GFS分布式文件系统

目录

1、GFS理论

1.1、概述

1.2、GFS的基本概念和架构：

1.2.1. 基本概念

1.2.2. 架构：

1.3、GFS的基本组成部分包括：

1.4、GFS具有以下几个关键特点：

1.5、GlusterFS特点

1.6、GFS的术语

1.7、GlusterFS 采用模块化、堆栈式的架构。

1.8、GlusterFS 的工作流程

1.9、 TCP与IB的区别

1.10、弹性 HASH 算法

2、GFS的卷类型

2.1、分布式卷

2.1.1、概述

2.1.2、特点

2.2、条带卷

2.2.1、概述

2.2.2、特点

2.3、复制卷

2.3.1、概述

2.3.2、 复制卷特点：

2.4、分布式条带卷

2.4.1、概述

2.5、分布式复制卷

2.5.1、概述

3、部署 GlusterFS 群集

3.1、准备环境

3.2、安装、启动GlusterFS（所有node节点上操作）

3.3、添加节点到存储信任池中（在 node1 节点上操作） --

3.4、3.5创建卷

 3.5、部署 Gluster 客户端

3.6、测试 Gluster 文件系统

3.7、破坏性测试 挂起其中一个虚拟机

3.8、总结：

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1、GFS理论

1.1、概述

是Google开发的一种分布式文件系统。它旨在解决大规模数据存储和处理的问题，适用于运行在大型集群上的应用程序。

GFS的设计目标是提供高可靠性、高性能和可扩展性。它采用了一些特殊的机制和策略来应对存储和访问海量数据的挑战

GFS是一个分布式的文件系统，只在扩展存储容量，提高性能，并通过多个互联网络的存储节点的数据进行元余，以确保数据的可用性和一致性

GFS（Google File System）是Google开发的一种分布式文件系统，用于存储和管理大规模数据。以下是

1.2、GFS的基本概念和架构：

1.2.1. 基本概念

   - 文件（File）：在GFS中，文件是数据的逻辑单元，可以是任意大小的数据集合。
   - 块（Chunk）：GFS将大文件切分为固定大小的块（通常为64 MB），每个块都有一个唯一的标识符。
   - 元数据（Metadata）：元数据包括文件的名称、大小、权限等信息，以及文件与块的映射关系。

1.2.2. 架构：

   - Master节点：Master节点是GFS的中心控制节点，负责协调和管理整个文件系统。它维护了文件元数据以及文件与块的映射关系。
   - Chunk服务器：Chunk服务器是存储实际数据块的节点。每个Chunk服务器负责管理一定数量的数据块，并处理对这些数据块的读写请求。
   - 客户端：客户端是使用GFS的应用程序或用户。它们通过GFS的API与文件系统进行交互，可以读取、写入和删除文件。
   - 副本：为了保证数据的可靠性，GFS使用冗余存储技术。每个数据块通常会有多个副本存储在不同的Chunk服务器上。
   - 心跳机制：心跳机制用于Master节点与Chunk服务器之间的通信和监控。Chunk服务器定期向Master发送心跳消息，以表明自己的存活状态和处理能力。

GFS的设计目标是在大规模分布式环境下提供高性能、高可靠性和可扩展性。它将大文件切分为固定大小的块，并将这些块分布到多个Chunk服务器上进行存储和管理。通过冗余存储和副本技术，GFS保证了数据的可靠性。Master节点负责维护元数据和协调数据访问，而客户端则通过API与GFS进行交互来读写文件。整体上，GFS的架构旨在适应大规模数据处理和存储的需求。

1.3、GFS的基本组成部分包括：

1. 主节点（Master）：主节点是GFS的控制中心，负责管理文件系统的元数据信息，包括文件和块的映射关系、副本的位置等。它还协调存储和访问数据的操作。

2. 块服务器（Chunk Server）：块服务器是存储实际数据的节点，它负责读取和写入数据块，并保持数据的可靠性和一致性。每个数据块都会有多个副本存储在不同的块服务器上，以提高容错性。

3. 客户端（Client）：客户端是应用程序与GFS交互的接口，它向主节点发送请求来读取或写入文件。客户端可以直接与块服务器通信，减少了主节点的负载。

1.4、GFS具有以下几个关键特点：

• 大文件支持：GFS针对存储大文件进行了优化，它将大文件划分为固定大小的数据块，并在不同的块服务器上存储多个副本。这样可以提高并行读取和写入的能力。

• 容错性：GFS通过在不同的块服务器上存储数据副本来增加容错性。当某个块服务器发生故障时，GFS会自动选择其他副本来提供数据。

• 顺序一致性：GFS保证了文件的顺序一致性。即使是在多个客户端同时写入同一个文件的情况下，GFS也会确保写入操作按照顺序执行。

• 自动数据处理：GFS支持自动地处理存储和检测数据损坏、数据迁移、负载均衡等维护任务，减轻了管理员的工作负担。

1.5、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。

1.6、GFS的术语

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 192.168.41.21:/data/mydir/。

2、Volume（逻辑卷）：

一个逻辑卷是卷上进行的。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

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。

GFS 以上虚拟文件系统

模块化堆栈式架构

1.7、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。

1.8、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。

1.9、 TCP与IB的区别

TCP（Transmission Control Protocol）和IB（InfiniBand）是两种不同的网络通信协议，它们在设计目标、特性和应用领域上存在一些区别。

1. 设计目标：
   - TCP：TCP是一种面向连接的可靠传输协议，旨在提供端到端的可靠数据传输，确保数据的完整性和有序性。
   - IB：IB是一种高性能的网络互连技术，专为高速、低延迟和高带宽的数据传输而设计，主要用于高性能计算和数据中心环境。

2. 通信模型：
   - TCP：TCP是一种面向连接的协议，通过三次握手建立连接，并在通信过程中维护连接状态。它提供了可靠的、双向的、基于字节流的通信模型。
   - IB：IB采用点对点通信模型，每个节点直接与其他节点进行通信，无需经过中间的路由器或交换机，从而实现低延迟和高带宽的数据传输。

3. 性能特性：
   - TCP：TCP在传输层实现了拥塞控制和流量控制等机制，以保证网络的稳定性和公平性。然而，这些机制会带来一定的传输延迟，并且难以满足高性能计算和实时数据传输的需求。
   - IB：IB具有极低的传输延迟和高带宽的特性，适用于需要高性能、低延迟和大规模数据传输的场景。它支持远程直接内存访问（RDMA）技术，可以绕过主机CPU，直接在内存之间进行数据传输，提高传输效率和性能。

4. 应用领域：
   - TCP：TCP广泛应用于互联网和局域网中，用于各种常见的应用层协议，如HTTP、SMTP、FTP等。它适用于大多数通信场景，尤其在可靠性和可用性方面具有优势。
   - IB：IB主要应用于高性能计算领域，如超级计算机、大规模数据分析等。它在高性能计算和大规模数据传输方面具有显著的优势，可以提供低延迟、高带宽和高吞吐量的数据传输能力。

综上所述，TCP和IB是两种不同的网络通信协议，它们在设计目标、通信模型、性能特性和应用领域上存在一些区别。TCP适用于大多数通信场景，提供可靠的数据传输，而IB则专为高性能计算和大规模数据传输而设计，提供低延迟、高带宽的数据传输能力。

1.10、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。

2、GFS的卷类型

2.1、分布式卷

2.1.1、概述

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。

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

2.1.2、特点

1. 文件分布在不同的服务器,不具备冗余性
2. 更容易和廉价地扩展卷的大小
3. 单点故障会造成数据丢失
4. 依赖底层的数据保护

2.2、条带卷

2.2.1、概述

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。

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

不具备元余性，类似Raido

从多个server中同时读取文件，效率提升

2.2.2、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。

2.3、复制卷

2.3.1、概述

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。

1. 同一文件保存一份或多分副本
2. 因为要保存副本，所以磁盘利用率较低
3. 若多个节点上的存储空间不一致，将按照木桶效应取最低节点的容量作为该卷的总容量

2.3.2、 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。

2.4、分布式条带卷

2.4.1、概述

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

兼顾分布式卷和条带卷的功能

主要用于大文件访问处理

至少最少需要 4台服务器

2.5、分布式复制卷

2.5.1、概述

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。

兼顾分布式卷和复制卷的功能

用于需要冗余的情况

3、部署 GlusterFS 群集

3.1、准备环境

关闭防火墙

 每台虚拟机添加硬盘

重启才可以刷新

设置磁盘分区的脚本

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

文件进行赋权

脚本可能出现某一个脚本挂载不上

挂载点添加成功

修改主机名，方便区分

四台主机的地址全部添加完成

方法一

echo "192.168.10.13 node1" >> /etc/hosts

echo "192.168.10.14 node2" >> /etc/hosts

echo "192.168.10.15 node3" >> /etc/hosts

echo "192.168.10.16 node4" >> /etc/hosts

3.2、安装、启动GlusterFS（所有node节点上操作）

将gfsrepo 软件上传到/opt目录下

所有节点加载安装包

 将所有的yum源转移至一个目录中

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

 

所有节点安装yum源

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

unzip gfsrepo.zip # 解压

如采用官方 YUM 源安装，可以直接指向互联网仓库

如果故障了先进行删除，再进行安装

yum clean all && yum makecache

#yum -y install centos-release-gluster			#如采用官方 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

故障原因是版本过高导致
yum remove glusterfs-api.x86_64 glusterfs-cli.x86_64 glusterfs.x86_64 glusterfs-libs.x86_64 glusterfs-client-xlators.x86_64 glusterfs-fuse.x86_64 -y

然后启动，设置开机自启，进场状态查看

3.3、添加节点到存储信任池中（在 node1 节点上操作） --

相同虚拟机的节点不需要添加

查看集群状态

3.4、3.5创建卷

创建分布式卷

创建条带卷

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

 3.5、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

解压完后，安装

安装解压

创建挂载目录

配置 /etc/hosts 文件

挂载 Gluster 文件系统

3.6、测试 Gluster 文件系统

写入数据

复制数据

查看文件分布

查看分布式文件分布

查看条带卷文件分布

数据被分片50% 没副本 没冗余

3.7、破坏性测试 挂起其中一个虚拟机

分布式复制卷没有少数据

 分布式条带卷缺少数据

复制卷不少数据

条带卷报错

3.8、总结：

上述实验测试，凡是带复制数据，相比而言，数据比较安全

扩展其他的维护命令

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.deny 192.168.80.100

仅允许

gluster volume set dis-rep auth.allow 192.168.80.*

#设置192.168.80.0网段的所有IP地址都能访问dis-rep卷（分布式复制卷）