个json文件中的内容如下，对比了4个节点xl.json文件的差别，发现只有index和checksum中的hash值不同。因此这个json文件是存储校验和的。保护数据免受无声数据损坏。
模拟数据丢失的情况
新建一个happy.txt文件，上传至文件服务，在服务器的4个节点上可以看见该文件生成了一个part.1和xl.json文件。
第一步删除005号服务器上的数据块，下载该文件，可读；
第二步删除004号服务器上的数据块，下载该文件，可读；
第二步删除003号服务器上的数据块，下载该文件，不可读，得到空白文件；因为丢失的硬盘数量大于N/2，不可恢复健康数据。
模拟checksum丢失的情况
新建一个sing.txt文件，上传至文件服务，在服务器的4个节点上可以看见该文件生成了一个part.1和xl.json文件。
第一步删除005号服务器上的校验块，下载该文件，可读；
第二步删除004号服务器上的校验块，下载该文件，可读；
第二步删除003号服务器上的校验块，下载该文件，不可读，页面报异常，返回页面后该文件已不存在。
再看服务器中但存储，文件名变为.CORRUPTED后缀。文件被损坏。
单机Minio服务存在单点故障，相反，如果是一个N节点的分布式Minio,只要有N/2节点在线，你的数据就是安全的。不过你需要至少有N/2+1个节点 Quorum 来创建新的对象。
例如，一个8节点的Minio集群，每个节点一块盘，就算4个节点宕机，这个集群仍然是可读的，不过你需要5个节点才能写数据。
部署
单节点
（容器部署）
docker pull minio/minio
#在Docker中运行Minio单点模式
docker run -p 9000:9000 -e MINIO_ACCESS_KEY=sunseaiot -e MINIO_SECRET_KEY=sunseaiot minio/minio server /data
#要创建具有永久存储的Minio容器，您需要将本地持久目录从主机操作系统映射到虚拟配置~/.minio 并导出/data目录
#建立外挂文件夹 /Users/hbl/dockersp/volume/minio/
docker run -p 9000:9000 -e MINIO_ACCESS_KEY=sunseaiot -e MINIO_SECRET_KEY=sunseaiot -v /Users/hbl/dockersp/volume/minio/data:/data -v /Users/hbl/dockersp/volume/minio/config:/root/.minio minio/minio server /data
多节点
分布式搭建的流程和单节点基本一样，Minio服务基于命令行传入的参数自动切换成单机模式还是分布式模式。
分布式Minio单租户存在最少4个盘最多16个盘的限制（受限于纠删码）。这种限制确保了Minio的简洁，同时仍拥有伸缩性。如果你需要搭建一个多租户环境，你可以轻松的使用编排工具（Kubernetes）来管理多个Minio实例。
纠删码 (多块硬盘 / 服务)
| 项目 | 参数 |
|---|---|
| 最大驱动器数量 | 16 |
| 最小驱动器数量 | 4 |
| 读仲裁 | N / 2 |
| 写仲裁 | N / 2+1 |
（多节点部署如果要使用容器需要用docker swarm 和K8s，文档中有介绍，本文重点不在此因此我直接在4个服务器上安装了Minio，直接运行即可。Minio服务基于命令行传入的参数自动切换成单机模式还是分布式模式，启动一个分布式Minio实例，你只需要把硬盘位置做为参数传给minio server命令即可，然后，你需要在所有其它节点运行同样的命令。）
部署4主机，每机单块磁盘（drive）
export MINIO_ACCESS_KEY=123456
export MINIO_SECRET_KEY=123456
./minio server http://192.168.8.110/export1 \
http://192.168.8.111/export2 \
http://192.168.8.112/export3 \
http://192.168.8.113/export4
部署4主机，每机2块磁盘（drives）
export MINIO_ACCESS_KEY=123456
export MINIO_SECRET_KEY=123456
./minio server http://192.168.8.110/export1 http://192.168.1.110/export2 \
http://192.168.8.111/export1 http://192.168.1.111/export2 \
http://192.168.8.112/export1 http://192.168.1.112/export2 \
http://192.168.8.113/export1 http://192.168.1.113/export2
后台运行
由于不是用docker部署的，所以需要将进程加入后台运行。使用nohup指令。
export MINIO_ACCESS_KEY=SunseaIoT2018!
export MINIO_SECRET_KEY=SunseaIoT2018!
nohup ./minio server http://192.168.8.110/minio1 \
http://192.168.8.111/minio2 \
http://192.168.8.112/minio3 \
http://192.168.8.113/minio4 > out.file 2>&1 &
使用
部署好Minio服务后可以通过浏览器访问。输入设置好的用户名和密码即可进行操作。
Java SDK访问Minio服务
package com.minio.client;
import io.minio.MinioClient;
import io.minio.errors.MinioException;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.xmlpull.v1.XmlPullParserException;
import java.io.IOException;
import java.security.InvalidKeyException;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;
@Slf4j
public class FileUploader {
public static void main(String[] args) throws NoSuchAlgorithmException, IOException, InvalidKeyException, XmlPullParserException {
try {
MinioClient minioClient = new MinioClient("https://minio.sunseaiot.com", "sunseaiot", "sunseaiot",true);
// 检查存储桶是否已经存在
if(minioClient.bucketExists("ota")) {
log.info("Bucket already exists.");
} else {
// 创建一个名为ota的存储桶
minioClient.makeBucket("ota");
log.info("create a new bucket.");
}
//获取下载文件的url，直接点击该url即可在浏览器中下载文件
String url = minioClient.presignedGetObject("ota","hello.txt");
log.info(url);
//获取上传文件的url，这个url可以用Postman工具测试，在body里放入需要上传的文件即可
String url2 = minioClient.presignedPutObject("ota","ubuntu.tar");
log.info(url2);
// 下载文件到本地
minioClient.getObject("ota","hello.txt", "/Users/hbl/hello2.txt");
log.info("get");
// 使用putObject上传一个本地文件到存储桶中。
minioClient.putObject("ota","tenant2/hello.txt", "/Users/hbl/hello.txt");
log.info("/Users/hbl/hello.txt is successfully uploaded as hello.txt to `task1` bucket.");
} catch(MinioException e) {
log.error("Error occurred: " + e);
}
}
}
