GFS分布式文件系统

GFS分布式文件系统

一.GlusterFS简介

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NFS/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。

二.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

①Scale-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。
②Gluster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。

三.GlusterFS术语

• Brick（块存储服务器）实际存储用户数据的服务器
• Volume本地文件系统的"分区"
• 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

四.GlusterFS的模块化堆栈式架构

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

GlusterFS Client客户端

• VFS（虚拟文件系统）：为各类文件系统提供了一个统一的操作界面和应用编程接口
• I/O cache（I/O缓存，Input/Output）：用于数据在内部存储器和外部存储器或其他周边设备之间的输入和输出。
• read ahead（内核文件预读）
• Distribute/Stripe：分布式、条带化
• replicate：复制功能

网络层

• Gige（千兆网/千兆接口）
• TCP/IP（网络协议）
• 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
• RDMA（Remote Direct Memory Access，远程直接数据存取）负责数据传输。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

Server服务端

• posix（可移植操作系统接口）：解决客户端与服务端系统兼容性问题
• Brick：块存储

总结

• GlusterFS采用模块化、堆栈式的架构，可通过灵活的配置支持高度定制化的应用环境，比方大文件存储、海量小文件存储、云存储、多传输协议应用等。
• 每一个功能以模块形式实现，然后以积木方式进行简单的组合，就可以实现复杂的功能。比方，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，同一时候获得高性能和高可靠性。
• 然后以请求的方式与客户端进行交互，客户端与服务端进行交互时，通过posix来解决出现的系统兼容性问题，让客户端的命令通过posix过滤后可以在服务端执行
  

五.GlusterFS的工作流程

（1）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
（2）Linux系统内容通过VFSAPI收到请求并处理
（3）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
（4）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
（5）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
（6）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

六.后端存储如何定位文件

使用弹性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算法有点

• 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。

七.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，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。

分布式卷特点

• 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

创建命令

• 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。

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

创建命令

• 创建了一个名为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

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。

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

创建命令

• 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。

创建命令

• 创建了一个名为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)

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

• 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

创建命令

• 创建了一个名为dis-rep的分布式条带卷，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)

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

• 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

八.GFS部署

集群环境准备

节点名称	ip地址	磁盘	挂载点
Node1节点	192.168.100.130	/dev/sdb1 /dev/sdc1 /dev/sdd1 /dev/sde1	/data/sdb1 /data/sdc1 /data/sdd1 /data/sde1
Node2节点	192.168.100.131	/dev/sdb1 /dev/sdc1 /dev/sdd1 /dev/sde1	/data/sdb1 /data/sdc1 /data/sdd1 /data/sde1
Node3节点	192.168.100.132	/dev/sdb1 /dev/sdc1 /dev/sdd1 /dev/sde1	/data/sdb1 /data/sdc1 /data/sdd1 /data/sde1
Node4节点	192.168.100.133	/dev/sdb1 /dev/sdc1 /dev/sdd1 /dev/sde1	/data/sdb1 /data/sdc1 /data/sdd1 /data/sde1
客户端	192.168.100.134

关防火墙（所有节点和客户端）

systemctl stop firewalld
setenforce 0

①节点进行磁盘分区、挂载
Node1节点：192.168.100.130
Node2节点：192.168100.131
Node3节点：192.168.100.132
Node4节点：192.168.100.133
这里使用node1作为示范，用脚本对磁盘进行操作

vim 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 fdisk.sh
./fdisk.sh

②配置/etc/hosts文件
Node1节点：192.168.100.130
Node2节点：192.168100.131
Node3节点：192.168.100.132
Node4节点：192.168.100.133

echo "192.168.100.130 node1" >> /etc/hosts
echo "192.168.100.131 node2" >> /etc/hosts
echo "192.168.100.132 node3" >> /etc/hosts
echo "192.168.100.133 node4" >> /etc/hosts

③安装、启动GlusterFS
Node1节点：192.168.100.130
Node2节点：192.168100.131
Node3节点：192.168.100.132
Node4节点：192.168.100.133

#将软件包放入opt目录下
cd /opt
unzip gfsrepo.zip 

cd /etc/yum.repos.d/
mkdir repos.bak
mv * 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-server glusterfs-fuse glusterfs-rdma

systemctl start glusterd.service
systemctl enable glusterd.service
systemctl status glusterd.service

④添加节点创建集群
Node1节点：192.168.100.130
添加节点到存储信任池中

gluster peer probe node1
gluster peer probe node2
gluster peer probe node3
gluster peer probe node4

#查看群集状态（可以在每个节点上使用）
gluster peer status

⑤根据规划创建卷

创建卷只需要在一台节点上创建即可
根据以下规划创建卷：

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)

（1）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

创建分布式卷

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

查看创建分布式卷信息

gluster volume info dis-volume

（2）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

创建条带卷

gluster volume create stripe-volume stripe 2 node1:/data/sdc1 node2:/data/sdc1 force

启动新建条带卷

gluster volume start stripe-volume

查看创建条带卷信息

gluster volume info stripe-volume

（3）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

创建复制卷

gluster volume create rep-volume replica 2 node3:/data/sdb1 node4:/data/sdb1 force

启动新建复制卷

gluster volume start rep-volume

查看创建复制卷信息

gluster volume info rep-volume

（4）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

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

启动新建分布式条带卷

gluster volume start dis-stripe

查看创建分布式条带卷信息

gluster volume info dis-stripe

（5）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

创建分布式复制卷

gluster volume create dis-rep replica 2 node1:/data/sde1 node2:/data/sde1 node3:/data/sde1 node4:/data/sde1 force

启动新建分布式复制卷

gluster volume start dis-rep

查看创建分布式复制卷信息

gluster volume info dis-rep

查看卷列表

gluster volume list

九.部署gluster客户端

部署Gluster客户端 192.168.100.134

①安装客户端软件

cd /opt
unzip gfsrepo.zip 

cd /etc/yum.repos.d/
mkdir repos.bak
mv * 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

②配置 /etc/hosts 文件

echo "192.168.100.130 node1" >> /etc/hosts
echo "192.168.100.131 node2" >> /etc/hosts
echo "192.168.100.132 node3" >> /etc/hosts
echo "192.168.100.133 node4" >> /etc/hosts

③创建挂载目录

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

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 -h

• 企业中最好用永久挂载，以防重启或服务器宕机

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

十.测试 Gluster 文件系统

部署Gluster客户端（192.168.100.134）
向卷中写入文件

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/

十一.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

node1:/dev/sdb1
node2:/dev/sdb1

ll -h /data/sdb1

现象：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

②查看条带卷文件分布

node1:/dev/sdc1
node2:/dev/sdc1

现象：条带卷会将每个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

③查看复制卷文件分布

node3:/dev/sdb1
node4:/dev/sdb1

ll -h /data/sdb1

现象：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）

④查看分布式条带卷分布

node1:/dev/sdd1
node2:/dev/sdd1

ll -h /data/sdd1

node3:/dev/sdd1
node4:/dev/sdd1

现象：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

node1:/dev/sde1
node2:/dev/sde1

ll -h /data/sde1

node3:/dev/sde1
node4:/dev/sde1

现象：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）

十二.冗余测试

挂起 node2 节点或者关闭glusterd服务来模拟故障

systemctl stop glusterd.service

在客户端（192.168.163.15）上查看文件是否正常

①分布式卷

ls -lh /test/dis

结论：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

②条带卷

ls -lh /test/stripe/

③分布式条带卷

ls -lh /test/dis_stripe/

④分布式复制卷

ls -lh /test/dis_rep/

结论：文件和数据都在，所以分布式复制卷具有冗余

⑤复制卷 （具备冗余）

ls -lh /test/rep/

十三.总结

• 分布式卷：属于文件级的RAID0，不具备容错能力，如果有一块磁盘损坏，数据就丢失
• 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，属于文件RAID1,数据分数在多个Brick中
• 分布式条带卷：Brick server 数量是条带数兼具分布式卷和条带卷的特定
• 分布式复制卷：Brick server数量是镜像数，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：三种基本卷的集合

在企业中数据的安全性是非常重要的，不具备冗余的卷是不会被企业所接受，所以使用频率较高的就是冗余性好的几种，例如本章讲的复制卷、分布式复制卷，还有没讲的条带复制卷和分布式条带复制卷了。