GlusterFS分布式文件系统概念及简单的部署操作实验

GFS分布式文件系统

存储方式有：块存储、文件存储、对象存储

块存储（典型设备：磁盘阵列、硬盘）：

• 可以通过Raid、等手段保护数据；组合多块硬盘，提高容量；写入数据时可以并行写入，提升读写速率；块存储多数的SAN架构组网，传输速度以及封装协议能使其传输速度和读写效率得到提升。
• SAN架构组网时需要额外购买光纤通道卡及光纤交换机，成本高；服务器不做集群情况下裸盘映射给主机就不可以给另一台主机使用，无法共享数据；不同操作系统格式化后不同文件系统之间文件不共享；

文件存储（典型设备：FTP、NFS服务器）（克服文件无法共享）：

• 造价低（一台机器、普通以太网）；方便文件共享
• 读写速度低，传输速度慢（以太网上传下载速度慢，所有读写都要一台服务器硬盘承受（较于阵列数量过少））

对象存储（典型设备：内置大容量硬盘的分布式服务器、GFS、Ceph、Fastdfs、阿里云（OSS）、AWS（S3）、私有云openstack（swift））（分布式存储、云）

• 提供大容量，多副本的安全机制，可以有多个快存储组成一个整体对外提供服务，对于用户而言就是一个整体，数据会按照对象存储的存储规则进行分片和多副本的存储

GlusterFS 概述

GlusterFS简介

• GlusterFS是一个开源的分布式文件系统。
• 由存储服务器、客户端以及NES/Samba存储网关（可选，根据需要选择使用）组成。
• 没有元数据服务器组件，这有助于提升整个系统的性能、可靠性和稳定性。
• MFS
• 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（索引）**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。
• Glusters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（namespace）来管 理数据。

GlusterFS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(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

GlusterFS术语

• Brick（存储块）

  指可信主机池中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。

  存储目录的格式由服务器的目录的绝对路径构成，表示方法为 SERVER:EXPORT，如192.168.42.3:/data/mydir/。

• 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

  是一个内核模块，允许用户创建自己的文件系统，无须修改内核代码。

• VFS:

  内核空间对用户空间提供的访问磁盘的接口。

• Glusterd（后台管理进程）:

  在存储群集中的每个节点上都要运行。

模块化堆栈式架构

• GlusterFS采用模块化、堆栈式的架构。

  通过对模块进行各种组合，即可实现复杂的功能。例如Replicate模块可实现 RAID1，Stripe模块可实现RAID0，通过两者的组合可实现 RAID10 和RAID01，同时获得更高的性能及可靠性。

GlusterFS的工作流程

• 客户端或应用程序通过GlusterFS的挂载点访问数据。
• linux系统内核通过VFS API收到请求并处理。
• 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。
• GlusterFS client收到数据后，client根据配置文件的配置对数据进行处理。
• 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

弹性HASH算法

• 弹性HASH算法是 Davies-Meyer 算法的具体实现，通过HASH算法可以得到一个32位的整数范围的 hash值，假设逻辑卷中有N个存储单位Brick，则32位的整数范围将被划分为N个连续的子空间，每个空间对应一个Brick。
• 当用户或应用程序访问某一个命名空间时，通过对该命名空间计算 HASH值，根据该HASH值所对应的32位整数空间定位数据所在的Brick。
• 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。

GlusterFS的卷类型

GlusterFS支持七种卷，即分布式卷、条带卷、复制卷、分布式条带卷、分布式复制卷、条带复制卷和分布式条带复制卷。

• 分布式卷（Distribute volume）

  文件通过HASH算法分布到所有Brick Server上，这种卷是GlusterFS 的默认卷：以文件为单位根据HASH算法散列到不同的Brick，其实只是扩大了磁盘空间，如果有一块磁盘损坏，数据也将丢失，属于文件级的RAID0，不具有容错能力。

  在该模式下，并没有对文件进行分块处理，文件直接存储在某个Server节点上。

  由于直接使用本地文件系统进行文件存储，所以存取效率并没有提高，反而会因为网络通信的原因而有所降低。

  • 示例原理

  • File1和File2存放在Server1，而File3存放在Server2，文件都是随机存储，一个文件（如File1）要么在Server1上，要么在Server2上，不能分块同时存放在Server1和Server2上。

  分布式卷具有如下特点：

  • 文件分布在不同的服务器，不具备冗余性
  • 容易廉价的扩展卷的大小
  • 单点故障会造成数据丢失
  • 依赖底层的数据保护

  创建一个名为dis-volume的分布式卷，文件将根据HASH分布在server1:/dir1、server2:/dir2和server3:/dir3中

  gluster volume create dis-volume server1:/dir1 server2:/dir2

• 条带卷（Stripe volume）

  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,但是不具备冗余性。

  • 示例原理
  • File被分割为6段，1、3、5放在Server1、2、4、6放在Server2

  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。

  创建一个名为stripe-volume的条带卷，文件将被分块轮询的存储在Server1:/dir1和Server2:/dir2两个Brick中

  gluster volume create stripe-volume stripe 2 transport tcp server1:/dir1 server2:/dir2

• 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RAID1，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。

  • 示例原理

    File1同时存在Server1和Server2，File2也是如此，相当于Server2中的文件是Server1中文件的副本。

    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，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。

  创建名为rep-volume的复制卷，文件将同时存储两个副本，分别在Server1:/dir1和Server2:/dir2两个Brick中

  gluster volume create rep-volume replica 2 transport tcp server1:/dir1 server2:/dir2

• 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。

  示例原理

  • File1和 File2通过分布式卷的功能分别定位到Server1和Server2。在Server1中，File1被分割成4段，其中1、3在Server1中的 exp1目录中，2、4在Server1中的 exp2目录中。在Server2中，File2也被分割成4段，其中1、3在Server2中的exp3目录中，2、4 在Server2中的exp4目录中。

  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)

  gluster volume create dis-stripe stripe 2 transport tcp server1:/dir1 server2:/dir2 server3:/dir3 server4:/dir4

  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(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。主要用于需要冗余的情况下。
  示例原理

  • File1和File2通过分布式卷的功能分别定位到Server1和Server2。在存放File1时，File1根据复制卷的特性，将存在两个相同的副本，分别是Server1中的exp1目录和Server2中的exp2目录。在存放Fil1e2时，File2根据复制卷的特性，也将存在两个相同的副本，分别是Server3中的exp3目录和Server4中的 exp4目录。

  • 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)

    gluster volume create dis-rep replica 2 transport tcp server1:/dir1 server2:/dir2 server3:/dir3 server4:/dir4

• 条带复制卷（Stripe Replica 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（Stripe Replica volume）

  三种基本卷的复合卷，通常用于类Map Reduce应用。

部署GlusterFS群集

节点	IP地址	磁盘	挂载点
Node1节点	192.168.42.3	/dev/sdb1 /dev/sdc1 /dev/sdd1 /dev/sde1	/data/sdb1 /data/sdc1 /data/sdd1 /data/sde1
Node2节点	192.168.42.4	/dev/sdb1 /dev/sdc1 /dev/sdd1 /dev/sde1	/data/sdb1 /data/sdc1 /data/sdd1 /data/sde1
Node3节点	192.168.42.5	/dev/sdb1 /dev/sdc1 /dev/sdd1 /dev/sde1	/data/sdb1 /data/sdc1 /data/sdd1 /data/sde1
Node4节点	192.168.42.6	/dev/sdb1 /dev/sdc1 /dev/sdd1 /dev/sde1	/data/sdb1 /data/sdc1 /data/sdd1 /data/sde1
客户端	192.168.42.7

准备环境

• 关闭防火墙

  systemctl stop firewalld

  setenforce 0

• 磁盘分区，并挂载

  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
  

  chmod +x /opt/fdisk.sh

  cd /opt/

  ./fdisk.sh

• 修改主机名，配置/etc/hosts文件（每个节点）

  以Node1节点为例

  hostnamectl set-hostname node1

  su

  echo "192.168.42.3 node1" >> /etc/hosts

  echo "192.168.42.4 node2" >> /etc/hosts

  echo "192.168.42.5 node3" >> /etc/hosts

  echo "192.168.42.6 node4" >> /etc/hosts

安装、启动GlusterFS（所有node节点都要操作包括客户机）

• 将gfsrepo软件上传到/opt目录下

  cd /opt

  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 centos-release-gluster #如果采用官方YUM源安装，可以直接指向互联网仓库

  yum -y install glusterfs glusterfs-server glusterfs-fuse glusterfs-rdma

• systemctl start glusterd.service

  systemctl enable glusterd.service

  systemctl status glusterd.service

添加节点到存储信任池中（node1节点）

• 只要在一台Node节点上添加其他节点即可

  gluster peer probe node1

  gluster peer probe node2

  gluster peer probe node3

  gluster peer probe node4

• 在每个Node节点上查看集群状态

  gluster peer status

创建卷

• 根据规划创建如下卷：

  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)

• 创建分布式卷

  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

  查看卷列表

  gluster volume list

  启动新建分布式卷

  gluster volume start dis-volume

• 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

  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

• 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

• 查看卷列表

  gluster volume list

部署gluster客户端

• 配置/etc/hosts文件

  echo "192.168.42.3 node1" >> /etc/hosts

  echo "192.168.42.4 node2" >> /etc/hosts

  echo "192.168.42.5 node3" >> /etc/hosts

  echo "192.168.42.6 node4" >> /etc/hosts

• 创建挂载的目录

  mkdir -p /test/{dis,stripe,rep,dis_stripe,dis_rep}

• 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 -h

  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
  

  mount -a

测试Gluster文件系统功能

• 在客户端中向卷中写入文件

  cd /opt

  dd if=/dev/zero of=/opt/demo1.txt bs=1M count=40

  dd if=/dev/zero of=/opt/demo2.txt bs=1M count=40

  dd if=/dev/zero of=/opt/demo3.txt bs=1M count=40

  dd if=/dev/zero of=/opt/demo4.txt bs=1M count=40

  dd if=/dev/zero of=/opt/demo5.txt 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

• 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

  1. 查看分布式文件分布

     在node1:/dev/sdb1

     ll -h /data/sdb1

     在node2:/dev/sdb1

     ll -h /data/sdb1

     分布式只会将demo文件分开存储（五个文件不在同一磁盘分区），不会将数据分片和备份

  2. 查看条带卷文件分布

     在node1:/dev/sdc1

     ll -h /data/sdc1

     在node2:/dev/sdc1

     ll -h /data/sdc1

     条带卷会将每个demo文件中的数据分存储（两个分区各有20M的文件），没有备份

  3. 查看复制卷文件分布

     在node3:/dev/sdb1

     ll -h /data/sdb1

     在node4:/dev/sdb1

     ll -h /data/sdb1

     复制卷会将每个demo文件放入卷中的磁盘分区中（两分区的文件一样）

  4. 查看分布式条带卷分布

  在node1:/dev/sdd1

  ll -h /data/sdd1

  在node2:/dev/sdd1

  ll -h /data/sdd1

  在node3:/dev/sdd1

  ll -h /data/sdd1

  在node4:/dev/sdd1

  ll -h /data/sdd1

  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

  5. 查看分布式复制卷分布

     在node1:/dev/sde1

     ll -h /data/sde1

     在node2:/dev/sde1

     ll -h /data/sde1

     在node3:/dev/sde1

     ll -h /data/sde1

     在node4:/dev/sde1

     ll -h /data/sde1

     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）

冗余测试

• 挂起node2节点或者关闭gluster服务来模拟故障

  systemctl stop gluster.service

  在客户端上查看文件是否正常

• 分布式卷

  ls -lh /test/dis

  数据查看，缺少demo5，文件demo5是存储在node2上的，所以分布式卷不具备冗余

• 条带卷

  ls -lh /test/stripe/

  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

• 分布式条带卷

  ls -lh /test/dis_stripe/

  存储在node1和node2上的4个文件不见了（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

  ls -lh /test/dis_rep/

  文件和数据都在，分布式复制卷具有冗余

• 复制卷

  在node3和node4中选一个关闭，关闭node4进行测试

  ls -lh /test/rep/

  文件和数据都在，所以复制卷具有冗余