GFS文件存储系统

什么都学
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一、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，通过扩展能够支持数PB存储存储容量和处理数千客户端

ClusterFS同时也是Scale-Out(横向扩展) 存储解决方案

Gluster的内核，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PB存储容量和处理数千客户端

GlusterFS支持借助TCP/IP称InfiniBandRDMA（一种支持多并发链接的技术，具有高带宽、低延时、高扩展的特点）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、ClusterFS简介

  • 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了存储节点地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 InfinBand等高速网络互联

(2)Gluster弹性哈希(ElasticHash)解决了GlusterFS对元数据服务器地依赖，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，从而确保数据总数可以访问，甚至是在硬件故障地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。

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。

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 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。

四、模块化堆栈式架构

GlusterFS 采用模块化、堆栈式地架构

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 RAIDI，Stripe 模块可实现

RAIDO，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

五、GlusterFS的工作流程

1.客户端或应用程序通过 GlusterFS 地挂载点访问数据

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FlusterFS 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。

image.png

六、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 值对应的32 位整数空间定位数据所在的 Brick

6.1、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

七、GFS存储卷类型

7.1 分布式卷(对文件进行存储)

  • 文件分布在不同的服务器，不具备冗余性
  • 更容易和廉价的扩展 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
gluster volume create dis-volume server1:/dir1 server2:/dir2 server3"/dir3
把文件为单位通过hash散列在各个brick中，不具备冗余能力

7.2条带卷

  • 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
gluster volume create stripe-volume scripe 2 transport tcp server1:/dir1 server2:/dir2
把文件数据进行分块，轮询的分布在各个brick中，不具备冗余能力

7.3复制卷

  • 卷中所有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最多服务器
  • 具备冗余性
gluster colume create rep-volume replica 2 transport tcp server1:/dir1 server2:/dir2
把文件在各个brick中做镜像存储，具有冗余能力

7.4分布式条带卷

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。

 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。
 不具备冗余能力，至少需要4台服务器，服务器数量 >= 条带数的2倍

7.5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。
​
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。

 gluster volume create dis-rep replica 2 transport tcp server1:/dir1 server2:/dir2 server3:/dir3 server4:/dir4

7.6条带复制卷

类似 RAID 10，同时具有条带卷和复制卷的特点。

7.7 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。

八、Gluster集群部署

Node1节点：node1/192.168.100.10		  磁盘：/dev/sdb1			挂载点：/data/sdb1
											/dev/sdc1					/data/sdc1
											/dev/sdd1					/data/sdd1
											/dev/sde1					/data/sde1

Node2节点：node2/192.168.100.20		  磁盘：/dev/sdb1			挂载点：/data/sdb1
											/dev/sdc1					/data/sdc1
											/dev/sdd1					/data/sdd1
											/dev/sde1					/data/sde1

Node3节点：node3/192.168.100.30		  磁盘：/dev/sdb1			挂载点：/data/sdb1
											/dev/sdc1					/data/sdc1
											/dev/sdd1					/data/sdd1
											/dev/sde1					/data/sde1

Node4节点：node4/192.168.100.40		  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：192.168.100.50

8.1 所有node节点

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
su

echo "192.168.100.10 node1" >> /etc/hosts
echo "192.168.100.20 node2" >> /etc/hosts
echo "192.168.100.30 node3" >> /etc/hosts
echo "192.168.100.40 node4" >> /etc/hosts


----- 安装、启动GlusterFS（所有node节点上操作） -----
#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/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

image.png

image.png

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image.png

image.png

image.png

image.png

8.2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
gluster 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


----- 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
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
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
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
gluster volume create dis-rep replica 2 node1:/data/sde1 node2:/data/sde1 node3:/data/sde1 node4:/data/sde1 force
gluster volume start dis-rep
gluster volume info dis-rep	

#查看当前所有卷的列表
gluster volume list

image.png

8.3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 "192.168.100.10 node1" >> /etc/hosts
echo "192.168.100.20 node2" >> /etc/hosts
echo "192.168.100.30 node3" >> /etc/hosts
echo "192.168.100.40 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

8.4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.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 /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/

2．查看文件分布
#查看分布式文件分布
[root@node1 ~]# ls -lh /data/sdb1					#数据没有被分片
总用量 160M
-rw-r--r-- 2 root root 40M 12月 18 14:50 demo1.log
-rw-r--r-- 2 root root 40M 12月 18 14:50 demo2.log
-rw-r--r-- 2 root root 40M 12月 18 14:50 demo3.log
-rw-r--r-- 2 root root 40M 12月 18 14:50 demo4.log
[root@node2 ~]# ll -h /data/sdb1
总用量 40M
-rw-r--r-- 2 root root 40M 12月 18 14:50 demo5.log

#查看条带卷文件分布
[root@node1 ~]# ls -lh /data/sdc1					#数据被分片50% 没副本 没冗余
总用量 101M
-rw-r--r-- 2 root root 20M 12月 18 14:51 demo1.log
-rw-r--r-- 2 root root 20M 12月 18 14:51 demo2.log
-rw-r--r-- 2 root root 20M 12月 18 14:51 demo3.log
-rw-r--r-- 2 root root 20M 12月 18 14:51 demo4.log
-rw-r--r-- 2 root root 20M 12月 18 14:51 demo5.log

[root@node2 ~]# ll -h /data/sdc1					#数据被分片50% 没副本 没冗余
总用量 101M
-rw-r--r-- 2 root root 20M 12月 18 14:51 demo1.log
-rw-r--r-- 2 root root 20M 12月 18 14:51 demo2.log
-rw-r--r-- 2 root root 20M 12月 18 14:51 demo3.log
-rw-r--r-- 2 root root 20M 12月 18 14:51 demo4.log
-rw-r--r-- 2 root root 20M 12月 18 14:51 demo5.log

#查看复制卷分布
[root@node3 ~]# ll -h /data/sdb1					#数据没有被分片 有副本 有冗余     
总用量 201M
-rw-r--r-- 2 root root 40M 12月 18 14:51 demo1.log
-rw-r--r-- 2 root root 40M 12月 18 14:51 demo2.log
-rw-r--r-- 2 root root 40M 12月 18 14:51 demo3.log
-rw-r--r-- 2 root root 40M 12月 18 14:51 demo4.log
-rw-r--r-- 2 root root 40M 12月 18 14:51 demo5.log

[root@node4 ~]# ll -h /data/sdb1					#数据没有被分片 有副本 有冗余
总用量 201M
-rw-r--r-- 2 root root 40M 12月 18 14:51 demo1.log
-rw-r--r-- 2 root root 40M 12月 18 14:51 demo2.log
-rw-r--r-- 2 root root 40M 12月 18 14:51 demo3.log
-rw-r--r-- 2 root root 40M 12月 18 14:51 demo4.log
-rw-r--r-- 2 root root 40M 12月 18 14:51 demo5.log

#查看分布式条带卷分布
[root@node1 ~]# ll -h /data/sdd1					#数据被分片50% 没副本 没冗余
总用量 81M
-rw-r--r-- 2 root root 20M 12月 18 14:51 demo1.log
-rw-r--r-- 2 root root 20M 12月 18 14:51 demo2.log
-rw-r--r-- 2 root root 20M 12月 18 14:51 demo3.log
-rw-r--r-- 2 root root 20M 12月 18 14:51 demo4.log

[root@node2 ~]# ll -h /data/sdd1
总用量 81M
-rw-r--r-- 2 root root 20M 12月 18 14:51 demo1.log
-rw-r--r-- 2 root root 20M 12月 18 14:51 demo2.log
-rw-r--r-- 2 root root 20M 12月 18 14:51 demo3.log
-rw-r--r-- 2 root root 20M 12月 18 14:51 demo4.log

[root@node3 ~]# ll -h /data/sdd1
总用量 21M
-rw-r--r-- 2 root root 20M 12月 18 14:51 demo5.log

[root@node4 ~]# ll -h /data/sdd1
总用量 21M
-rw-r--r-- 2 root root 20M 12月 18 14:51 demo5.log

#查看分布式复制卷分布								#数据没有被分片 有副本 有冗余
[root@node1 ~]# ll -h /data/sde1
总用量 161M
-rw-r--r-- 2 root root 40M 12月 18 14:52 demo1.log
-rw-r--r-- 2 root root 40M 12月 18 14:52 demo2.log
-rw-r--r-- 2 root root 40M 12月 18 14:52 demo3.log
-rw-r--r-- 2 root root 40M 12月 18 14:52 demo4.log

[root@node2 ~]# ll -h /data/sde1
总用量 161M
-rw-r--r-- 2 root root 40M 12月 18 14:52 demo1.log
-rw-r--r-- 2 root root 40M 12月 18 14:52 demo2.log
-rw-r--r-- 2 root root 40M 12月 18 14:52 demo3.log
-rw-r--r-- 2 root root 40M 12月 18 14:52 demo4.log

[root@node3 ~]# ll -h /data/sde1
总用量 41M
-rw-r--r-- 2 root root 40M 12月 18 14:52 demo5.log
[root@node3 ~]# 

[root@node4 ~]# ll -h /data/sde1
总用量 41M
-rw-r--r-- 2 root root 40M 12月 18 14:52 demo5.log
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