GFS分布式文件系统

目录

一、GlusterFS简介

二、GlusterFS特点

1.扩展性和高性能

2.高可用性

3.全局统一命名空间

4.弹性卷管理

5.基于标准协议

三、GlusterFS 术语

1.Brick（存储块）

2.Volume（逻辑卷）

3.FUSE

4.VFS

5.Glusterd（后台管理进程）

四、GlusterFS 的工作流程

五、弹性 HASH 算法

六、GlusterFS的卷类型

1.分布式卷（Distribute volume）

2.条带卷（Stripe volume）

3.复制卷（Replica volume）

4.分布式条带卷（Distribute Stripe volume）

5.分布式复制卷（Distribute Replica volume）

6.条带复制卷（Stripe Replica volume）

7.分布式条带复制卷（Distribute Stripe Replicavolume）

七、部署 GlusterFS 群集

关闭防火墙

磁盘分区，并挂载

修改主机名，配置/etc/hosts文件

以Node1节点为例

只要在一台Node节点上添加其它节点即可

 在每个Node节点上查看群集状态

创建卷

创建分布式卷

 查看卷列表

 启动新建分布式卷

 查看创建分布式卷信息

 创建条带卷

 创建复制卷

 创建分布式条带卷

 创建分布式复制卷

 查看当前所有卷的列表

 部署 Gluster 客户端

安装客户端软件

 创建挂载目录

挂载 Gluster 文件系统

        测试 Gluster 文件系统 

卷中写入文件，客户端操作

 查看文件分布

查看分布式文件分布

 查看条带卷文件分布

 查看复制卷分布

 查看分布式条带卷分布

 查看分布式复制卷分布    

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一、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。

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。

二、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。
（1）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。
（2）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。

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虚拟存储池，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。

三、GlusterFS 术语

1.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和目录的绝对路径构成，表示方法为 SERVER:EXPORT，如 192.168.80.10:/data/mydir/。

2.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。

3.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。
伪文件系统

4.VFS

内核空间对用户空间提供的访问磁盘的接口。   虚拟端口

5.Glusterd（后台管理进程）

服务端
在存储群集中的每个节点上都要运行。

四、GlusterFS 的工作流程

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。

五、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。

六、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。

1.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。
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。

2.条带卷（Stripe volume）

类似 RAID0，文件被分成数据块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

3.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。
 

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。

4.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。

5.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 File2 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。

6.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。

7.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。

七、部署 GlusterFS 群集

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

以Node1节点为例

hostnamectl set-hostname node1

 echo "192.168.146.100 node1" >> /etc/hosts
echo "192.168.146.110node2" >> /etc/hosts
echo "192.168.146.111node3" >> /etc/hosts
echo "192.168.146.20node4" >> /etc/hosts

 将gfsrepo 软件上传到/opt目录下

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

 

 添加节点到存储信任池中

只要在一台Node节点上添加其它节点即可

 在每个Node节点上查看群集状态

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

 查看创建分布式卷信息

gluster volume info 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    

 查看当前所有卷的列表

gluster volume list

 部署 Gluster 客户端

安装客户端软件

将gfsrepo 软件上传到/opt目下 

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

 创建挂载目录

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

ls /test

 配置 /etc/hosts 文件

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

  测试 Gluster 文件系统 

卷中写入文件，客户端操作

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

 查看文件分布

查看分布式文件分布

ls -lh /data/sdb1  node1

总用量 160M
-rw-r--r-- 2 root root 40M 12月 18 14:50 demo1.log
-rw-r--r-- 2 root root 40M 12月 18 14:50 demo2.log
-rw-r--r-- 2 root root 40M 12月 18 14:50 demo3.log
-rw-r--r-- 2 root root 40M 12月 18 14:50 demo4.log

 ll -h /data/sdb1  node2

总用量 40M
-rw-r--r-- 2 root root 40M 12月 18 14:50 demo5.log

 查看条带卷文件分布

 ls -lh /data/sdc1  node1

 ll -h /data/sdc1  node2

 查看复制卷分布

ll -h /data/sdb1    node3

 ll -h /data/sdb1  node4

 查看分布式条带卷分布

ll -h /data/sdd1  node1

  ll -h /data/sdd1  node2

 ll -h /data/sdd1   node3

 ll -h /data/sdd1  node4

 查看分布式复制卷分布    

ll -h /data/sde1    node1

 ll -h /data/sde1  node2

 ll -h /data/sde1   node3

 ll -h /data/sde1   node4