DAY77 分布式应用:GFS分布式文件系统

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前言

文件系统:用于存储和管理文件的相关系统。

存储系统类型存储技术
块存储硬盘
文件存储NFS、SISC、FTP
对象存储OSS、S3(公有云)
分布式存储GFS、MFS、Ceph、FastdFs

分布式存储优点:

  1. 增加存储容量
  2. 加快读写效率
  3. 保证文件高可用

GlusterFS 概述

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。

MFS(传统的分布式文件系统技术)

  • 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。

GlusterFS:

  • 而Glusteres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。(不存在元服务器单点故障的问题)
  • 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。

命名空间:可以理解为目录,一个目录就是一个命名空间。同一个命名空间内不能存在2个相同名称的文件。

GlusterFS特点

●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。

●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。

●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。

●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。

●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。

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 SERVER:EXPORT,如 192.168.41.46:/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 LVM 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。

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

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。

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。

分布式卷(Distribute volume) 对文件进行存储

  • 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。

只能提高存储容量,不具有容错能力,存储效率并没有提高。

image.png

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Serverl 上,要么在Server2上,不能分块同时存放在Server1和 Server2上。

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。

创建分布式卷:

 #创建一个名为dis-volume的分布式卷,文件将根据HASH分布在serverl:/dir1、server2:/dir2 和 server3:/dir3中。
 gluster volume create dis-volume server1:/dir1 server2:/dir2 server3:/dir3

2.2 条带卷(Stripe volume)

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。

2条带卷.png

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。

创建条带卷:

 #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:/dir2
 ​
 #注意:分片数量需要是brick的倍数。
复制代码

2.3 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。

3复制卷.png

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。

创建复制卷:

 #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
 ​
 #replica 2 :复制数,一般要等于brick的数量。
 #transport tcp :通过tcp协议进行传输。
复制代码

2.4 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。brick数量需要是条带的倍数。

4分布式条带卷.png

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:

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
 ​
 #文件先分布存储,之后再分块存储。
复制代码
  • 如果brick数量和条带数一致,那就是普通的条带卷。
  • 如果brick数量是条带的2倍以上,就是分布式条带卷。

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。

2.5 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。

brick数量需要是复制卷的n倍。

文件先做分布式存储(hash散列),之后做镜像。

5分布式复制卷.png

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:

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
复制代码

2.6 条带复制卷(Stripe Replica volume)

类似 RAID 10,同时具有条带卷和复制卷的特点。

2.7 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。

部署 GlusterFS 群集

集群环境准备

Node1节点:node1/192.168.184.102		  磁盘: /dev/sdb1			挂载点: /data/sdb1
											/dev/sdc1					/data/sdc1
											/dev/sdd1					/data/sdd1
											/dev/sde1					/data/sde1

Node2节点:node2/192.168.184.103		  磁盘: /dev/sdb1			挂载点: /data/sdb1
											/dev/sdc1					/data/sdc1
											/dev/sdd1					/data/sdd1
											/dev/sde1					/data/sde1

Node3节点:node3/192.168.184.104		  磁盘: /dev/sdb1			挂载点: /data/sdb1
											/dev/sdc1					/data/sdc1
											/dev/sdd1					/data/sdd1
											/dev/sde1					/data/sde1

Node4节点:node4/192.168.184.105   	  磁盘: /dev/sdb1			挂载点: /data/sdb1
											/dev/sdc1					/data/sdc1
											/dev/sdd1					/data/sdd1
											/dev/sde1					/data/sde1

=====客户端节点:192.168.184.101=====


创建磁盘分区,并挂载

Node1节点:192.168.184.102
Node2节点:192.168.184.103
Node3节点:192.168.184.104
Node4节点:192.168.184.105
所有节点都要划分磁盘,这里使用node1作为示范,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
df -h


更改节点名称,配置hosts文件


所有节点都要配置,这里使用node1作为示范

hostname node1
su -

echo "192.168.184.102 node1" >> /etc/hosts
echo "192.168.184.103 node2" >> /etc/hosts
echo "192.168.184.104 node3" >> /etc/hosts
echo "192.168.184.105 node4" >> /etc/hosts
cat /etc/hosts


安装、启动GlusterFS服务


所有节点都要安装,这里使用node1作为示范

#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


添加节点并创建集群


Node1节点:192.168.184.102
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


创建五种卷

========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 2Brick 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 2Brick 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 4Brick 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 4Brick 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 

配置客户端

部署Gluster客户端(192.168.184.101)
(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 "192.168.184.102 node1" >> /etc/hosts
echo "192.168.184.103 node2" >> /etc/hosts
echo "192.168.184.104 node3" >> /etc/hosts
echo "192.168.184.105 node4" >> /etc/hosts
cat /etc/hosts


(3)创建挂载目录

mkdir -p /srs/{dis,stripe,rep,dis_stripe,dis_rep}
cd /srs
ls

(4)挂载 Gluster 文件系统

临时挂载
mount.glusterfs node1:dis-volume /srs/dis
mount.glusterfs node1:stripe-volume /srs/stripe
mount.glusterfs node1:rep-volume /srs/rep
mount.glusterfs node1:dis-stripe /srs/dis_stripe
mount.glusterfs node1:dis-rep /srs/dis_rep
df -h

企业中最好用永久挂载,以防重启或服务器宕机(这里不做演示)
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



测试

部署Gluster客户端(192.168.184.101        )
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* /srs/dis
cp demo* /srs/stripe/
cp demo* /srs/rep/
cp demo* /srs/dis_stripe/
cp demo* /srs/dis_rep/



查看

(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)


node1:

image.png

node2:

image.png

node3:

image.png

node4:

image.png

冗余测试

node2节点模拟故障

systemctl stop glusterd.service

客户端验证

(1)分布式卷
ls -lh /srs/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 /srs/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)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,
具有冗余
ls -lh /srs/rep/
结论:文件和数据都在,所以复制卷具有冗余

(4)分布式条带卷
ls -lh /srs/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

(5)分布式复制卷
ls -lh /srs/dis_rep/
结论:文件和数据都在,所以分布式复制卷具有冗余


其他相关维护命令

 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 192.168.41.46
 ​
 #仅允许
 gluster volume set dis-rep auth.allow 192.168.41.*   
 #设置192.168.41.0网段的所有IP地址都能访问dis-rep卷(分布式复制卷)