GFS分布式文件系统概述以及集群部署
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
四、GlusterFS构成
五、后端存储如何定位文件
六、GFS支持的七种卷
1、分布式卷（Distribute volume）
2、条带卷（Stripe volume）
3、复制卷（Replica volume）
6.5 分布式复制卷（Distribute Replica volume）
6.6 条带复制卷（Stripe Replca volume）
6.7 分布式条带复制卷（Distribute Stripe Replicavolume）
七、GFS部署
需要4台node节点和一台客户端
每台节点添加四块磁盘，重启服务器，准备开始部署
更改节点名称
节点进行磁盘挂载，安装本地源
添加节点创建集群
根据规划创建卷
创建分布式卷
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
部署gluster客户端
查看文件分布
查看分布式文件分布（node1:/dev/sdb1、node2:/dev/sdb1）
查看条带卷文件分布（node1:/dev/sdc1、node2:/dev/sdc1）
查看复制卷文件分布（node3:/dev/sdb1、node4:/dev/sdb1）
查看分布式条带卷分布（node1:/dev/sdd1、node2:/dev/sdd1、node3:/dev/sdd1、node4:/dev/sdd1）
查看分布式复制卷分布（node1:/dev/sde1、node2:/dev/sde1、node3:/dev/sde1、node4:/dev/sde1）
八、冗余测试
1、分布式卷数据查看，缺少demo5，这是在node2上的，不具备冗余,挂起 node2 节点或者关闭glusterd服务来模拟故障
2、条带卷，无法访问，不具备冗余
3、复制卷，在node3和node4上的，关闭node4（192.168.184.40）进行测试，具有冗余
4、分布式条带卷，不具备冗余
5、分布式复制卷，具有冗余
GFS是一个可扩展的分布式文件系统，用于大型的、分布式的、对大量数据进行访问的应用。它运行于廉价的普通硬件上，并提供容错功能。它可以给大量的用户提供总体性能较高的服务。
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。
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。
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。
三、GlusterFS术语
Brick（块存储服务器）实际存储用户数据的服务器
Volume（逻辑卷）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
使用GFS会使用到以上的虚拟文件系统
四、GlusterFS构成
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：每个模块可以提供不同的功能
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
I/O cache：I/O缓存
read ahead：内核文件预读
distribute/stripe：分布式、条带化
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：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
封装多个功能模块，组成堆栈式的结构，来实现复杂的功能
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，由于可能会存在系统兼容问题，需要通过posix来解决系统兼容性问题，让客户端的命令通过posix过滤后可以在服务端执行
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
五、后端存储如何定位文件
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。
六、GFS支持的七种卷
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。
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。
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。
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。
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）
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。
6.5 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。
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)
6.6 条带复制卷（Stripe Replca volume）
类似RAID10，同时具有条带卷和复制卷的特点。
6.7 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、GFS部署
需要4台node节点和一台客户端
Node1节点：node1/192.168.111.71 磁盘： /dev/sdb1 挂载点： /data/sdb1
/dev/sdc1 /data/sdc1
/dev/sdd1 /data/sdd1
/dev/sde1 /data/sde1
Node2节点：node2/192.168.111.72 磁盘： /dev/sdb1 挂载点： /data/sdb1
/dev/sdc1 /data/sdc1
/dev/sdd1 /data/sdd1
/dev/sde1 /data/sde1
Node3节点：node3/192.168.111.79 磁盘： /dev/sdb1 挂载点： /data/sdb1
/dev/sdc1 /data/sdc1
/dev/sdd1 /data/sdd1
/dev/sde1 /data/sde1
Node4节点：node4/192.168.111.80 磁盘： /dev/sdb1 挂载点： /data/sdb1
/dev/sdc1 /data/sdc1
/dev/sdd1 /data/sdd1
/dev/sde1 /data/sde1
=====客户端节点：192.168.111.81=====每台节点添加四块磁盘，重启服务器，准备开始部署
更改节点名称
node1（192.168.111.71）
hostnamectl set-hostname node1
bashnode2（192.168.111.72）
hostnamectl set-hostname node2
bashnode3（192.168.111.79）
hostnamectl set-hostname node3
bashnode4（192.168.111.80）
hostnamectl set-hostname node4
bash节点进行磁盘挂载，安装本地源
所有节点（这里使用node1作为示范）
systemctl stop firewalld
setenforce 0
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
echo "192.168.111.71 node1" >> /etc/hosts
echo "192.168.111.72 node2" >> /etc/hosts
echo "192.168.111.79 node3" >> /etc/hosts
echo "192.168.111.80 node4" >> /etc/hosts
ls
unzip gfsrepo.zip
cd /etc/yum.repos.d/
ls
mv * repos.bak/
ls
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，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
========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)
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
[root@node1 ~] # gluster volume create dis-volume node1:/data/sdb1 node2:/data/sdb1 force
volume create: dis-volume: success: please start the volume to access data
[root@node1 ~] # gluster volume list
dis-volume
[root@node1 ~] # gluster volume start dis-volume
volume start: dis-volume: success
[root@node1 ~] # gluster volume info dis-volume
Volume Name: dis-volume
Type: Distribute
Volume ID: 8f948537-5ac9-4091-97eb-0bdcf142f4aa
Status: Started
Snapshot Count: 0
Number of Bricks: 2
Transport-type: tcp
Bricks:
Brick1: node1:/data/sdb1
Brick2: node2:/data/sdb1
Options Reconfigured:
transport.address-family: inet
nfs.disable: on
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
[root@node1 ~] # gluster volume create stripe-volume stripe 2 node1:/data/sdc1 node2:/data/sdc1 force
volume create: stripe-volume: success: please start the volume to access data
[root@node1 ~] # gluster volume start stripe-volume
volume start: stripe-volume: success
[root@node1 ~] # gluster volume info stripe-volume
Volume Name: stripe-volume
Type: Stripe
Volume ID: b1185b78-d396-483f-898e-3519d3ef8e37
Status: Started
Snapshot Count: 0
Number of Bricks: 1 x 2 = 2
Transport-type: tcp
Bricks:
Brick1: node1:/data/sdc1
Brick2: node2:/data/sdc1
Options Reconfigured:
transport.address-family: inet
nfs.disable: on
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
[root@node1 ~] # gluster volume create rep-volume replica 2 node3:/data/sdb1 node4:/data/sdb1 force
volume create: rep-volume: success: please start the volume to access data
[root@node1 ~] # gluster volume start rep-volume
volume start: rep-volume: success
[root@node1 ~] # gluster volume info rep-volume
Volume Name: rep-volume
Type: Replicate
Volume ID: 9d39a2a6-b71a-44a5-8ea5-5259d8aef518
Status: Started
Snapshot Count: 0
Number of Bricks: 1 x 2 = 2
Transport-type: tcp
Bricks:
Brick1: node3:/data/sdb1
Brick2: node4:/data/sdb1
Options Reconfigured:
transport.address-family: inet
nfs.disable: on
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。
[root@node1 ~] # gluster volume create dis-stripe stripe 2 node1:/data/sdd1 node2:/data/sdd1 node3:/data/sdd1 node4:/data/sdd1 force
volume create: dis-stripe: success: please start the volume to access data
[root@node1 ~] # gluster volume start dis-stripe
volume start: dis-stripe: success
[root@node1 ~] # gluster volume info dis-stripe
Volume Name: dis-stripe
Type: Distributed-Stripe
Volume ID: beb7aa78-78d1-435f-8d29-c163878c73f0
Status: Started
Snapshot Count: 0
Number of Bricks: 2 x 2 = 4
Transport-type: tcp
Bricks:
Brick1: node1:/data/sdd1
Brick2: node2:/data/sdd1
Brick3: node3:/data/sdd1
Brick4: node4:/data/sdd1
Options Reconfigured:
transport.address-family: inet
nfs.disable: on
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。
[root@node1 ~] # gluster volume create dis-rep replica 2 node1:/data/sde1 node2:/data/sde1 node3:/data/sde1 node4:/data/sde1 force
volume create: dis-rep: success: please start the volume to access data
[root@node1 ~] # gluster volume start dis-rep
volume start: dis-rep: success
[root@node1 ~] # gluster volume info dis-rep
Volume Name: dis-rep
Type: Distributed-Replicate
Volume ID: 734e38e6-154c-4425-acca-2342577b14e7
Status: Started
Snapshot Count: 0
Number of Bricks: 2 x 2 = 4
Transport-type: tcp
Bricks:
Brick1: node1:/data/sde1
Brick2: node2:/data/sde1
Brick3: node3:/data/sde1
Brick4: node4:/data/sde1
Options Reconfigured:
transport.address-family: inet
nfs.disable: on
=======================
[root@node1 ~] # gluster volume list
dis-rep
dis-stripe
dis-volume
rep-volume
stripe-volume
部署gluster客户端
部署Gluster客户端（192.168.111.81）
systemctl stop firewalld
setenforce 0
cd /opt
unzip gfsrepo.zip
cd /etc/yum.repos.d/
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 "192.168.111.71 node1" >> /etc/hosts
echo "192.168.111.72 node2" >> /etc/hosts
echo "192.168.111.79 node3" >> /etc/hosts
echo "192.168.111.80 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 -h
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/
tree
查看文件分布
查看分布式文件分布（node1:/dev/sdb1、node2:/dev/sdb1）
[root@node1 ~] # ls -lh /data/sdb1
[root@node2 ~]#ll -h /data/sdb1
查看条带卷文件分布（node1:/dev/sdc1、node2:/dev/sdc1）
[root@node1 ~] # ls -lh /data/sdc1
[root@node2 ~]#ll -h /data/sdc1
查看复制卷文件分布（node3:/dev/sdb1、node4:/dev/sdb1）
[root@node3 ~]#ll -h /data/sdb1
[root@node4 ~]#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）
[root@node1 ~] # ll -h /data/sdd1
[root@node2 ~]#ll -h /data/sdd1
[root@node3 ~]#ll -h /data/sdd1
[root@node4 ~]#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）
[root@node1 ~] # ll -h /data/sde1
[root@node2 ~]#ll -h /data/sde1
[root@node3 ~]#ll -h /data/sde1
[root@node4 ~]#ll -h /data/sde1
八、冗余测试
在客户端上查看文件是否正常
1、分布式卷数据查看，缺少demo5，这是在node2上的，不具备冗余,挂起 node2 节点或者关闭glusterd服务来模拟故障
[root@node2 /]# init 0
[root@localhost test]# ll /test/dis
总用量 163840
-rw-r--r--. 1 root root 41943040 8月 1 19:19 demo1.log
-rw-r--r--. 1 root root 41943040 8月 1 19:19 demo2.log
-rw-r--r--. 1 root root 41943040 8月 1 19:19 demo3.log
-rw-r--r--. 1 root root 41943040 8月 1 19:19 demo4.log
2、条带卷，无法访问，不具备冗余
[root@localhost test]# ll /test/stripe/
总用量 03、复制卷，在node3和node4上的，关闭node4（192.168.184.40）进行测试，具有冗余
[root@node4 ~]#init 0
客户端，仍然存在
[root@localhost test]# ll /test/rep/
总用量 204800
-rw-r--r--. 1 root root 41943040 8月 1 19:19 demo1.log
-rw-r--r--. 1 root root 41943040 8月 1 19:19 demo2.log
-rw-r--r--. 1 root root 41943040 8月 1 19:19 demo3.log
-rw-r--r--. 1 root root 41943040 8月 1 19:19 demo4.log
-rw-r--r--. 1 root root 41943040 8月 1 19:19 demo5.log
4、分布式条带卷，不具备冗余
[root@localhost test]# ll /test/dis_stripe/
总用量 05、分布式复制卷，具有冗余
[root@localhost test]# ll /test/dis_rep/
总用量 204800
-rw-r--r--. 1 root root 41943040 8月 1 19:20 demo1.log
-rw-r--r--. 1 root root 41943040 8月 1 19:20 demo2.log
-rw-r--r--. 1 root root 41943040 8月 1 19:20 demo3.log
-rw-r--r--. 1 root root 41943040 8月 1 19:20 demo4.log
-rw-r--r--. 1 root root 41943040 8月 1 19:20 demo5.log
实验成功