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基于 FSSpec 的Alluxio Python Filesystem API

实验性功能

Alluxio Python SDK (alluxiofs) 是基于FSSpec的，允许应用程序通过统一的Python文件系统接口无缝地与各种存储后端进行交互。它利用高性能的分布式缓存层，即Alluxio集群，显著提高数据访问的速度，降低延迟，这对于数据密集型应用程序和工作流非常有好处，特别是针对AI训练场景，在模型的训练过程中需要快速且重复地访问大型数据集，加速效果异常明显。

先决条件

  • 正在运行的Alluxio集群

  • Python版本 >= 3.8

安装

安装依赖

安装底层数据湖存储（如s3，oss）

示例：将S3作为底层数据湖存储，安装第三方S3存储

pip install s3fs

安装 alluxiofs

pip install alluxiofs

环境准备

  1. 启动 Alluxio 集群，至少包含 1 个 coordinator 和 1 个 worker

  • 如果您希望在 Kubernetes 中启动集群，请参考Alluxio 官方文档。

  • 如果您希望在物理裸机上启动集群，可以使用 ./bin/alluxio process start 命令行工具。

  1. 使用 UFS 的凭证配置 Alluxio

# S3 相关配置
s3a.accessKeyId=your-s3a-accessKeyId
s3a.secretKey=your-s3a-secretKey

# OSS 相关配置
fs.oss.accessKeyId=your-oss-keyid
fs.oss.accessKeySecret=your-oss-secert
fs.oss.endpoint=your-oss-endpoint

  1. 使用 FSSpec 与 Alluxio 交互 关于具体的细节，参考创建alluxiofs实例和alluxiofs基本的文件操作

将数据加载到Alluxio

如果数据已经加载到Alluxio集群中，请跳过此步骤。

下面是一个简单的示例，该例子创建了一个客户端，用于连接到在 Kubernetes 中使用 ETCD 进行集群成员管理的 Alluxio 集群。集群的服务名称为 alluxio-etcd.alluxio-ai，集群名称为 alluxio，位于 alluxio-ai 命名空间，并使用 S3 作为底层存储。有关更多配置设置，请参见连接Alluxio集群的参数。

向Alluxio集群提交分布式加载作业：

from alluxiofs.client import AlluxioClient

alluxio_client = AlluxioClient(cluster_name="alluxio", etcd_hosts="alluxio-etcd.alluxio-ai")
alluxio_client.submit_load("s3://bucket/path/to/dataset/")

这将异步触发加载作业。您可以等待加载完成或使用以下命令检查此加载的进度：

alluxio_client.load_progress("s3://bucket/path/to/dataset/")

取消分布式加载作业:

alluxio_client.stop_load("s3://bucket/path/to/dataset/")

创建alluxiofs实例

以下是一个简单的文件系统处理程序创建过程，用于连接到在 Kubernetes 中使用 ETCD 进行集群成员管理的 Alluxio 集群。该服务名为 alluxio-etcd.alluxio-ai，集群名称为 alluxio，位于 alluxio-ai 命名空间，并使用 S3 作为底层存储。

import fsspec
from alluxiofs import AlluxioFileSystem, setup_logger

# Register Alluxio to fsspec
fsspec.register_implementation("alluxiofs", AlluxioFileSystem, clobber=True)

# Create Alluxio filesystem
alluxio_options = {
    "alluxio.worker.page.store.page.size": "4MB",
}
alluxio_fs = fsspec.filesystem(
    "alluxiofs",
    cluster_name="alluxio",
    etcd_hosts="alluxio-etcd.alluxio-ai",
    target_protocol="s3",
    options=alluxio_options
    logger=setup_logger("./", level=logging.DEBUG),
)

有关Alluxio集群和/或存储系统连接的高级参数设置，请参见高级初始化参数。

alluxiofs基本的文件操作

# list files
contents = alluxio_fs.ls("s3://bucket/path/to/dataset/", detail=True)

# Read files
with alluxio_fs.open("s3://bucket/path/to/dataset/file1.parquet", "rb") as f:
    data = f.read()

更多关于fsspec的Python文件系统操作示例，可以参见fsspec官方文档。

与其他框架的集成

Ray

Ray是一个快速且简单的框架，用于构建和运行分布式应用程序。 在Ray之上运行的PyTorch，TensorFlow和XGBoost训练器可以利用Ray的高级功能，如创建异构集群，用CPU机器来进行数据加载和预处理，用GPU机器来进行训练。 可以使用Ray Data并行化进行数据加载、预处理和训练。

像PyTorch这样的训练器会在每个时期重复读取相同的数据集。 对于PyTorch来说，在每个 epoch 获取大量的数据集已经成为训练的瓶颈。 通过利用Alluxio的高性能分布式缓存，Ray上的训练器可以减少总训练时间，提高GPU利用率，并缩短端到端的模型生命周期。

先决条件: Ray版本 >= 2.8.2

# Pass the initialized Alluxio filesystem to Ray and read the dataset
ds = ray.data.read_parquet("s3://bucket/path/to/dataset/file1.parquet", filesystem=alluxio_fs)

# Get a count of the number of records in the single file
ds.count()

# Display the schema derived from the file header record
ds.schema()

# Display the header record
ds.take(1)

# Display the first data record
ds.take(2)

# Read multiple files:
ds2 = ray.data.read_parquet("s3://bucket/path/to/dataset/", filesystem=alluxio_fs)

# Get a count of the number of records in the files
ds2.count()

PyArrow

PyArrow通过提供高性能的内存列存储格式，可以让应用程序和数据无缝连接。 它实现了不同数据处理系统之间的高效数据交换。 通过将其存储接口委托给fsspec，PyArrow可以通过统一的接口访问各种存储后端。 通过使用alluxiofs，PyArrow可以利用Alluxio的分布式缓存能力来提高数据访问速度并降低延迟。

示例1：

# Pass the initialized Alluxio filesystem to Pyarrow and read the data set from the example csv file
import pyarrow.dataset as ds
dataset = ds.dataset("s3://bucket/path/to/dataset/file1.parquet", filesystem=alluxio_fs)

# Get a count of the number of records in the file
dataset.count_rows()

# Display the schema derived from the file header record
dataset.schema

# Display the first record
dataset.take(0)

示例2：

from pyarrow.fs import PyFileSystem, FSSpecHandler

# Create a python-based PyArrow filesystem using FsspecHandler
py_fs = PyFileSystem(FSSpecHandler(alluxio_fs))

# Read the data by using the Pyarrow filesystem interface
with py_fs.open_input_file("s3://bucket/path/to/dataset/file1.parquet") as f:
    f.read()

高级初始化参数

连接Alluxio集群的参数

  • etcd_hosts (str, 必需): ETCD服务器主机地址列表，格式为 "host1:port1,host2:port2,..."。 ETCD用于动态发现Alluxio工作节点。

  • etcd_port (int, 可选): 每个ETCD服务器使用的端口号。默认为 2379。

  • options (dict, 可选): 一个包含Alluxio配置选项的字典，其中键是属性名称，值是属性值。 这些选项用于配置Alluxio客户端的行为。

示例：配置 Alluxio fsspec。请注意，以下选项在 alluxiofs 和 Alluxio 集群之间必须保持一致。

  • alluxio.worker.page.store.page.size（默认值 1MB）：Worker 分页块存储中每个页面的大小。对于大型 Parquet 文件，建议设置为 20MB。

  • alluxio.user.worker.selection.policy.consistent.hash.virtual.node.count.per.worker（默认值 2000）：在一致性哈希算法中，每个 Worker 的虚拟节点数。在成员变更时，一致性哈希算法会重新分配部分虚拟节点，而不是重建整个哈希表，从而尽可能减少哈希表的变更。为了实现这一点，虚拟节点数应为集群中物理节点数的 X 倍，其中 X 是虚拟节点分配粒度和规模之间的平衡参数。建议将此值设置为 5。

alluxio_options = {
    "alluxio.user.worker.selection.policy.consistent.hash.virtual.node.count.per.worker": "2000",
    "alluxio.worker.page.store.page.size": "4MB",
}

（可选）初始化 alluxio_client 以进行分布式加载作业:

alluxio_client = AlluxioClient(etcd_hosts="host1,host2,host3", etcd_port=8888, )

初始化 alluxio_fs 以进行 fsspec 文件系统操作:

alluxio_fs = fsspec.filesystem("alluxiofs", etcd_hosts="localhost", target_protocol="s3", options=alluxio_options)

配置 alluxio_fs 的logger

import logging
import fsspec
from alluxiofs import AlluxioFileSystem, setup_logger

alluxio_fs = fsspec.filesystem("alluxiofs", etcd_hosts="localhost", logger=setup_logger("./", level=logging.DEBUG))

底层存储的参数

参数：

  • target_protocol (str, 可选): 指定要创建底层存储文件系统对象的底层存储协议。 常见的示例包括s3用于Amazon S3，hdfs 用于Hadoop分布式文件系统等。

  • target_options (dict, 可选): 提供一组与 target_protocol 相关的配置选项。 这些选项可能包括凭证、终端节点URL和其他与底层存储系统成功交互所需的特定协议的设置。

  • fs (object, 可选): 直接提供用于访问Alluxio底层存储的文件系统对象实例。

  • logger(object，可选): 配置日志文件的存储路径和日志级别，路径默认为当前路径，日志级别默认为 logging.INFO。

示例: 连接到 S3

要连接到S3，可以按照以下步骤进行：

  1. 查看S3 fsspec文档：参考s3fs文档 以了解连接到S3所支持的参数。典型的参数包括：

  • anon bool (False): 是否使用匿名连接（仅限公共存储桶）。 如果为False，则使用给定的key/secret，或boto的凭证解析器；client_kwargs、环境变量、配置文件、EC2 IAM服务器，依次进行。

  • endpoint_url string (None): 使用此endpoint_url（如指定）。连接到非AWS S3存储桶时会需要用到。优先于client_kwargs中的 endpoint_url。

  • key string (None): 非匿名的情况下，请使用此访问密钥ID（如指定）。优先于client_kwargs中的 aws_access_key_id。

  • secret string (None): 非匿名的情况下，请使用此密钥访问密钥（如指定）。优先于client_kwargs中的 aws_secret_access_key。

  • token string (None): 非匿名的情况下，请使用此安全 token（如指定）。

  1. 将支持的参数作为target_options传递给Alluxio：然后，您可以使用这些参数使用fsspec创建Alluxio文件系统对象。

以下是如何使用fsspec创建连接到S3的Alluxio文件系统对象的示例：

import fsspec

# Example configuration for connecting to S3
s3_options = {
    "key": "your-aws-access-key",
    "secret": "your-aws-secret-key",
    "endpoint_url": "https://s3.your-endpoint.com"
}

# Creating the Alluxio file system object
alluxio_fs = fsspec.filesystem(
    "alluxiofs",
    etcd_hosts="localhost",
    target_protocol="s3",
    target_options=s3_options
)

# Now you can use alluxio_fs to interact with the Alluxio file system backed by S3

在此示例中：

  • 将your-aws-access-key 和 your-aws-secret-key 替换为您实际的AWS凭证。

  • 如果需要，将 https://s3.your-endpoint.com 替换为合适的且与您的S3兼容的服务端点URL。

按照这些步骤，您可以使用fsspec有效地连接到使用S3作为底层存储的Alluxio集群。

监控指标

监控系统搭建

  1. Prometheus 安装与配置 修改 prometheus.yml 配置文件，然后启动 Prometheus：

    nohup ./prometheus --web.enable-admin-api --config.file=./prometheus.yml >./prometheus.log 2>&1 &

  2. Grafana 安装与配置 启动 Grafana：

    nohup ./bin/grafana-server --homepath . web >./grafana.log 2>&1 &

详细的指标监控系统搭建可以参考 Alluxio 官方文档。

监控指标的说明

指标名称

描述

标签

单位

实现代码

alluxio_http_server_call_latency_ms

HTTP 服务调用延迟的直方图（Bucket 边界: [10, 40, 160, 640] 毫秒）

method, success

毫秒 (ms)

HistogramWrapper

alluxio_http_server_result_total

HTTP 服务结果的总计数

method, state

次数 (count)

CounterWrapper

alluxio_http_server_call_latency_ms_sum

HTTP 服务调用延迟总和

method, success

毫秒 (ms)

HistogramWrapper

aluxio_http_server_call_latency_ms_count

HTTP 服务调用次数

method, success

次数 (count)

HistogramWrapper

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