GFS 分布式文件系统

Posted 2021-08-16 Zmac111

GFS 分布式文件系统

• 一、概述
• 二、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的模块化堆栈式架构
• 五、GlusterFS的工作流程
• 六、后端存储定位文件的方法（HASH算法）
• 七、GFS的卷类型
• • 1.分布式卷（Distribute volume）
  • 2.条带卷（Stripe volume）
  • 3.复制卷（Replica volume）
  • 4.分布式条带卷（Distribute Stripe volume）
  • 5.分布式复制卷（Distribute Replica volume）
  • 6.条带复制卷（Stripe Replca volume）
  • 7.分布式条带复制卷（Distribute Stripe Replicavolume）
• 八、相关命令
• 九、部署GFS
• • 1.节点进行磁盘分区、挂载
  • 2.配置/etc/hosts文件
  • 3.安装、启动GlusterFS
  • 4.添加节点创建集群
  • 5.根据规划创建卷
  • • （1）创建分布式卷
    • （2）创建条带卷
    • （3）创建复制卷
    • （4）创建分布式条带卷
    • （5）创建分布式复制卷
  • 6.部署gluster客户端
  • • （1）安装客户端软件
    • （2）配置 /etc/hosts 文件
    • （3）创建挂载目录
    • （4）挂载 Gluster 文件系统
  • 7.测试
  • 8.查看文件分布
  • • （1）查看分布式文件分布
    • （2）查看条带卷文件分布
    • （3）查看复制卷文件分布
    • （4）查看分布式条带卷分布
    • （5）查看分布式复制卷分布
• 十、冗余测试
• • 1.分布式卷
  • 2.条带卷
  • 3.分布式条带卷
  • 4.分布式复制卷
  • 5.复制卷
• 总结

一、概述

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rCP/IP或InfiniBandRDNA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、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（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 SERVBR:EXPORT，如192.168.19.33:/data/mydir/

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IWM 中的逻辑卷。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运行。

四、GlusterFS的模块化堆栈式架构

（1）GlusterFS采用模块化、堆栈式的架构，可通过灵活的配置支持高度定制化的应用环境，比方大文件存储、海量小文件存储、云存储、多传输协议应用等。

（2）每一个功能以模块形式实现，然后以积木方式进行简单的组合，就可以实现复杂的功能。比方，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，同一时候获得高性能和高可靠性。

（3）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时，通过posix来解决出现的系统兼容性问题，让客户端的命令通过posix过滤后可以在服务端执行

五、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 VES 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FOSE，而 FOSE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。

六、后端存储定位文件的方法（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:
（1）保证数据平均分布在每一个 Brick 中。
（2）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。

七、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。

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 RAIDO，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。

分布式卷的特点
（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

举例

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（Stripe volume）

类似RAID 0，文件被分成数据库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，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
（1）数据被分割成更小块分布到块服务器群中的不同条带区
（2）分布减少了负载且更小的文件加速了存取的速度
（3）没有数据冗余

举例

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）

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:
（1）卷中所有的服务器均保存一个完整的副本。
（2）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。
（3）至少由两个块服务器或更多服务器。
（4）具备冗余性。

举例

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）

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。

举例

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

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）

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。

举例

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

6.条带复制卷（Stripe Replca volume）

类似RAID 10，同时具有条带卷和复制卷的特点

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

八、相关命令

（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 192.168.19.33

仅允许

gluster volume set dis-rep auth.allow 192.168.19.*	  #设置192.168.19.0网段的所有IP地址都能访问dis-rep卷（分布式复制卷）

九、部署GFS

环境准备

节点名称	ip地址	磁盘	挂载点
Node1节点	192.168.163.11	/dev/sdb1 /dev/sdc1 /dev/sdd1 /dev/sde1	/data/sdb1 /data/sdc1 /data/sdd1 /data/sde1
Node2节点	192.168.163.12	/dev/sdb1 /dev/sdc1 /dev/sdd1 /dev/sde1	/data/sdb1 /data/sdc1 /data/sdd1 /data/sde1
Node3节点	192.168.163.13	/dev/sdb1 /dev/sdc1 /dev/sdd1 /dev/sde1	/data/sdb1 /data/sdc1 /data/sdd1 /data/sde1
Node4节点	192.168.163.14	/dev/sdb1 /dev/sdc1 /dev/sdd1 /dev/sde1	/data/sdb1 /data/sdc1 /data/sdd1 /data/sde1
客户端	192.168.163.15

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：192.168.163.11
Node2节点：192.168.163.12
Node3节点：192.168.163.13
Node4节点：192.168.163.14
这里以node1为例，用脚本对磁盘进行操作

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

2.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为例

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.安装、启动GlusterFS

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为例

#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

4.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

5.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
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

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

6.部署gluster客户端

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

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

mount -a

7.测试

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 GFS分布式文件系统概述以及集群部署

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