GFS分布式文件系统

Posted 2021-08-16 敲击岁月

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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。

GFS分布式文件系统

GFS简介
GFS特点
GFS术语
模块化堆栈式架构
GFS的工作流程
弹性HASH算法
GFS的卷类型
GFS部署

GFS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，根须需要选择使用）组成
没有元数据服务器组成，这有助于提升这个系统的性能，可靠性和稳定性

传统的分布式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GFS分布式文件系统是基于无原服务器的设计，数据横向扩展能力强，具备较高的可靠性及存储效率。

GFS支持借助TCP/IP或infinibandRDMA网络（一种支持多并发连接的技术，具有高宽带，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

GFS特点

1.扩展性和高性能

2.高可用性
GFS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。
GFS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
GFS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
GFS存储服务支持NFS，CIFS,HTTP,FTP,SMB及Gluster原生协议，完全与posix标准兼容。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

GFS术语

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GFS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的逻辑卷。大部分Gluster管理操作是在卷上进行的
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
VFS	内核空间对用户空间提供的访问磁盘的接口
Glusterd（后台管理进程）	在存储群集中的每个节点上都要允许

模块化堆栈式架构

GFS采用模块化、堆栈式的架构
通过对模块的组合，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。
API：应用程序编程接口
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

GFS的工作流程

客户端或应用程序通过GlusterFS的挂载点访问数据。
linux系统内核通过VFS API收到请求并处理。
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。
GlusterFS client收到数据后，client根据配置文件的配置对数据进行处理。
经过GlusterFS client处理后，通过网络将数据传递至远端的GlusterFSServer，并且将数据写入到服务器存储设备上。

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。

GFS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。

分布式卷（默认）

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:
Filel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。

#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。

条带卷（默认）

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。

复制卷

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:
Filel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。

分布式条带卷

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
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。

分布式复制卷

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:
Filel和File2通过分布式卷的功能分别定位到Serverl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。

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

三种基本卷的复合卷，通常用于类Map Reduce应用。

GFS部署

node 1节点：node1/192.168.146.41	磁盘：/dev/sdb1,/dev/sdc1,/dev/sdd1,/dev/sde1	挂载点：/data/sdb1,/data/sdc1,/data/sdd1,/data/sde1
node 2节点：node2/192.168.146.10	磁盘：/dev/sdb1,/dev/sdc1,/dev/sdd1,/dev/sde1	挂载点：/data/sdb1,/data/sdc1,/data/sdd1,/data/sde1
node 3节点：node3/192.168.146.11	磁盘：/dev/sdb1,/dev/sdc1,/dev/sdd1,/dev/sde1	挂载点：/data/sdb1,/data/sdc1,/data/sdd1,/data/sde1
node 4节点：node4/192.168.146.12	磁盘：/dev/sdb1,/dev/sdc1,/dev/sdd1,/dev/sde1	挂载点：/data/sdb1,/data/sdc1,/data/sdd1,/data/sde1

-----准备环境( 所有node节点上操作) -----
1.关闭防火墙
systemctl stop firewalld
setenforce 0

2.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

3.修改主机名，配置/etc/hosts文件
#以Node1节点为例:
hostnamectl set-hostname node1
echo "192 168.121.55 node1" >> /etc/hosts
echo "192.168.121.66 node2" >> /etc/hosts
echo "192.168.121.77 node3" >> /etc/hosts
echo "192.168.121.88 node4" >> /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/gfsrepe
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

在这里插入图片描述

-----添加节点到存储信任池中(在node1 节点上操作)-----
#只要在一台Node节点上添加其它节点即可
gluster peer probe node1
glusten peer probe node2
gluster peer probe node3
gluster peer probe node4

#在每个Node节点上查看群集状态
gluster peer status

在这里插入图片描述
–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)

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

[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

在这里插入图片描述

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
gluster volume create stripe-volume stripe 2 node1:/data/sdc1 node2:/data/sdc1 force
gluster volume start stripe-volume
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
gluster volume create rep-volume replica 2 node3:/data/sdb1 node4:/data/sdb1 force
gluster volume start rep-volume
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
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

5.创建分布式复制卷
[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

在这里插入图片描述

-----部署Gluster客户端-----
1.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

2.创建挂载目录
mkdir -p /test/{dis,stripe,rep,dis_stripe,dis_rep}
ls /test

3.配置/etc/hosts文件
echo "192.168.121.55 node1" >> /etc/hosts
echo "192.168.121.66 node2" >> /etc/hosts
echo "192.168.121.77 node3" >> /etc/hosts
echo "192.168.121.88 node4" >> /etc/hosts

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 -Th

#永久挂载
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

----- 测试Gluster文件系统-----

1.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/demo3.1og bs=1M count=40
dd if=/dev/zero of=/opt/demo4.log bs=1M count=40
dd if=/dev/zero of=/opt/demo5.1og bs=1M count=40

ls -1h /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/

1、查看分布式文件分布（node1:/dev/sdb1、node2:/dev/sdb1）
[root@node1 ~] # ls -lh /data/sdb1
总用量 160M
-rw-r--r--. 2 root root 40M 3月   2 22:46 demo1.log
-rw-r--r--. 2 root root 40M 3月   2 22:46 demo2.log
-rw-r--r--. 2 root root 40M 3月   2 22:46 demo3.log
-rw-r--r--. 2 root root 40M 3月   2 22:46 demo4.log

[root@node2 ~]#ll -h /data/sdb1
总用量 40M
-rw-r--r--. 2 root root 40M 3月   2 22:46 demo5.log

2、查看条带卷文件分布（node1:/dev/sdc1、node2:/dev/sdc1）
[root@node1 ~] # ls -lh /data/sdc1
总用量 100M
-rw-r--r--. 2 root root 20M 3月   2 22:46 demo1.log
-rw-r--r--. 2 root root 20M 3月   2 22:46 demo2.log
-rw-r--r--. 2 root root 20M 3月   2 22:46 demo3.log
-rw-r--r--. 2 root root 20M 3月   2 22:46 demo4.log
-rw-r--r--. 2 root root 20M 3月   2 22:46 demo5.log

[root@node2 ~]#ll -h /data/sdc1
总用量 100M
-rw-r--r--. 2 root root 20M 3月   2 22:46 demo1.log
-rw-r--r--. 2 root root 20M 3月   2 22:46 demo2.log
-rw-r--r--. 2 root root 20M 3月   2 22:46 demo3.log
-rw-r--r--. 2 root root 20M 3月   2 22:46 demo4.log
-rw-r--r--. 2 root root 20M 3月   2 22:46 demo5.log

3、查看复制卷文件分布（node3:/dev/sdb1、node4:/dev/sdb1）
[root@node3 ~]#ll -h /data/sdb1
总用量 200M
-rw-r--r--. 2 root root 40M 3月   2 22:46 demo1.log
-rw-r--r--. 2 root root 40M 3月   2 22:46 demo2.log
-rw-r--r--. 2 root root 40M 3月   2 22:46 demo3.log
-rw-r--r--. 2 root root 40M 3月   2 22:46 demo4.log
-rw-r--r--. 2 root root 40M 3月   2 22:46 demo5.log

[root@node4 ~]#ll -h /data/sdb1
总用量 200M
-rw-r--r--. 2 root root 40M 3月   2 22:46 demo1.log
-rw-r--r--. 2 root root 40M 3月   2 22:46 demo2.log
-rw-r--r--. 2 root root 40M 3月   2 22:46 demo3.log
-rw-r--r--. 2 root root 40M 3月   2 22:46 demo4.log
-rw-r--r--. 2 root root 40M 3月   2 22:46 demo5.log


4、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
总用量 60M
-rw-r--r--. 2 root root 20M 3月   2 22:46 demo1.log
-rw-r--r--. 2 root root 20M 3月   2 22:46 demo2.log
-rw-r--r--. 2 root root 20M 3月   2 22:46 demo3.log

[root@node2 ~]#ll -h /data/sdd1
总用量 60M
-rw-r--r--. 2 root root 20M 3月   2 GFS分布式文件系统概述以及集群部署
 GFS分布式文件系统简介及部署——让存储变得更高级
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