GFS分布式文件系统

Posted 2022-03-02 Richard_Chiang

GFS分布式文件系统

块存储 磁盘 LVM raid
文件存储 NFS FTP SAN
对象存储 分布式存储（GFS Ceph Fastdfs MFS） 公有云 阿里云（OSS） AWS（S3） 私有云openstack（Swift）

壹、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，数据分散存储可避免出现单点故障
  • 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而且对象存储就是一个整体。
    • 数据会按照对象存储的存储规则进行分片和多副本的存储
• MFS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，它应该具备大容量，多副本，数据分片，可横向扩展等特性
  • 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(多副本机制)，整个存储系统也将崩溃。
• 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。

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贰、GlusterFS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

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叁、GlusterFS术语

• Brick（块存储）：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。
• 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。
• 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

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肆、GlusterFS的模块化堆栈式架构

• 模块化、堆栈式的架构
  • 模块化：每个模块可以提供不同的功能
  • 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
• 通过对模块的组合，实现复杂的功能

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伍、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。

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陆、后端存储如何定位文件

使用弹性HASH算法

• [x] 为了解决分布式文件数据索引、定位的复杂程度，而使用弹性HASH算法来解决数据定位、索引、寻址的功能

• 先通过HASH算法对数据可以得到一个值

  • 该值有2的32次方个组合
  • 每个数据对应了0-2的32次方的一个值
• 通常情况下，不同数据得到的值是不同的

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。

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柒、GFS支持的七种卷

（1）分布式卷（默认）

分布式卷的特点

• 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

（2）条带卷（默认）

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

（3）复制卷（Replica volume）

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

（4）分布式条带卷（Distribute Stripe volume）

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

（5）分布式复制卷（Distribute Replica volume）

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

（6）条带复制卷（Stripe Replca volume）

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

捌、GlusterFS群集的部署

环境准备

节点名称	IP地址	磁盘	挂载点
Node1节点	192.168.80.20	/dev/sdb1<br/>/dev/sdc1<br/>/dev/sdd1<br/>/dev/sde1	/data/sdb1<br/>/data/sdc1<br/>/data/sdd1<br/>/data/sde1
Node2节点	192.168.80.30	/dev/sdb1<br/>/dev/sdc1<br/>/dev/sdd1<br/>/dev/sde1	/data/sdb1<br/>/data/sdc1<br/>/data/sdd1<br/>/data/sde1
Node3节点	192.168.80.40	/dev/sdb1<br/>/dev/sdc1<br/>/dev/sdd1<br/>/dev/sde1	/data/sdb1<br/>/data/sdc1<br/>/data/sdd1<br/>/data/sde1
Node4节点	192.168.80.50	/dev/sdb1<br/>/dev/sdc1<br/>/dev/sdd1<br/>/dev/sde1	/data/sdb1<br/>/data/sdc1<br/>/data/sdd1<br/>/data/sde1
客户端	192.168.80.60

所有节点更改名称，方便识别
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：192.168.80.20
Node2节点：192.168.80.30
Node3节点：192.168.80.40
Node4节点：192.168.80.50

vim fdisk.sh
#!/bin/bash
NEWDEV=`ls /dev/sd* | grep -o sd[b-z] | uniq`
for i in $NEWDEV
do
   echo -e "n\\np\\n\\n\\n\\nw\\n" | fdisk /dev/$i &> /dev/null
   mkfs.xfs /dev/$i"1" &> /dev/null
   mkdir -p /data/$i"1" &> /dev/null
   echo "/dev/$i"1" /data/$i"1" xfs defaults 0 0" >> /etc/fstab
done
mount -a &> /dev/null

chmod +x fdisk.sh
./fdisk.sh

2、修改主机名，配置/etc/hosts文件

Node1节点：192.168.80.20
Node2节点：192.168.80.30
Node3节点：192.168.80.40
Node4节点：192.168.80.50

以Node1节点为例：
hostnamectl set-hostname node1
su

echo "192.168.80.20 node1" >> /etc/hosts
echo "192.168.80.30 node2" >> /etc/hosts
echo "192.168.80.40 node3" >> /etc/hosts
echo "192.168.80.50 node4" >> /etc/hosts

3、安装、启动GlusterFS

Node1节点：192.168.80.20
Node2节点：192.168.80.30
Node3节点：192.168.80.40
Node4节点：192.168.80.50

#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 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

4、添加节点创建集群

Node1节点：192.168.80.20
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

注：做之前一定要先关防火墙！

systemctl stop firewalld
setenforce 0

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
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

#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

#创建复制卷
gluster volume create rep-volume replica 2 node3:/data/sdb1 node4:/data/sdb1 force
#查看创建复制卷信息
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

#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

#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

6、部署gluster客户端

部署Gluster客户端（192.168.80.60）

（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 "192.168.80.20 node1" >> /etc/hosts
echo "192.168.80.30 node2" >> /etc/hosts
echo "192.168.80.40 node3" >> /etc/hosts
echo "192.168.80.50 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

7、测试 Gluster 文件系统

部署Gluster客户端（192.168.80.60）
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/

8、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

注：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

注：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

注：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

注：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

注：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）

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玖、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（192.168.80.60）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（192.168.80.50）进行测试，

ls -lh /test/rep/

结论：文件和数据都在，所以复制卷具有冗余

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。

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