好未来：多云环境下基于 JuiceFS 建设低运维模型仓库
好未来，前身学而思，于 2010 年在美国纽约证券交易所上市。公司积极将大模型研究应用于教学产品中，近期推出了数学领域的千亿级大模型。
在大模型的背景下，存储系统需处理巨量数据和复杂文件操作，要求支持高并发和高吞吐量。此外，还需应对版本管理、模型训练性能优化和多云分发的挑战。
为解决这些问题，团队基于 JuiceFS 开发了一个模型仓库，支持用户训练过程存储 checkpoint，并且控制面支持用户从各个云环境上传并统一管理模型。通过 JuiceFS CSI 组件，好未来将模型仓库挂载到各个集群中，大模型文件挂载配置只需 1-3 分钟，使得 AI 应用弹性变得更加容易。
此外，通过实施权限控制、克隆备份等策略，有效减少了用户误操作的损失并提高了数据安全性。目前好未来在多云多地部署了两套元数据和数据仓库；对象存储的使用规模达 6TB，存储超过 100 个模型。
01 大模型背景下模型仓库的挑战
在以往传统的 DevOps 研发流程中，我们通常以容器镜像为交付物，即由 Docker Builder 构建出一个镜像，然后通过 docker push 命令将其推送至 Docker Hub 或其他镜像仓库中。客户端的数据面则会通过 Docker 的方式，从中心镜像仓库拉取镜像至本地，这一过程中可能会采用一些加速手段以提高效率。
到 AI 场景时，情况就有所不同了。以训练任务为例，它可能会使用 Torch Save、Megatron save_checkpoint或其他方式生成一个序列化的文件，这个文件随后会以 Linux POSIX 方式写入到存储中，这个存储可以是对象存储（如阿里云的 OSS）或文件系统（如 GPFS 或 NFS）。简而言之，训练任务通过写文件系统的方式，将模型写入到远程存储中，从而实现了模型的上传。整个过程中还包含一些评估步骤，但在此我们略去不谈，以精简描述整个流程。与传统 IT 交付中仅仅涉及镜像的推送和拉取不同，AI 场景需要处理更大规模的数据和更复杂的文件操作，对存储系统的要求更为苛刻，常常需要高并发和高吞吐量的支持。
到了推理阶段，在容器的场景下，需要通过 CSI 方式去挂载 NFS 或者 GPFS 系统或对象存储系统来达到将远程的模型拉取到容器场景中。从表面上看，这个流程似乎并无问题，也能够正常工作。然而，在实际运行过程中，我们还是发现了不少明显的问题。
首要问题是缺乏版本管理
。对于传统的容器镜像，我们有明确的交付物和版本信息，包括上传者、大小等详细信息。然而，在模型仓库中，由于模型通常是以 Linux 文件系统的方式存储的（文件或文件夹形式），因此缺乏版本管理和元数据信息，如上传者、修改者等。其次，模型仓库无法实现加速和多云分发
。在 Docker 场景中，我们可以使用如 Dragonfly 等工具进行加速。但是，在使用 NFS、GFS 或 OSS 等存储系统时，却缺乏一个有效的加速方案。同时，也无法实现多云分发。以 NFS 为例，它基本上是闭环于一个 IDC 内部的，无法实现跨 IDC 甚至跨云的挂载。即使能够实现挂载，其速度也会非常慢，因此我们可以认为它无法实现多云分发。最后，安全性差
。在推理场景下，整个模型仓库需要挂载到容器中。如果客户端的挂载权限过大（例如挂载了一个包含大量模型的目录），就可能导致模型泄露或误删除的问题。特别是当挂载方式为可读可写时，客户端甚至有可能删除模型文件。
由此衍生出不同场景对模型仓库的存储需求。
训练场景的存储需求：
- 模型下载与处理
：在算法建模阶段，需要下载并可能转换及切分各种模型，这包括开源模型、参考模型或自设计的网络结构。例如，进行模型的 TP（Tensor Parallelism）和 PP（Pipeline Parallelism）切分。 - 高性能读写
：训练阶段要求存储系统具备极高的读写吞吐能力，以便存储大规模的 checkpoint 文件。这些文件可能非常庞大，如单个 checkpoint 文件大小接近 1TB。
推理场景的存储需求：
- 模型版本管理与服务化
：当模型更新至新版本时，需要进行版本发布和审批流程。此外，在模型服务化过程中，可能需要频繁地扩展或收缩使用的 GPU 资源，这通常在夜间进行资源释放，在白天进行资源扩展。 - 高读吞吐性能
：由于白天需频繁拉取模型副本以应对资源扩展，存储系统需支持高效的读操作，确保快速响应模型拉取需求。
此外，从管理者角度存在以下需求：
- 团队级模型管理
：模型仓库应支持按团队进行模型的隔离管理，确保不同团队之间模型的隐私和独立性。 - 详尽的版本控制
：存储系统应能清晰记录模型的迭代时间、版本用途等元信息，支持模型的上传、下载、审计和分享功能。
02 存储选型：如何在成本、性能、稳定性之间取舍？
核心考量点
首先，要降低对云厂商的依赖
，确保技术方案在自建 IDC 以及多个云厂商之间保持一致性和统一性；
其次，成本也是一个重要的考量因素
。虽然资金充足可以支持更好的解决方案，但成本效益分析同样重要。我们需要综合考虑各种存储方案的成本，包括本地磁盘、GPFS 以及对象存储（如 OSS）等；
第三，性能是关键因素
。根据之前的背景介绍，模型仓库的读写性能都有较高要求。因此，我们需要在单个 IDC 或单个云上实现模型读写流量的闭环，以确保高性能；
最后，稳定性也是不可忽视的因素
。我们不会为了支撑模型仓库而引入过高的运维复杂度。因此，对组件的繁杂程度和稳定性都有很高的要求。
主要技术选型对比
Fluid + Alluxio + OSS
：该方案在前几年已经相对成熟并受到广泛关注。它融合了云原生的编排能力和对象存储的加速能力，实现了多云技术上的统一。无论是在阿里云、腾讯云还是自建的 IDC 中，都能采用这一方案。此外，该方案在社区的应用也相当广泛。
然而，它也存在一些不足。例如，它无法与 Ceph Rados 进行结合，这在我们集团内部是一个已有的技术栈。同时，该方案的运维复杂度较高，组件较多且资源消耗较大。对于大文件的读取速度，该方案的表现也并不理想。此外，客户端的稳定性也有待进一步验证。
GPFS
：它是一个商业并行文件系统，读写性能强劲，且我们集团已经购买了这一产品。此外，GPFS 在处理海量小文件方面也具有显著优势。然而，它的劣势同样明显。首先，它无法实现多云同步，这意味着我们在 IDC 购买的 GPU 无法在其他云上再购买一套 GPFS，成本高昂。其次，GPFS 的容量价格也非常昂贵，是 OSS 的好几倍。
CephFS
：我们集团内对该技术有一定的技术沉淀和优势。然而，它同样无法实现多云同步，运营成本较高。
JuiceFS
：它的优势在于支持多云同步，运维简单，组件较少且观测性较好。成本方面，它基本上只有对象存储的费用，除了元数据管理外，没有其他额外成本。此外，JuiceFS 既可以在云上搭配对象存储使用，也可以在 IDC 搭配 Ceph Rados 使用。综合考虑以上因素，我们选择了 JuiceFS 作为支持大模型模型仓库的底层存储系统。
03 好未来模型仓库实践方案
训练场景中模型仓库读写设计: 单云训练
首先，聚焦于训练场景中的模型仓库读写设置
。我们采用单云训练策略，即在单一云平台上进行模型训练，而非跨多云进行，这主要考虑到实际操作中的可行性和效率。
针对训练场景下的读写需求，我们制定了以下方案：我们将大量 GPU 机器上冗余的 NVMe 磁盘组成一个 ceph 集群，使用 JuiceFS 对接 Rodos， 从而实现 ceph 集群的读写操作。 在模型训练过程中，模型会以 JuiceFS CSI 方式挂载一个盘。当需要执行 checkpoint 存储或加载时，将直接对 Rodos 进行读写操作。
经实测，在大模型训练过程中，checkpoint 写入速度可达到 15GB/s
。
在元数据管理方面，我们选择了 Redis。相较于 OceanBase 或 TiKV 等复杂元数据管理引擎，我们选择 redis 主要出于以下考虑：
我们仅将其用于大文件的存储，而每个文件的大小可能达到数 GB。因此，我们判断其数据量相对较小，无需采用复杂的元数据管理引擎，以减轻运维负担
。
推理场景中模型仓库读写设计: 多云推理
与训练场景不同，推理资源通常分布在多云平台上，如阿里云、腾讯云等。在这些云平台上，我们不会购买大量的 NVMe 机器，因为云上本身具备对象存储能力。因此，我们采用了 JuiceFS 的经典模式，即 JuiceFS 加上 Redis，与云厂商的对象存储组成一个集群。在推理过程中，模型文件以只读方式挂载，以避免程序对其进行修改。此外，我们还设计了一个面向多云环境的间歇性同步方案，以确保模型能够同步到所有云的 JuiceFS 上。
在面对某些挑战时，当需要在白天大规模扩容推理服务时，以扩容 HPA（Horizontal Pod Autoscaler）为例，这种定点扩容会导致大量推理服务同时启动，并需要迅速读取大量的模型文件。这种情况下，如果没有本地缓存的支持，带宽消耗将极为巨大。
为了应对这一挑战，我们采用了 “warm up” 策略。即在定时扩容之前，通过预热的方式将即将被读取的模型文件预先加载到缓存中。这样做可以显著提升扩容的弹性速度，确保推理服务能够迅速启动并投入运行。
管理端：模型仓库上传与下载的设计
管理端主要聚焦于上传和下载功能。我们自主开发了一个客户端，该客户端支持通过 S3 协议上传模型文件。S3 网关会接收并转化这些请求，然后与元数据系统进行交互，如 Redis 等。
在我们的应用场景中，还有一项重要的设计是对相同文件进行去重处理。我们采用了类似于 Docker 镜像仓库的设计思路，即为每个文件计算 MD5 值。如果两个文件的 MD5 值相同，则不会进行重复上传。这一设计不仅节省了存储空间，还提高了上传效率。
此外，在更新模型时，我们还会保留一些快照。使用 JuiceFS 快照功能复制文件时，它并不会在 OSS 中新增文件，而只是在元数据中进行记录。这种方式使得我们在进行模型更新和快照保留时更加便捷高效。
04 未来展望
按需同步多云的模型仓库
：我们目前的做法是采取定期批量同步的方式，将 JuiceFS 在某个云上的集群数据进行同步。然而，这种做法相对简单粗暴，可能无法满足未来对于数据同步的更高需求。因此，我们计划进行改进，实现一个标记型的同步系统。该系统将能够识别需要同步的区域，并在收到模型上传事件后，自动将这些数据同步到多云平台上。此外，我们还将引入一些 warm up 策略，以优化数据同步的过程，提高同步效率和准确性。
扩展单机 cache 和分布式 cache
：我们目前单机使用了3T MVME的 cache 方式，在短期内来看，这种方式的容量还是相对充足的。然而，从长远来看，为了满足更大的数据存储和访问需求，我们将基于一致性哈希的原理，在客户端自主研发一个分布式 cache 组件。这个组件将能够更大程度地提升开启的容量和命中率，从而满足未来对于数据存储和访问的更高要求。
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