分布式文件系统和企业级应用——GFS分布式文件系统
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了分布式文件系统和企业级应用——GFS分布式文件系统相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
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MFS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。
分布式存储：可以由多个块存储组成一个整体对外提供服务，对用户来说对象存储就是一个整体。数据会安装对象存储规则进行分片和多副本的存储。
分布式存储：由多个文件系统作为一个整体对外提供存储服务，应该具备大容量，多副本，数据分片，可横向扩展等特性。
GlusterFS特点
1. 扩展性和高性能
lusterFS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
1）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
2）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
3）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
1）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
2）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
3）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
1）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
2）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
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192.168.163.11 :/opt/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
4. VFS
内核空间对用户空间提供的访问磁盘的接口
5. 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
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
弹性HASH算法
概念
- 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（2的32次方）
- 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
1. 分布式卷（Distribute volume）
概念
- 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
创建分布巻的格式
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 server3:/dir32. 条带卷（Stripe volume）
概念
-
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的速度
- 没有数据冗余
创建条带巻的格式
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中
gluster volume create stripe-volume stripe 2 transport tcp server1:/dir1 server2:/dir23. 复制卷（Replica volume）
概念
- 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
创建复制巻的格式
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:/dir24. 分布式条带卷（Distribute Stripe volume）
概念
- 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
创建分布式条带卷的格式
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补充说明
- 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
5. 分布式复制卷（Distribute Replica volume）
概念
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
创建分布式复制卷的格式
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 6. 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
部署GlusterFS群集
| 节点/ip | 磁盘准备 | 挂载点 |
| Node1节点：node1/192.168.163.11 | /dev/sdb1 /dev/sdc1 /dev/sdd1 /dev/sde1 | /data/sdb1 /data/sdc1 /data/sdd1 /data/sde1 |
| Node2节点：node1/192.168.163.12 | /dev/sdb1 /dev/sdc1 /dev/sdd1 /dev/sde1 | /data/sdb1 /data/sdc1 /data/sdd1 /data/sde1 |
| Node3节点：node1/192.168.163.13 | /dev/sdb1 /dev/sdc1 /dev/sdd1 /dev/sde1 | /data/sdb1 /data/sdc1 /data/sdd1 /data/sde1 |
| Node4节点：node1/192.168.163.14 | /dev/sdb1 /dev/sdc1 /dev/sdd1 /dev/sde1 | /data/sdb1 /data/sdc1 /data/sdd1 /data/sde1 |
| 客户端节点：192.168.163.15 |
准备环境（所有node节点上操作）
1. 关闭防火墙
systemctl stop firewalld
setenforce 0
2. 进行磁盘分区、挂载
Node1节点：192.168.163.11
Node2节点：192.168.163.12
Node3节点：192.168.163.13
Node4节点：192.168.163.14
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
3. 修改主机名，配置/etc/hosts文件
Node1节点：192.168.163.11
Node2节点：192.168.163.12
Node3节点：192.168.163.13
Node4节点：192.168.163.14
#以Node1节点为例：
hostnamectl set-hostname node1
su
echo "192.168.163.11 node1" >> /etc/hosts
echo "192.168.163.12 node2" >> /etc/hosts
echo "192.168.163.13 node3" >> /etc/hosts
echo "192.168.163.14 node4" >> /etc/hosts
cat /etc/hosts
4. 安装、启动GlusterFS（所有node节点上操作）
Node1节点：192.168.163.11
Node2节点：192.168.163.12
Node3节点：192.168.163.13
Node4节点：192.168.163.14
#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
5. 添加节点创建集群
Node1节点：192.168.163.11
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
6. 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 |
|---|---|---|
| fbs | 分布式卷 | node1(/data/sdb1)、node2(/data/sdb1) |
| td | 条带卷 | node1(/data/sdc1)、node2(/data/sdc1) |
| fz | 复制卷 | node3(/data/sdb1)、node4(/data/sdb1) |
| fbstd | 分布式条带卷 | node1(/data/sdd1)、node2(/data/sdd1)、node3(/data/sdd1)、node4(/data/sdd1) |
| fbsfz | 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
### 7. 部署gluster客户端
+ 部署Gluster客户端（192.168.163.15）
#### 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 "192.168.163.11 node1" >> /etc/hosts
echo "192.168.163.12 node2" >> /etc/hosts
echo "192.168.163.13 node3" >> /etc/hosts
echo "192.168.163.14 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
### 8. 测试 Gluster 文件系统
部署Gluster客户端（192.168.163.15）
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/
### 9. 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
ll -h /data/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
ll -h /data/sdc1
+ node2:/dev/sdc1
ll -h /data/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
ll -h /data/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
ll -h /data/sdd1
+ node2:/dev/sdd1
ll -h /data/sdd1
+ node3:/dev/sdd1
ll -h /data/sdd1
+ node4:/dev/sdd1
ll -h /data/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
ll -h /data/sde1
+ node2:/dev/sde1
ll -h /data/sde1
+ node3:/dev/sde1
ll -h /data/sde1
+ node4:/dev/sde1
ll -h /data/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）
# 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
或init 0
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/
结论：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
#### 3. 分布式条带卷
ls -lh /test/dis_stripe/
结论：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
#### 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
+ 在node3和node4中选一个关闭的，关闭node4（192.168.163.14）进行测试，
systemctl stop glusterd.service #node4
ls -lh /test/rep/
结论：文件和数据都在，所以复制卷具有冗余
# 总结
## 常用维护命令
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.allow 192.168.163.100
\\#仅允许
gluster volume set dis-rep auth.allow 192.168.163.* #设置192.168.163.0网段的所有IP地址都能访问dis-rep卷（分布式复制卷）
## 工作原理
1. 外来请求通过挂载点时，linux 系统内核通过VFS接口，把请求发送到FUSE
2. FUSE将数据交给内存的/dev/fuse，然后递交到GFS客户端
3. GFS客户端对数据进行处理，并通过网络协议（如TCP、IB等），传输到GFS服务端
4. GFS服务端接收到数据后，通过VFS接口，对数据进行相应的转存处理
## GFS特点
+ 扩展性和高性能
+ 高可用性
+ 全局统一命名空间
+ 弹性卷管理
+ 基于标准协议
以上是关于分布式文件系统和企业级应用——GFS分布式文件系统的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章