GlusterFS分布式文件系统

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前言

当数据集的大小超过一台独立物理计算机的存储能力时，就有必要对它进行分区，并存储到若干台单独的计算机上。GFS 是用来管理网络中跨多台计算机存储的文件系统。这种系统构架于网络之上，肯定会引入网络编程的复杂性，因此它比普通的磁盘文件系统更为复杂。

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一、文件系统

1、组件

• 接口：文件系统接口
• 功能模块(管理、存储的工具)：对对像管理的软件集合
• 对象及属性：(使用此文件系统的消费者)、

2、作用

• 从系统角度来看，文件系统是对文件存储设备的空间进行组织和分配，负责文件存储并对存入的文件进行保护和检索的系统
• 主要负责为用户建立文件，存入、读出、修改、转储文件，控制文件的存取

3、文件系统的挂载使用

• 除跟文件系统以外的文件系统创建后要使用需要先挂载至挂载点后才可以被访问
• 挂载点即分区设备文件关联的某个目录文件
• 类比 NFS（外部的文件系统），使用挂载的方式才可以让本地系统来使用外部的文件系统的功能
• 例如：配置永久挂载时，我们会写入挂载点与挂载目录，还有文件系统的名称（xfs），文件类型格式等。我们在远程跨服务器使用 GFS 分布式文件系统，挂载时也需要指定其文件格式（GlusterFS）

二、GlusterFS概述

1、GlusterFS简介

• 开源的分布式文件系统
• 由存储服务器、客户端以及NFS/Samba存储网关组成
• 无元数据服务器

传统的分布式文件系统大多通过元服务器来存储元数据，元数据包含存储节点上的目录信息、目录结构等。这样的设计在浏览目录时效率高，但是也存在一些缺陷，例如单点故障。一旦元数据服务器出现故障，即使节点具备再高的冗余性，整个存储系统也将崩溃。而GlusterFS 分布式文件系统是基于无元服务器的设计，数据横向扩展能力强，具备较高的可靠性及存储效率。

GlusterFs同时也是Scale-Out(横向扩展)存储解决方案Gluster的核心，在存储数据方面具有强大的横向扩展能力，通过扩展能够支持数PB存储容量和处理数千客户端。

GlusterFS支持借助TCP/IP或InfiniBandRDMA网络 (一种支持多并发链接的技术，具有高带宽、低时延、高扩展性的特点)将物理分散分布的存储资源汇聚在一起，统一提供存储服务，并使用统一全局命名空间来管理数据。

2、GlusterFS特点

①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。

②高可用

• 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。

③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虛拟存储池，供前端主机访问这些节点完成数据读写操作。

④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。

⑤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(可移植操作系统接口)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。

4、GluserFS术语

1、Brick（块存储服务器）实际存储用户数据的服务器
2、Volume（逻辑卷）本地文件系统的“分区”
3、FUSE用户空间的文件系统（类别EXT4），“这是一个伪文件系统”，用户端的交互模块
4、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
5、Glusterd（服务）是运行在存储节点的进程（客户端运行是gluster client）GFS使用过程中整个GFS之间的交换由Gluster client 和glusterd完成
使用GFS会使用到以上的虚拟文件系统

5、GlusterFS构成与工作流程

模块化堆栈式架构

• 模块化、堆栈式的架构
• 通过对模块的组合，实现复杂的功能

1、API：应用程序编程接口
2、模块化：每个模块可用提供不同的功能
3、堆栈式：同时启用多个模块，多个功能可以组合，实现复杂的功能

1. I/O cache：I/O缓存
2. read ahead：内核文件预读
3. distribute/stripe：分布式、条带化
4. Gige：千兆网/千兆接口
5. TCP/IP：网络协议
6. InfiniBand：网络协议，与TCP/IP相比，TCP/IP具有转发丢失数据包的特性，基于此通信协议可能导致通信变慢，而IB使用基于信任的，流控制的机制来保证连接完整性
7. RDMA：负责数据传输，有一种数据传输协议，功能：为了解决传输过程中客户端与服务器端数据处理的延迟

工作流程

（1）客户端或应用程序通过 GlusterFS 的挂载点访问数据。
（2）linux系统内核通过 VFS API 收到请求并处理。
（3）VFS 将数据递交给 FUSE 内核文件系统，并向系统注册一个实际的文件系统 FUSE，
而 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。
可以将 FUSE 文件系统理解为一个代理。
（4）GlusterFS client 收到数据后，client 根据配置文件的配置对数据进行处理。
（5）经过 GlusterFS client 处理后，通过网络将数据传递至远端的
GlusterFS Server，并且将数据写入到服务器存储设备上。

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

GlusterFS的卷类型

分布式卷

没有对文件进行分块处理
通过扩展文件属性保存HASH值
支持的底层文件系统有EXT3、EXT4、ZFS、XFS等

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

根据偏移量将文件分成N块（N个条带节点），轮询的存储在每个Brick Server节点
存储大文件时，性能尤为突出
不具备冗余性，类似Raid0

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

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。
复制卷具备冗余性，即使一个节点损坏，也不影响数据的正常使用。但因为要保存副本，所以磁盘利用率较低。

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，但复制数必须等于卷中Brick所包含的存储服务器数。
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

BrickServer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卷的特点。
主要用于大文件访问处理，创建一个分布式条带卷最少需要4台服务器。
创建一个名为dis-stripe的分布式条带卷，配置分布式的条带卷时，卷中Brick所包含的存储服务器数必须是条带数的倍数(>=2倍)。Brick的数量是4 (Server1:/dir1、Server2:/dir2、Server3:/dir3和Server4:/dir4)，条带数为2(stripe 2)
创建卷时，存储服务器的数量如果等于条带或复制数，那么创建的是条带卷或者复制卷:如果存储服务器的数量是条带或复制数的2倍甚至更多，那么将创建的是分布式条带卷或分布式复制卷。

分布式复制卷

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。主要用于需要冗余的情况下。
创建一个名为dis-rep的分布式复制卷，配置分布式的复制卷时，卷中Brick所包含的存储服务器数必须是复制数的倍数(>=2倍)。Brick的数量是4 (Server1:/dir1、Server2:/dir2、Server3:/dir3 和Server4:/dir4)，复制数为2(replica 2)

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

三种基本卷的复合卷，通常用于类Map Reduce应用

GFS部署

环境说明

四台节点均需要添加四块磁盘

节点	IP	磁盘	挂载点
node1	192.168.32.10	sdb1、sdc1、sdd1、sde1	/data
node2	192.168.32.20	sdb1、sdc1、sdd1、sde1	/data
node3	192.168.32.30	sdb1、sdc1、sdd1、sde1	/data
node4	192.168.32.40	sdb1、sdc1、sdd1、sde1	/data
Client	192.168.32.11	/	/

磁盘分区挂载

#!/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

chmod +x /opt/fdisk.sh
cd /opt/
./fdisk.sh

echo “192.168.32.10 node1” >> /etc/hosts
echo “192.168.32.20 node2” >> /etc/hosts
echo “192.168.32.30 node3” >> /etc/hosts
echo “192.168.32.40 node4” >> /etc/hosts

cd /opt
unzip gfsrepo.zip

cd /etc/yum.repos.d/
mv * repos.bak/
vim glfs.repo

[glfs]
name=glfs
baseurl=file:///opt/gfsrepo
gpgcheck=0
enabled=1

yum clean all && yum makecache

rpm -e --nodeps glusterfs-api-3.12.2-18.el7.x86_64
rpm -e --nodeps glusterfs-libs-3.12.2-18.el7.x86_64
rpm -e --nodeps glusterfs-fuse-3.12.2-18.el7.x86_64
rpm -e --nodeps glusterfs-cli-3.12.2-18.el7.x86_64
rpm -e --nodeps glusterfs-3.12.2-18.el7.x86_64
rpm -e --nodeps glusterfs-client-xlators-3.12.2-18.el786_64
rpm -e --nodeps glusterfs-client-xlators-3.12.2-18.el7.x86_64
rpm -e --nodeps glusterfs-client-xlators-3.12.2-18.el7.x86_6

yum -y install centos-release-gluster
yum -y install glusterfs glusterfs-server glusterfs-fuse glusterfs-rdma

systemctl start glusterd.service
systemctl enable glusterd.service

添加节点创建集群

添加节点到存储信任池中（仅需在一个节点上操作，我这里依旧在node1节点上操作）
gluster peer probe node1
gluster peer probe node2
gluster peer probe node3
gluster peer probe node4
gluster peer status

根据规划创建卷

卷名	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)

创建分布式卷

gluster volume create dis-volume node1:/data/sdb1 node2:/data/sdb1 force
创建分布式卷，没有指定类型，默认创建的是分布式卷
gluster volume list
#查看类型
gluster volume start dis-volume
#开启
gluster volume info dis-volume
#查看卷信息

创建条带卷

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

创建复制卷

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

创建分布式条带卷

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

创建分布式复制卷

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

部署gluster客户端

部署Gluster客户端（192.168.32.11）
systemctl stop firewalld
setenforce 0
cd /opt
unzip gfsrepo.zip

cd /etc/yum.repos.d/
mv *.repo repos.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
mkdir -p /test/{dis,stripe,rep,dis_stripe,dis_rep}
cd /test/

echo “192.168.32.10 node1” >> /etc/hosts
echo “192.168.32.20 node2” >> /etc/hosts
echo “192.168.32.30 node3” >> /etc/hosts
echo “192.168.32.40 node4” >> /etc/hosts

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 -hT

cd /opt
dd if=/dev/zero of=/opt/demo1.log bs=1M count=40
dd if=/dev/zero of=/opt/demo2.log bs=1M count=40
dd if=/dev/zero of=/opt/demo3.log bs=1M count=40
dd if=/dev/zero of=/opt/demo4.log bs=1M count=40
dd if=/dev/zero of=/opt/demo5.log bs=1M count=40

ls -lh /opt

cp demo* /test/dis
cp demo* /test/stripe/
cp demo* /test/rep/
cp demo* /test/dis_stripe/
cp demo* /test/dis_rep/

cd /test/

查看文件分布

查看分布式文件分布（node1:/dev/sdb1、node2:/dev/sdb1）
ls -lh /data/sdb1

ll -h /data/sdb1

查看条带卷文件分布（node1:/dev/sdc1、node2:/dev/sdc1）
ls -lh /data/sdc1

ls -lh /data/sdc1

查看复制卷文件分布（node3:/dev/sdb1、node4:/dev/sdb1）
ll -h /data/sdb1

ll -h /data/sdb1

查看分布式条带卷分布（node1:/dev/sdd1、node2:/dev/sdd1、node3:/dev/sdd1、node4:/dev/sdd1）

ll -h /data/sdd1

ll -h /data/sdd1

ll -h /data/sdd1

ll -h /data/sdd1

查看分布式复制卷分布（node1:/dev/sde1、node2:/dev/sde1、node3:/dev/sde1、node4:/dev/sde1）

ll -h /data/sde1

ll -h /data/sde1

ll -h /data/sde1

ll -h /data/sde1

冗余测试

挂起node2节点模拟故障

在客户端

分布式数据查看，缺少demo5这是在node2上的，不具备冗余

条带卷，无法访问，不具备冗余

复制卷，在node3和node4上的，关闭node4进行测试，具有冗余

分布式条带卷，不具备冗余

分布式复制卷，具有冗余
ll /test/dis_rep/

其他维护命令

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 192.168.32.10
 
#仅允许
gluster volume set dis-rep auth.allow 192.168.32.*	  #设置192.168.32.0网段的所有IP地址都能访问dis-rep卷（分布式复制卷）