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分布式文件系统之FastDFS

前言

什么是分布式文件系统

随着文件数据的越来越多，通过tomcat或nginx虚拟化的静态资源文件在单一的一个服务器节点内是存不下的，如果用多个节点来存储也
是不利于管理和维护，所以我们需要一个系统来管理多台计算机节点上的文件数据，这就是分布式文件系统。
分布式文件系统是一个允许文件通过网络在多台节点上分享的文件系统，多台计算机节点共同组成一个整体，为更多的用户提供分享文
间。比如常见的网盘，本质就是一个分布式的文件存储系统。虽然我们是一个分布式的文件系统，但是对用户来说是透明的，用户使用
像是访问本地磁盘一样。
分布式文件系统可以提供冗余备份，所以容错能力很高。系统中有某些节点宕机，但是整体文件服务不会停止，还是能够为用户提供服
还是运作的，数据也不会丢失。
分布式文件系统的可扩展性强，增加或减少节点都很简单，不会影响线上服务，增加完毕后会发布到线上，加入到集群中为用户提供服
分布式文件系统可以提供负载均衡能力，在读取文件副本的时候可以由多个节点共同提供服务，而且可以通过横向扩展来确保性能的提

为什么要使用分布式文件系统

使用分布式文件系统可以解决如下几点问题：

海量文件数据存储
文件数据高可用(冗余备份)
读写性能和负载均衡
以上3点都是我们之前使用tomcat或nginx所不能够实现的，这也是我们为什么要使用分布式文件系统的原因

什么是FastDFS

FastDFS是一个开源的轻量级分布式文件系统。它解决了大数据量存储和负载均衡等问题。特别适合以中小文件（建议范围：4KB < file_size <500MB）为载体的在线服务，如相册网站、视频网站等等。在UC基于FastDFS开发向用户提供了：网盘，社区，广告和应用下载等业务的存储服务。

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。

FastDFS 与 HDFS

说到分布式文件存储，肯定会有人想到HDFS，他们两者主要定位和应用场景是不一样的。

Hadoop中的文件系统HDFS主要解决并行计算中分布式存储数据的问题。其单个数据文件通常很大，采用了分块（切分）存储的方式
数据大文件存储来使用的场景。
FastDFS主要用于互联网网站，为文件上传和下载提供在线服务。所以在负载均衡、动态扩容等方面都支持得比较好，FastDFS不会对
快存储。FastDFS用于存储中小文件都是不错的，比如用户头像啊，一些较小的音视频文件啊等等都行。

FastDFS原理

FastDFS角色

FastDFS服务端有三个角色：跟踪服务器（tracker server）、存储服务器（storage server）和客户端（client）。

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。

Tracker是FastDFS的协调者，负责管理所有的storage server和group，每个storage在启动后会连接Tracker，告知自己所属的group等信息，并保持周期性的心跳，tracker根据storage的心跳信息，建立group==>[storage server list]的映射表。

Tracker需要管理的元信息很少，会全部存储在内存中；另外tracker上的元信息都是由storage汇报的信息生成的，本身不需要持久化任何数据，这样使得tracker非常容易扩展，直接增加tracker机器即可扩展为tracker cluster来服务，cluster里每个tracker之间是完全对等的，所有的tracker都接受stroage的心跳信息，生成元数据信息来提供读写服务。

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（meta data）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。

Storage server（后简称storage）以组（卷，group或volume）为单位组织，一个group内包含多台storage机器，数据互为备份，存储空间以group内容量最小的storage为准，所以建议group内的多个storage尽量配置相同，以免造成存储空间的浪费。

以group为单位组织存储能方便的进行应用隔离、负载均衡、副本数定制（group内storage server数量即为该group的副本数），比如将不同应用数据存到不同的group就能隔离应用数据，同时还可根据应用的访问特性来将应用分配到不同的group来做负载均衡；缺点是group的容量受单机存储容量的限制，同时当group内有机器坏掉时，数据恢复只能依赖group内地其他机器，使得恢复时间会很长。

group内每个storage的存储依赖于本地文件系统，storage可配置多个数据存储目录，比如有10块磁盘，分别挂载在/data/disk1-/data/disk10，则可将这10个目录都配置为storage的数据存储目录。

storage接受到写文件请求时，会根据配置好的规则（后面会介绍），选择其中一个存储目录来存储文件。为了避免单个目录下的文件数太多，在storage第一次启动时，会在每个数据存储目录里创建2级子目录，每级256个，总共65536个文件，新写的文件会以hash的方式被路由到其中某个子目录下，然后将文件数据直接作为一个本地文件存储到该目录中。

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 。

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。

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：

1、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

2、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）

3、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。

5、生成文件名

当文件存储到某个子目录后，即认为该文件存储成功，接下来会为该文件生成一个文件名，文件名由group、存储目录、两级子目录、fileid、文件后缀名（由客户端指定，主要用于区分文件类型）拼接而成。

下载机制

客户端带上文件名信息请求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地址和端口号请求下载文件，存储服务器接收到请求后返回文件给客户端。

跟upload file一样，在download file时客户端可以选择任意tracker server。tracker发送download请求给某个tracker，必须带上文件名信息，tracke从文件名中解析出文件的group、大小、创建时间等信息，然后为该请求选择一个storage用来服务读请求。由于group内的文件同步时在后台异步进行的，所以有可能出现在读到时候，文件还没有同步到某些storage server上，为了尽量避免访问到这样的storage，tracker按照如下规则选择group内可读的storage。

1、该文件上传到的源头storage - 源头storage只要存活着，肯定包含这个文件，源头的地址被编码在文件名中。
2、文件创建时间戳==storage被同步到的时间戳且(当前时间-文件创建时间戳) > 文件同步最大时间（如5分钟) - 文件创建后，认为经过最大同步时间后，肯定已经同步到其他storage了。
3、文件创建时间戳 < storage被同步到的时间戳。 - 同步时间戳之前的文件确定已经同步了
4、(当前时间-文件创建时间戳) > 同步延迟阀值（如一天）。 - 经过同步延迟阈值时间，认为文件肯定已经同步了。

同步时间管理

当一个文件上传成功后，客户端马上发起对该文件下载请求（或删除请求）时，tracker是如何选定一个适用的存储服务器呢？
其实每个存储服务器都需要定时将自身的信息上报给tracker，这些信息就包括了本地同步时间（即，同步到的最新文件的时间戳）。而tracker根据各个存储服务器的上报情况，就能够知道刚刚上传的文件，在该存储组中是否已完成了同步。

写文件时，客户端将文件写至group内一个storage server即认为写文件成功，storage server写完文件后，会由后台线程将文件同步至同group内其他的storage server。

每个storage写文件后，同时会写一份binlog，binlog里不包含文件数据，只包含文件名等元信息，这份binlog用于后台同步，storage会记录向group内其他storage同步的进度，以便重启后能接上次的进度继续同步；进度以时间戳的方式进行记录，所以最好能保证集群内所有server的时钟保持同步。

storage的同步进度会作为元数据的一部分汇报到tracker上，tracke在选择读storage的时候会以同步进度作为参考。
比如一个group内有A、B、C三个storage server，A向C同步到进度为T1 (T1以前写的文件都已经同步到B上了），B向C同步到时间戳为T2（T2 > T1)，tracker接收到这些同步进度信息时，就会进行整理，将最小的那个做为C的同步时间戳，本例中T1即为C的同步时间戳为T1（即所有T1以前写的数据都已经同步到C上了）；同理，根据上述规则，tracker会为A、B生成一个同步时间戳。

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。

快速定位文件

知道FastDFS FID的组成后，我们来看看FastDFS是如何通过这个精巧的FID定位到需要访问的文件。

1、通过组名tracker能够很快的定位到客户端需要访问的存储服务器组，并将选择合适的存储服务器提供客户端访问；
2、存储服务器根据“文件存储虚拟磁盘路径”和“数据文件两级目录”可以很快定位到文件所在目录，并根据文件名找到客户端需要访问的文件。

FastDFS安装与配置

环境准备

Centos7.x 两台，分别安装tracker与storage
下载安装包：

libfatscommon：FastDFS分离出的一些公用函数包
FastDFS：FastDFS本体
fastdfs-nginx-module：FastDFS和nginx的关联模块
nginx：发布访问服务

安装步骤 (tracker与storage都要执行)

安装基础环境

yum install -y gcc gcc-c++
yum -y install libevent

安装libfatscommon函数库

#解压
tar -zxvf libfastcommon-1.0.42.tar.gz
进入libfastcommon文件夹，编译并且安装
./make.sh
./make.sh install

安装的目录从控制台看一下：

安装fastdfs主程序文件

#### 

tar -zxvf fastdfs-6.04.tar.gz

进入到fastdfs目录，查看fastdfs安装配置

cd fastdfs-6.04/
vim make.sh
TARGET_PREFIX=$DESTDIR/usr
TARGET_CONF_PATH=$DESTDIR/etc/fdfs
TARGET_INIT_PATH=$DESTDIR/etc/init.d

安装fastdfs

./make.sh
./make.sh install

配置tracker服务

tracker和storage都是同一个fastdfs的主程序的两个不同概念，配置不同的配置文件就可以设定为tracker或者storage
配置tracker
/etc/fdfs 下都是一些配置文件，配置tracker即可

vim tracker.conf

修改tracker配置文件，此为tracker的工作目录，保存数据以及日志

base_path=/usr/local/fastdfs/tracker
mkdir /usr/local/fastdfs/tracker -p

启动tracker服务

/usr/bin/fdfs_trackerd /etc/fdfs/tracker.conf

检查进程如下：

ps -ef|grep tracker

停止tracker

/usr/bin/stop.sh /etc/fdfs/tracker.conf

配置storage服务

修改storage配置文件
修改该storage.cond配置文件

# 修改组名
group_name=imooc
# 修改storage的工作空间
base_path=/usr/local/fastdfs/storage
# 修改storage的存储空间
store_path0=/usr/local/fastdfs/storage
# 修改tracker的地址和端口号，用于心跳
tracker_server=192.168.1.153:22122
# 后续结合nginx的一个对外服务端口号
http.server_port=8888

创建目录

mkdir /usr/local/fastdfs/storage -p

启动storage
前提：必须首先启动tracker

/usr/bin/fdfs_storaged /etc/fdfs/storage.conf