GFS分布式文件系统（理论+实验）
GFS
- 一、GlusterFS
-
- 1.1 GlusterFS的概念
- 1.2 GlusterFS的特点
- 1.3 GlusterFS术语
- 1.4 GlusterFS的工作流程
- 1.5 后端存储如何定位文件
- 1.6 GFS支持的七种卷
- 二、模拟实验——部署 GlusterFS 群集
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- 2.1 环境准备
- 2.2 安装、启动GlusterFS（所有node节点）
- 2.3 添加节点到存储信任池中（ node1 节点）
- 2.4 根据规划创建卷
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- 分布式卷
- 条带卷
- 复制卷
- 分布式条带卷
- 分布式复制卷
- 三、 客户端配置
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- 3.1 安装客户端软件
- 2.2 配置 /etc/hosts 文件
- 2.3 创建挂载目录
- 2.4 挂载 Gluster 文件系统
- 四、 测试 Gluster 文件系统
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- 4.1 卷中写入文件，客户端操作
- 4.2查看文件分布
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- 分布式文件分布
- 条带卷文件分布
- 复制卷文件分布
- 分布式条带卷分布
- 分布式复制卷分布
- 4.3冗余测试
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- 条带卷
- 分布式卷
- 分布式条带卷
- 分布式复制卷
- 复制卷
- 五、其他的维护命令
- 总结
一、GlusterFS
1.1 GlusterFS的概念
GlusterFS：开源的分布式文件系统
- 组成：
- 存储服务器
- 客户端
- NFS/Samba 存储网关
- 无元数据服务器
- 数据分散存储
- 可避免出现单点故障
1.2 GlusterFS的特点
扩展性和高性能
GlusterFS利用双重特性来提供高容量存储解决方案。
- Scale-Out架构允许通过简单地增加存储节点的方式来提高存储容量和性能（磁盘、计算和I/O资源都可以独立增加），支持10GbE和 InfiniBand等高速网络互联。
- Gluster弹性哈希（ElasticHash）解决了GlusterFS对元数据服务器的依赖，改善了单点故障和性能瓶颈，真正实现了并行化数据访问。GlusterFS采用弹性哈希算法在存储池中可以智能地定位任意数据分片（将数据分片存储在不同节点上），不需要查看索引或者向元数据服务器查询。
高可用性
GlusterFS可以对文件进行自动复制，如镜像或多次复制，从而确保数据总是可以访问，甚至是在硬件故障的情况下也能正常访问。
当数据出现不一致时，自我修复功能能够把数据恢复到正确的状态，数据的修复是以增量的方式在后台执行，几乎不会产生性能负载。
GlusterFS可以支持所有的存储，因为它没有设计自己的私有数据文件格式，而是采用操作系统中主流标准的磁盘文件系统（如EXT3、XFS等）来存储文件，因此数据可以使用传统访问磁盘的方式被访问。
全局统一命名空间
分布式存储中，将所有节点的命名空间整合为统一命名空间，将整个系统的所有节点的存储容量组成一个大的虚拟存储池，供前端主机访问这些节点完成数据读写操作。
弹性卷管理
GlusterFS通过将数据储存在逻辑卷中，逻辑卷从逻辑存储池进行独立逻辑划分而得到。
逻辑存储池可以在线进行增加和移除，不会导致业务中断。逻辑卷可以根据需求在线增长和缩减，并可以在多个节点中实现负载均衡。
文件系统配置也可以实时在线进行更改并应用，从而可以适应工作负载条件变化或在线性能调优。
基于标准协议
Gluster 存储服务支持 NFS、CIFS、HTTP、FTP、SMB 及 Gluster原生协议，完全与 POSIX 标准兼容。
现有应用程序不需要做任何修改就可以对Gluster 中的数据进行访问，也可以使用专用 API 进行访问
1.3 GlusterFS术语
- Brick（块存储）：由主机提供的用于物理存储的专用分区，是GlusterFS中的基本存储单元，同时也是可信存储池中服务器上对外提供的存储目录。
- Volume（逻辑卷）：一个逻辑卷是一组 Brick 的集合。卷是数据存储的逻辑设备，类似于 LVM 中的逻辑卷。大部分 Gluster 管理操作是在卷上进行的。
- FUSE：用户空间的文件系统（类别EXT4），”这是一个伪文件系统“，用户端的交换模块
- VFS（虚拟端口）：内核态的虚拟文件系统，用户是提交请求给VFS 然后VFS交给FUSH，再交给GFS客户端，最后由客户端交给远端的存储
- Glusterd（服务）：是运行再存储节点的进程（客户端运行的是gluster client）GFS使用过程中整个GFS之间的交换由Gluster client 和glusterd完成
1.4 GlusterFS的工作流程
- 外来一个请求，例：用户端申请创建一个文件，客户端或应用程序通过GFS的挂载点访问数据
- linux系统内容通过VFSAPI收到请求并处理
- VFS将数据递交给FUSE内核文件系统，fuse文件系统则是将数据通过/dev/fuse设备文件递交给了GlusterFS client端
- GlusterFS client端收到数据后，会根据配置文件的配置对数据进行处理
- 再通过网络，将数据发送给远端的ClusterFS server，并将数据写入到服务器储存设备上
- server再将数据转交给VFS伪文件系统，再由VFS进行转存处理，最后交给EXT3
1.5 后端存储如何定位文件
使用弹性HASH算法
为了解决分布式文件数据索引、定位的复杂程度，而使用弹性HASH算法来解决数据定位、索引、寻址的功能
先通过HASH算法对数据可以得到一个值：
- 该值有2的32次方个组合
- 每个数据对应了0-2的32次方的一个值
- 通常情况下，不同数据得到的值是不同的
- 弹性 HASH 算法的优点：
- 保证数据平均分布在每一个 Brick 中。
- 解决了对元数据服务器的依赖，进而解决了单点故障以及访问瓶颈。
1.6 GFS支持的七种卷
分布式卷（默认）
文件通过HASH算法分布到所有Brick Server上，这种卷是GFS的基础；文件没有被分片，直接根据HASH算法散列到不同的Brick，其实只是扩大了磁盘空间，并不具备容错能力，属于文件级RAID 0
分布式卷的特点：
- 文件分布在不同的服务器，不具备冗余性
- 更容易和廉价地扩展卷的大小
- 单点故障会造成数据丢失
- 依赖底层的数据保护
条带卷（默认）
类似RAID 0，文件被分成数据库并以轮询的方式分布到多个Brick Server上，文件存储以数据块为单位，支持大文件存储，文件越大，读取效率越高
条带卷特点：
- 数据被分割成更小块分布到块服务器群中的不同条带区
- 分布减少了负载且更小的文件加速了存取的速度
- 没有数据冗余
复制卷（Replica volume）
将文件同步到多个Brick上，使其具备多个文件副本，属于文件级RAID 1，具有容错能力。因为数据分散在多个Brick中，所以读性能得到很大提升，但写性能下降
复制卷特点：
- 卷中所有的服务器均保存一个完整的副本
- 卷的副本数量可由客户创建的时候决定
- 至少由两个块服务器或更多服务器
- 具备冗余性
分布式条带卷（Distribute Stripe volume）
Brick Server数量是条带数（数据块分布的Brick数量）的倍数
兼具分布式卷和条带的特点
分布式复制卷（Distribute Replica volume）
Brick Server数量是镜像数（数据副本 数量）的倍数
兼具分布式卷和复制卷的特点
条带复制卷（Stripe Replca volume）
类似RAID 10，同时具有条带卷和复制卷的特点
分布式条带复制卷（Distribute Stripe Replicavolume）
三种基本卷的复合卷通常用于类Map Reduce应用
二、模拟实验——部署 GlusterFS 群集
Node1节点：node1/192.168.153.10 磁盘：/dev/sdb1 挂载点：/data/sdb1
/dev/sdc1 /data/sdc1
/dev/sdd1 /data/sdd1
/dev/sde1 /data/sde1
Node2节点：node2/192.168.153.20 磁盘：/dev/sdb1 挂载点：/data/sdb1
/dev/sdc1 /data/sdc1
/dev/sdd1 /data/sdd1
/dev/sde1 /data/sde1
Node3节点：node3/192.168.153.30 磁盘：/dev/sdb1 挂载点：/data/sdb1
/dev/sdc1 /data/sdc1
/dev/sdd1 /data/sdd1
/dev/sde1 /data/sde1
Node4节点：node4/192.168.153.40 磁盘：/dev/sdb1 挂载点：/data/sdb1
/dev/sdc1 /data/sdc1
/dev/sdd1 /data/sdd1
/dev/sde1 /data/sde1
客户端节点：192.168.153.50
每个节点先创建四块新硬盘
2.1 环境准备
①关闭防火墙及安全机制
systemctl stop firewalld
setenforce 0
②配置/etc/hosts文件
echo "192.168.153.10 node1" >> /etc/hosts
echo "192.168.153.20 node2" >> /etc/hosts
echo "192.168.153.30 node3" >> /etc/hosts
echo "192.168.153.40 node4" >> /etc/hosts
③创建磁盘分区并挂载
为节约时间，采用脚本来进行磁盘分区和挂载
vim /opt/fdisk.sh
#!/bin/bash
NEWDEV=`ls /dev/sd* | grep -o 'sd[b-z]' | uniq`
for VAR in $NEWDEV
do
echo -e "n\np\n\n\n\nw\n" | fdisk /dev/$VAR &> /dev/null
mkfs.xfs /dev/${
VAR}"1" &> /dev/null
mkdir -p /data/${
VAR}"1" &> /dev/null
echo "/dev/${VAR}"1" /data/${VAR}"1" xfs defaults 0 0" >> /etc/fstab
done
mount -a &> /dev/null
. /opt.fdisk.sh #执行脚本
2.2 安装、启动GlusterFS（所有node节点）
cd /opt #拉入软件包
unzip gfsrepo.zip
cd /etc/yum.repos.d/
mkdir repo.bak
mv *.repo repo.bak
vim glfs.repo
[glfs]
name=glfs
baseurl=file:///opt/gfsrepo
gpgcheck=0
enabled=1
yum clean all && yum makecache
yum -y install glusterfs glusterfs-server glusterfs-fuse glusterfs-rdma
systemctl start glusterd.service
systemctl enable glusterd.service
systemctl status glusterd.service
2.3 添加节点到存储信任池中（ node1 节点）
#只要在一台Node节点上添加其它节点即可
gluster peer probe node1
gluster peer probe node2
gluster peer probe node3
gluster peer probe node4
gluster peer status #在每个Node节点上查看群集状态
2.4 根据规划创建卷
| 卷名称 | 卷类型 | Brick |
|---|---|---|
| dis-volume | 分布式卷 | node1(/data/sdb1)、node2(/data/sdb1) |
| stripe-volume | 条带卷 | node1(/data/sdc1)、node2(/data/sdc1) |
| rep-volume | 复制卷 | node3(/data/sdb1)、node4(/data/sdb1) |
| dis-stripe | 分布式条带卷 | node1(/data/sdd1)、node2(/data/sdd1)、node3(/data/sdd1)、node4(/data/sdd1) |
| dis-rep | 分布式复制卷 | node1(/data/sde1)、node2(/data/sde1)、node3(/data/sde1)、node4(/data/sde1) |
分布式卷
#创建分布式卷，没有指定类型，默认创建的是分布式卷
gluster volume create dis-volume node1:/data/sdb1 node2:/data/sdb1 force
gluster volume list #查看卷列表
gluster volume start dis-volume #启动新建分布式卷
gluster volume info dis-volume #查看创建分布式卷信息
条带卷
#指定类型为 stripe，数值为 2，且后面跟了 2 个 Brick Server，所以创建的是条带卷
gluster volume create stripe-volume stripe 2 node1:/data/sdc1 node2:/data/sdc1 force
gluster volume start stripe-volume
gluster volume info stripe-volume
复制卷
#指定类型为 replica，数值为 2，且后面跟了 2 个 Brick Server，所以创建的是复制卷
gluster volume create rep-volume replica 2 node3:/data/sdb1 node4:/data/sdb1 force
gluster volume start rep-volume
gluster volume info rep-volume
分布式条带卷
#指定类型为 stripe，数值为 2，而且后面跟了 4 个 Brick Server，是 2 的两倍，所以创建的是分布式条带卷
gluster volume create dis-stripe stripe 2 node1:/data/sdd1 node2:/data/sdd1 node3:/data/sdd1 node4:/data/sdd1 force
gluster volume start dis-stripe
gluster volume info dis-stripe
分布式复制卷
指定类型为 replica，数值为 2，而且后面跟了 4 个 Brick Server，是 2 的两倍，所以创建的是分布式复制卷
gluster volume create dis-rep replica 2 node1:/data/sde1 node2:/data/sde1 node3:/data/sde1 node4:/data/sde1 force
gluster volume start dis-rep
gluster volume info dis-rep
gluster volume list
三、 客户端配置
3.1 安装客户端软件
cd /opt #拉入软件包
unzip gfsrepo.zip
cd /etc/yum.repos.d/
mkdir repo.bak
mv *.repo repo.bak
vim glfs.repo
[glfs]
name=glfs
baseurl=file:///opt/gfsrepo
gpgcheck=0
enabled=1
yum clean all && yum makecache
yum -y install glusterfs glusterfs-fuse
2.2 配置 /etc/hosts 文件
echo "192.168.153.10 node1" >> /etc/hosts
echo "192.168.153.20 node2" >> /etc/hosts
echo "192.168.153.30 node3" >> /etc/hosts
echo "192.168.153.40 node4" >> /etc/hosts
2.3 创建挂载目录
mkdir -p /test/{
dis,stripe,rep,dis_stripe,dis_rep}
ls /test
2.4 挂载 Gluster 文件系统
临时挂载
mount.glusterfs node1:dis-volume /test/dis
mount.glusterfs node1:stripe-volume /test/stripe
mount.glusterfs node1:rep-volume /test/rep
mount.glusterfs node1:dis-stripe /test/dis_stripe
mount.glusterfs node1:dis-rep /test/dis_rep
df -Th
永久挂载
vim /etc/fstab
node1:dis-volume /test/dis glusterfs defaults,_netdev 0 0
node1:stripe-volume /test/stripe glusterfs defaults,_netdev 0 0
node1:rep-volume /test/rep glusterfs defaults,_netdev 0 0
node1:dis-stripe /test/dis_stripe glusterfs defaults,_netdev 0 0
node1:dis-rep /test/dis_rep glusterfs defaults,_netdev 0 0
四、 测试 Gluster 文件系统
4.1 卷中写入文件，客户端操作
cd /opt
dd if=/dev/zero of=/opt/TEST1.log bs=1M count=40
dd if=/dev/zero of=/opt/TEST2.log bs=1M count=40
dd if=/dev/zero of=/opt/TEST3.log bs=1M count=40
dd if=/dev/zero of=/opt/TEST4.log bs=1M count=40
dd if=/dev/zero of=/opt/TEST5.log bs=1M count=40
ls -lh
cp TEST* /test/dis
cp TEST* /test/stripe/
cp TEST* /test/rep/
cp TEST* /test/dis_stripe/
cp TEST* /test/dis_rep/
4.2查看文件分布
查看卷对应的磁盘分区中的文件数据，验证结果
分布式文件分布
node1:/dev/sdb1
node2:/dev/sdb1
结论：分布式只会将demo文件分开存储（5个文件不在同一磁盘分区上），不会将数据分片和备份
条带卷文件分布
node1:/dev/sdc1
node1:/dev/sdc1
结论：带卷会将每个demo文件中的数据分片存储（两个分区各有20M的文件），没有备份
复制卷文件分布
node3:/dev/sdb1
node4:/dev/sdb1
结论：复制卷会将每个文件放入卷中的磁盘分区中（两分区的文件一样）
分布式条带卷分布
node1:/dev/sdd1
node2:/dev/sdd1
node3:/dev/sdd1
node4:/dev/sdd1
结论：分布式条带卷中，带有分布式和条带卷的特点，即将数据分片，又将文件分开存储，没有备份
分布式复制卷分布
node1:/dev/sde1
node2:/dev/sde1
node3:/dev/sde1
node4:/dev/sde1
结论：分布式复制卷中，带有分布式和复制卷的特点，即将文件分开存储，又复制一遍文件（备份）
4.3冗余测试
通过挂起 node2 节点服务器或者关闭glusterd服务来模拟故障
条带卷
结论：文件中没有数据，说明数据全部丢失，所以条带卷不具备冗余
分布式卷
结论：数据查看，缺少四个文件，而这四个文件是存储在node2上的，所以分布式卷不具备冗余
分布式条带卷
存储在node1和node2上的TEST3不见了（数据是分片存储的），所以分布式条带卷不具备冗余
分布式复制卷
结论：文件和数据都在，所以分布式复制卷具有冗余
复制卷
挂起node3和node4中任意一个节点进行测试
结论：文件和数据都在，所以复制卷具有冗余
五、其他的维护命令
1.查看GlusterFS卷
gluster volume list
2．查看所有卷的信息
gluster volume info
3．查看所有卷的状态
gluster volume status
4．停止一个卷
gluster volume stop dis-stripe
5．删除一个卷，注意：删除卷时，需要先停止卷，且信任池中不能有主机处于宕机状态，否则删除不成功
gluster volume delete dis-stripe
6．设置卷的访问控制
#仅拒绝
gluster volume set dis-rep auth.allow 192.168.153.100
#仅允许
gluster volume set dis-rep auth.allow 192.168.153.* #设置192.168.153.0网段的所有IP地址都能访问dis-rep卷（分布式复制卷）
总结
分布式卷：相当于RAID0，不具备容错能力，若有一块磁盘损坏，则会造成数据丢失
条带卷：类似RAID0，文件将被分成数据块并以轮询方式分布到Brick server上
复制卷：将文件同步到多个Brick上，相当于文件级RAID1，数据分数在多个Brick中
分布式条带卷：兼具分布式卷和条带卷的特定
分布式复制卷：兼具分布式卷和复制卷的特点
条带复制卷：类似RAID10，同时具有条带卷和复制卷的特点
分布式条带复制卷：三种基本卷特性的结合