分布式文件系统 FastDFS 原理介绍

文件服务器

基础概念介绍

FastDFS:

FastDFS是一款开源的轻量级分布式文件系统纯C实现，支持Linux、FreeBSD等UNIX系统类google FS，不是通用的文件系统，只能通过专有API访问，目前提供了C、Java和PHP API为互联网应用量身定做，解决大容量文件存储问题，追求高性能和高扩展性FastDFS可以看做是基于文件的key value pair存储系统，称作分布式文件存储服务更为合适。

适用场景：

特别适合以中小文件（ 建议范围： 4KB 到 500MB ） 为载体的在线服务， 如相册网站、 视频网站等等。

三个角色

1. tracker-server:

跟踪服务器， 主要做调度工作， 起负载均衡的作用。 在内存中记录集群中所有存储组和存储服务器的状态信息， 是客户端和数据服务器交互的枢纽。 相比GFS中的master更为精简， 不记录文件索引信息， 占用的内存量很少。

2. storage-server:

存储服务器（ 又称：存储节点或数据服务器） ， 文件和文件属性（ metadata） 都保存到存储服务器上。 Storage server直接利用OS的文件系统调用管理文件。

3. client：

客户端，作为业务请求的发起方，通过专有接口，使用TCP/IP协议与跟踪器服务器或存储节点进行数据交互。FastDFS向使用者提供基本文件访问接口，比如upload、download、append、delete等，以客户端库的方式提供给用户使用。

另外两个概念

group:

组， 也可称为卷。 同组内服务器上的文件是完全相同的 ，同一组内的storage server之间是对等的， 文件上传、 删除等操作可以在任意一台storage server上进行 。

meta data:

文件相关属性，键值对（ Key Value Pair） 方式，如：width=1024,heigth=768 。

单机文件系统 VS 分布式文件系统

单机文件系统

单机时代初创时期由于时间紧迫，在各种资源有限的情况下，通常就直接在项目目录下建立静态文件夹，用于用户存放项目中的文件资源。如果按不同类型再细分，可以在项目目录下再建立不同的子目录来区分。例如： resources\static\file、 resources\static\img等。

优点：这样做比较便利，项目直接引用就行，实现起来也简单，无需任何复杂技术，保存数据库记录和访问起来也很方便。

缺点：如果只是后台系统的使用一般也不会有什么问题，但是作为一个前端网站使用的话就会存在弊端。一方面，文件和代码耦合在一起，文件越多存放越混乱；另一方面，如果流量比较大，静态文件访问会占据一定的资源，影响正常业务进行，不利于网站快速发展。

独立文件服务器

随着公司业务不断发展，将代码和文件放在同一服务器的弊端就会越来越明显。为了解决上面的问题引入独立图片服务器，工作流程如下：项目上传文件时，首先通过ftp或者ssh将文件上传到图片服务器的某个目录下，再通过ngnix或者apache来访问此目录下的文件，返回一个独立域名的图片URL地址，前端使用文件时就通过这个URL地址读取。

优点：图片访问是很消耗服务器资源的（因为会涉及到操作系统的上下文切换和磁盘I/O操作），分离出来后，Web/App服务器可以更专注发挥动态处理的能力；独立存储，更方便做扩容、容灾和数据迁移；方便做图片访问请求的负载均衡，方便应用各种缓存策略（HTTP Header、Proxy Cache等），也更加方便迁移到CDN。

缺点：单机存在性能瓶颈，容灾、垂直扩展性稍差

分布式文件系统

通过独立文件服务器可以解决一些问题，如果某天存储文件的那台服务突然down了怎么办？可能你会说，定时将文件系统备份，这台down机的时候，迅速切换到另一台就OK了，但是这样处理需要人工来干预。另外，当存储的文件超过100T的时候怎么办？单台服务器的性能问题？这个时候我们就应该考虑分布式文件系统了。

业务继续发展，单台服务器存储和响应也很快到达了瓶颈，新的业务需要文件访问具有高响应性、高可用性来支持系统。分布式文件系统，一般分为三块内容来配合，服务的存储、访问的仲裁系统，文件存储系统，文件的容灾系统来构成，仲裁系统相当于文件服务器的大脑，根据一定的算法来决定文件存储的位置，文件存储系统负责保存文件，容灾系统负责文件系统和自己的相互备份。

优点：扩展能力: 毫无疑问，扩展能力是一个分布式文件系统最重要的特点；高可用性: 在分布式文件系统中，高可用性包含两层，一是整个文件系统的可用性，二是数据的完整和一致性；弹性存储: 可以根据业务需要灵活地增加或缩减数据存储以及增删存储池中的资源，而不需要中断系统运行

缺点：系统复杂度稍高，需要更多服务器

部署结构:

Tracker相当于FastDFS的大脑，不论是上传还是下载都是通过tracker来分配资源；客户端一般可以使用ngnix等静态服务器来调用或者做一部分的缓存；存储服务器内部分为卷（或者叫做组），卷于卷之间是平行的关系，可以根据资源的使用情况随时增加，卷内服务器文件相互同步备份，以达到容灾的目的。

适合小公司的最小化部署图：

192.168.1.177安装fastdfs的tracker节点，以及nginx反向代理服务器用于下载服务。

192.168.1.188，192.168.1.189安装fastdfs的storage节点，默认分一组，一组内两台机器互为备份.

注意：为了做到高可用，一个group建议分为两台以上的机器。

上传机制

首先客户端请求Tracker服务获取到存储服务器的ip地址和端口，然后客户端根据返回的IP地址和端口号请求上传文件，存储服务器接收到请求后生产文件，并且将文件内容写入磁盘并返回给客户端file_id、路径信息、文件名等信息，客户端保存相关信息上传完毕。

内部机制如下：

选择tracker server

当集群中不止一个tracker server时，由于tracker之间是完全对等的关系，客户端在upload文件时可以任意选择一个trakcer。 选择存储的group 当tracker接收到upload file的请求时，会为该文件分配一个可以存储该文件的group，支持如下选择group的规则：

1、Round robin，所有的group间轮询

2、Specified group，指定某一个确定的group

3、Load balance，剩余存储空间多多group优先

选择storage server

当选定group后，tracker会在group内选择一个storage server给客户端，支持如下选择storage的规则：

1、Round robin，在group内的所有storage间轮询

2、First server ordered by ip，按ip排序

3、First server ordered by priority，按优先级排序（优先级在storage上配置）

选择storage path
当分配好storage server后，客户端将向storage发送写文件请求，storage将会为文件分配一个数据存储目录，支持如下规则：

1、Round robin，多个存储目录间轮询

2、剩余存储空间最多的优先

4、生成Fileid

选定存储目录之后，storage会为文件生一个Fileid，由storage server ip、文件创建时间、文件大小、文件crc32和一个随机数拼接而成，然后将这个二进制串进行base64编码，转换为可打印的字符串。 选择两级目录 当选定存储目录之后，storage会为文件分配一个fileid，每个存储目录下有两级256*256的子目录，storage会按文件fileid进行两次hash（猜测），路由到其中一个子目录，然后将文件以fileid为文件名存储到该子目录下。

精巧的文件ID-FID

说到下载就不得不提文件索引（又称：FID）的精巧设计了。文件索引结构如下图，是客户端上传文件后存储服务器返回给客户端，用于以后访问该文件的索引信息。文件索引信息包括：组名，虚拟磁盘路径，数据两级目录，文件名。

组名：文件上传后所在的存储组名称，在文件上传成功后有存储服务器返回，需要客户端自行保存。

虚拟磁盘路径：存储服务器配置的虚拟路径，与磁盘选项store_path*对应。

数据两级目录：存储服务器在每个虚拟磁盘路径下创建的两级目录，用于存储数据文件。

文件名：与文件上传时不同。是由存储服务器根据特定信息生成，文件名包含：源存储服务器IP地址、文件创建时间戳、文件大小、随机数和文件拓展名等信息。