背景與概覽
Swift 最初是由 Rackspace 公司開發的高可用分布式對象存儲服務，並於 2010 年貢獻給 OpenStack 開源社區作為其最初的核心子項目之一，為其 Nova 子項目提供虛機鏡像存儲服務。Swift 構築在比較便宜的標准硬件存儲基礎設施之上，無需采用 RAID（磁盤冗余陣列），通過在軟件層面引入一致性散列技術和數據冗余性，犧牲一定程度的數據一致性來達到高可用性和可伸縮性，支持多租戶模式、容器和 對象讀寫操作，適合解決互聯網的應用場景下非結構化數據存儲問題。
此項目是基於 Python 開發的，采用 Apache 2.0 許可協議，可用來開發商用系統。
基本原理
一致性散列（Consistent Hashing)
面 對海量級別的對象，需要存放在成千上萬台服務器和硬盤設備上，首先要解決尋址問題，即如何將對象分布到這些設備地址上。Swift 是基於一致性散列技術，通過計算可將對象均勻分布到虛擬空間的虛擬節點上，在增加或刪除節點時可大大減少需移動的數據量；虛擬空間大小通常采用 2 的 n 次冪，便於進行高效的移位操作；然后通過獨特的數據結構 Ring（環）再將虛擬節點映射到實際的物理存儲設備上，完成尋址過程。
圖 1. 一致性散列
如圖 1 中所示，以逆時針方向遞增的散列空間有 4 個字節長共 32 位，整數范圍是[0~232-1]；將散列結果右移 m 位，可產生 232-m個虛擬節點，例如 m=29 時可產生 8 個虛擬節點。在實際部署的時候需要經過仔細計算得到合適的虛擬節點數，以達到存儲空間和工作負載之間的平衡。
數據一致性模型（Consistency Model）
按 照 Eric Brewer 的 CAP（Consistency，Availability，Partition Tolerance）理論，無法同時滿足 3 個方面，Swift 放棄嚴格一致性（滿足 ACID 事務級別），而采用最終一致性模型（Eventual Consistency），來達到高可用性和無限水平擴展能力。為了實現這一目標，Swift 采用 Quorum 仲裁協議(Quorum 有法定投票人數的含義)：
（1）定義：N：數據的副本總數；W：寫操作被確認接受的副本數量；R：讀操作的副本數量
（2）強一致性：R+W>N， 以保證對副本的讀寫操作會產生交集，從而保證可以讀取到最新版本；如果 W=N，R=1，則需要全部更新，適合大量讀少量寫操作場景下的強一致性；如果 R=N，W=1，則只更新一個副本，通過讀取全部副本來得到最新版本，適合大量寫少量讀場景下的強一致性。
（3）弱一致性：R+W<=N，如果讀寫操作的副本集合不產生交集，就可能會讀到臟數據；適合對一致性要求比較低的場景。
Swift 針對的是讀寫都比較頻繁的場景，所以采用了比較折中的策略，即寫操作需要滿足至少一半以上成功 W >N/2，再保證讀操作與寫操作的副本集合至少產生一個交集，即 R+W>N。Swift 默認配置是 N=3，W=2>N/2，R=1 或 2，即每個對象會存在 3 個副本，這些副本會盡量被存儲在不同區域的節點上；W=2 表示至少需要更新 2 個副本才算寫成功；當 R=1 時意味着某一個讀操作成功便立刻返回，此種情況下可能會讀取到舊版本（弱一致性模型）；當 R=2 時，需要通過在讀操作請求頭中增加 x-newest=true 參數來同時讀取 2 個副本的元數據信息，然后比較時間戳來確定哪個是最新版本（強一致性模型）；如果數據出現了不一致，后台服務進程會在一定時間窗口內通過檢測和復制協議來 完成數據同步，從而保證達到最終一致性。如圖 2 所示：
圖 2. Quorum 協議示例
環的數據結構
環是為了將虛擬節點（分區）映射到一組物理存儲設備上，並提供一定的冗余度而設計的，其數據結構由以下信息組成：
- 存儲設備列表、設備信息包括唯一標識號（id）、區域號（zone）、權重（weight）、IP 地址（ip）、端口（port）、設備名稱（device）、元數據（meta）。
- 分區到設備映射關系（replica2part2dev_id 數組)
- 計算分區號的位移(part_shift 整數，即圖 1 中的 m)
以查找一個對象的計算過程為例：
圖 3. 環的數據機構
使 用對象的層次結構 account/container/object 作為鍵，使用 MD5 散列算法得到一個散列值，對該散列值的前 4 個字節進行右移操作得到分區索引號，移動位數由上面的 part_shift 設置指定；按照分區索引號在分區到設備映射表（replica2part2dev_id）里查找該對象所在分區的對應的所有設備編號，這些設備會被盡量選 擇部署在不同區域（Zone）內，區域只是個抽象概念，它可以是某台機器，某個機架，甚至某個建築內的機群，以提供最高級別的冗余性，建議至少部署 5 個區域；權重參數是個相對值，可以來根據磁盤的大小來調節，權重越大表示可分配的空間越多，可部署更多的分區。
Swift 為賬戶，容器和對象分別定義了的環，查找賬戶和容器的是同樣的過程。
數據模型
Swift 采用層次數據模型，共設三層邏輯結構：Account/Container/Object（即賬戶/容器/對象)，每層節點數均沒有限制，可以任意擴展。 這里的賬戶和個人賬戶不是一個概念，可理解為租戶，用來做頂層的隔離機制，可以被多個個人賬戶所共同使用；容器代表封裝一組對象，類似文件夾或目錄；葉子 節點代表對象，由元數據和內容兩部分組成，如圖 4 所示：
圖 4. Swift 數據模型
系統架構
Swift 采用完全對稱、面向資源的分布式系統架構設計，所有組件都可擴展，避免因單點失效而擴散並影響整個系統運轉；通信方式采用非阻塞式 I/O 模式，提高了系統吞吐和響應能力。
圖 5. Swift 系統架構
Swift 組件包括：
- 代理服務（Proxy Server）：對外提供對象服務 API，會根據環的信息來查找服務地址並轉發用戶請求至相應的賬戶、容器或者對象服務；由於采用無狀態的 REST 請求協議，可以進行橫向擴展來均衡負載。
- 認證服務（Authentication Server）：驗證訪問用戶的身份信息，並獲得一個對象訪問令牌（Token），在一定的時間內會一直有效；驗證訪問令牌的有效性並緩存下來直至過期時間。
- 緩存服務（Cache Server）：緩存的內容包括對象服務令牌，賬戶和容器的存在信息，但不會緩存對象本身的數據；緩存服務可采用 Memcached 集群，Swift 會使用一致性散列算法來分配緩存地址。
- 賬戶服務（Account Server）：提供賬戶元數據和統計信息，並維護所含容器列表的服務，每個賬戶的信息被存儲在一個 SQLite 數據庫中。
- 容器服務（Container Server）：提供容器元數據和統計信息，並維護所含對象列表的服務，每個容器的信息也存儲在一個 SQLite 數據庫中。
- 對象服務（Object Server）：提供對象元數據和內容服務，每個對象的內容會以文件的形式存儲在文件系統中，元數據會作為文件屬性來存儲，建議采用支持擴展屬性的 XFS 文件系統。
- 復制服務（Replicator）：會檢測本地分區副本和遠程副本是否一致，具體是通過對比散列文件和高級水印來完成，發現不一致時會采用推式 （Push）更新遠程副本，例如對象復制服務會使用遠程文件拷貝工具 rsync 來同步；另外一個任務是確保被標記刪除的對象從文件系統中移除。
- 更新服務（Updater）：當對象由於高負載的原因而無法立即更新時，任務將會被序列化到在本地文件系統中進行排隊，以便服務恢復后進行異步更新；例如 成功創建對象后容器服務器沒有及時更新對象列表，這個時候容器的更新操作就會進入排隊中，更新服務會在系統恢復正常后掃描隊列並進行相應的更新處理。
- 審計服務（Auditor）：檢查對象，容器和賬戶的完整性，如果發現比特級的錯誤，文件將被隔離，並復制其他的副本以覆蓋本地損壞的副本；其他類型的錯誤會被記錄到日志中。
- 賬戶清理服務（Account Reaper）：移除被標記為刪除的賬戶，刪除其所包含的所有容器和對象。
API
Swift 通過 Proxy Server 向外提供基於 HTTP 的 REST 服務接口，對賬戶、容器和對象進行 CRUD 等操作。在訪問 Swift 服務之前，需要先通過認證服務獲取訪問令牌，然后在發送的請求中加入頭部信息 X-Auth-Token。下面是請求返回賬戶中的容器列表的示例：
GET /v1/<account> HTTP/1.1 Host: storage.swift.com X-Auth-Token: eaaafd18-0fed-4b3a-81b4-663c99ec1cbb 響應頭部信息中包含狀態碼 200，容器列表包含在響應體中： HTTP/1.1 200 Ok Date: Thu, 07 Jan 2013 18:57:07 GMT Server: Apache Content-Type: text/plain; charset=UTF-8 Content-Length: 32 images movies documents backups
Swift 支持的所有操作可以總結為表 1：
表 1. Swift RESTful API 總結
| 資源類型 | URL | GET | PUT | POST | DELETE | HEAD |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 賬戶 | /account/ | 獲取容器列表 | - | - | - | 獲取賬戶元數據 |
| 容器 | /account/container | 獲取對象列表 | 創建容器 | 更新容器元數據 | 刪除容器 | 獲取容器元數據 |
| 對象 | /account/container/object | 獲取對象內容和元數據 | 創建、更新或拷貝對象 | 更新對象元數據 | 刪除對象 | 獲取對象元數據 |
詳細的 API 規范可以參考開發者指南。應用開發可采用 Swift 項目本身已經包含的 Python 的綁定實現；如果使用其它編程語言，可以參考 Rackspace 兼容 Swift 的 Cloud Files API，支持 Java，.Net，Ruby，PHP 等語言綁定。
結束語
OpenStack Swift 作為穩定和高可用的開源對象存儲被很多企業作為商業化部署，如新浪的 App Engine 已經上線並提供了基於 Swift 的對象存儲服務，韓國電信的 Ucloud Storage 服務。有理由相信，因為其完全的開放性、廣泛的用戶群和社區貢獻者，Swift 可能會成為雲存儲的開放標准，從而打破 Amazon S3 在市場上的壟斷地位，推動雲計算在朝着更加開放和可互操作的方向前進。