GFS分布式文件系统

目录

一、GlusterFS简介

1、文件系统组成

2、文件系统的作用

3、专业术语

4、模块化堆栈式架构

二、GFS特点

三、GFS工作原理

服务器详解

四、GFS卷类型

分布式卷（Distribute volume）

条带卷 （Stripe volume）

复制卷（Replica volume）

分布式条带卷（Distribute Stripe volume）

分布式复制卷（Distribute Replica volume）

条带复制卷（Stripe Replica volume）和分布式条带复制卷（Distribute Stripe Replicavolume）

五、GFS数据流向

六、相关维护命令

七、gluster命令

八、部署GFS集群

2、部署客户端

3、正常测试

4、破坏性测试

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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

1、文件系统组成

FS（文件系统）的作用:从系统角度来看，文件系统是对文件存储设备的空间进行组织和分配，负责文件存储并对存入的文件进行保护和检索的系统。
具体地说，它负责为用户建立文件，存入、读出、修改、转储文件，控制文件的存取
文件系统组成：
1)文件系统接口
2)对对像管理的软件集合
3)对象及属性

2、文件系统的作用

• 从系统角度来看，文件系统是对文件存储设备的空间进行组织和备份
• 负责文件存储并对存入的文件进行保护和检索的系统
• 具体地说，它负责为用户建立文件、存入、读出、修改、转储文件、控制文件的存储

3、专业术语

• Brick（块存储服务器）实际存储用户数据的服务器
• Volume本地文件系统的"分区"
• 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

4、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
• 通过两者的组合可实现RAID10和RAID01，同时获得更高的性及可靠的RAID0
• 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

二、GFS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、GFS工作原理

• 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 虚拟接口收到请求并处理；
• ③ VFS 将数据递交给 FUSE 内核文件系统，这是一个伪文件系统，这个伪文件系统主要用来转存，它提供一个虚拟接口，映射出来/dev/fuse这样一个虚拟路径，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 会实时监听/dev/fuse下的数据，一旦数据更新，会把数据拿过来，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，server会先转存到本地的vfs虚拟文件系统中**，然后再通过vfs转存到EXT3上。EXT3指的是各个block块中的EXT3文件系统中。
   

 

例如
1、外来一个请求，例：用户端申请创建一个文件，客户端或应用程序通过GFS的挂载点访问数据
2、linux系统内容通过VFSAPI收到请求并处理
3、VFS将数据递交给FUSE内核文件系统，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
4、GlusterFS client端收到数据后，会根据配置文件的配置对数据进行处理
5、再通过网络，将数据发送给远端的ClusterFS server，并将数据写入到服务器储存设备上
6、server再将数据转交给VFS伪文件系统，再由VFS进行转存处理，最后交给EXT3

• GFS-server 端功能模块的划分：
  ① 卷的类型（使用分布式、复制、条带)
  ② 存储管理(卷的创建、启用、关闭)
  ③ I/O调用(存储后，读取数据，如何读取)
  ④ 与GFS-client 端对接

• GFS-client 端
  ① 用户通过用户态模式下，存储数据(写入数据)
  ② 写入的数据，使用GFS挂载的形式完成（网络挂载samba/NFS)
  ③数据的写入会由GFS-client转存到GFS-server端(对应的卷中)

• 网络通讯
  ① Infinlband ——— IB
  ② RDMA——— 面向连接传输协议—— 数据完整性(丢包率低)
  ③ TCP/IP
  ④ RDMA———》以后的服务中可以做为跨节点共享内存资源的协议

服务器详解

• Application：客户端或应用程序通过GlusterFSync的挂载点访问数据
• VFS：linux系统内核通过VFS的API 收到请求并处理
• FUSE：VFS将数据递交给FUSE内核文件系统，fuse文件系统则是将数据通过/dev/fuse设备文件递交给了GlusterFS
• GlusterFS Client ：通过网络将数据传递至远端的GlusterFS Server， 并且写入到服务器存储设备上
   

四、GFS卷类型

分布式卷（Distribute volume）

        简单来说，就是如果有10个文件，如果不用分布式卷，这是个文件会放在一台服务器上，对于分布式而言，这是个文件是会分布在不同的服务器节点上进行保存。

①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以来低层的数据保护

②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

创建命令

gluster volume create dis-volume server1:/dir1 server2:/dir2

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

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

复制卷（Replica volume）

        将文件同步到多个 Brick 上，比如说我有五个文件，这5个文件是一个整体，放在服务器A上，复制卷会帮我们复制一份复制在服务器B上。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

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

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

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

分布式复制卷（Distribute Replica volume）

        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

①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

②创建分布式复制卷

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

条带复制卷（Stripe Replica volume）和分布式条带复制卷（Distribute Stripe Replicavolume）

条带复制卷（Stripe Replica volume）类似 RAID 1 0，同时具有条带卷和复制卷的特点。
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

五、GFS数据流向

①mysql服务器——>存储数据到挂载目录中/data

②mysql数据会优先交给内核的文件系统处理——>GFS客户端处理（本地）

③GFS客户端会和GFS服务端进行交互，GFS服务端接收到数据，然后再通过挂载的卷的类型，对应保存在后端block块节点服务器上

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
器——>存储数据到挂载目录中/data

②mysql数据会优先交给内核的文件系统处理——>GFS客户端处理（本地）

③GFS客户端会和GFS服务端进行交互，GFS服务端接收到数据，然后再通过挂载的卷的类型，对应保存在后端block块节点服务器上

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
 

六、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.allow 192.168.184.100

#仅允许
gluster volume set dis-rep auth.allow 192.168.184.*	  
#设置192.168.184.0网段的所有IP地址都能访问dis-rep卷（分布式复制卷）

七、gluster命令

gluster [参数]

常用参数	                说明
peer probe 节点         添加节点
peer detach 节点	    删除节点
peer status 节点	    节点状态
volume start 卷名	    启动卷
volume stop 卷名	    停止卷
volume delete 卷名	    删除卷
volume list	            列出卷
volume info	            查看卷信息
volume status        	查看卷状态

八、部署GFS集群

 1、部署节点集群

#关闭防火墙
systemctl stop firewalld
setenforce 0

#磁盘分区，并进行挂载
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
##

cd /opt
chmod +x fdisk.sh
./fdisk.sh

#配置各个节点的/etc/hosts文件（所有节点操作）
echo "192.168.184.50 node1" >> /etc/hosts
echo "192.168.184.60 node2" >> /etc/hosts
echo "192.168.184.70 node3" >> /etc/hosts
echo "192.168.184.80 node4" >> /etc/hosts

------------#安装、启动GFS（所有节点操作）------------
#讲gfsrepo软件上传到/opt目录下
unzip gfsrepo.zip
cd /etc/yum.repos.d/
mkdir repo.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DNS，进行时间同步
echo "nameserver 114.114.114.114" >> /etc/resolv.conf
ntpdate ntp1.aliyun.com

#添加节点到存储信任池中（在任意一个node中操作）
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

========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)

#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
gluster volume list
gluster volume start dis-volume
gluster volume info dis-volume

#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

#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

#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
gluster volume start dis-stripe
gluster volume info dis-stripe

#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
gluster volume start dis-rep
gluster volume info dis-rep 

2、部署客户端

cd /opt
unzip gfsrepo.zip 

cd /etc/yum.repos.d/
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

mkdir -p /test/{dis,stripe,rep,dis_stripe,dis_rep}

echo "192.168.184.50 node1" >> /etc/hosts
echo "192.168.184.60 node2" >> /etc/hosts
echo "192.168.184.70 node3" >> /etc/hosts
echo "192.168.184.80 node4" >> /etc/hosts

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

3、正常测试

#客户端写入数据
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/

#查看文件分布
1、查看分布式文件分布
node1：ll -h /data/sdb1
node2：ll -h /data/sdb1
2、查看条带卷文件分布
node1：ll -h /data/sdc1
node2：ll -h /data/sdc1
3、查看复制卷文件分布
node3：ll -h /data/sdb1
node4：ll -h /data/sdb1
4、查看分布式条带卷分布
node1：ll -h /data/sdd1
node2：ll -h /data/sdd1
node3：ll -h /data/sdd1
node4：ll -h /data/sdd1
5、查看分布式复制卷分布
node1：ll -h /data/sde1
node2：ll -h /data/sde1
node3：ll -h /data/sde1
node4：ll -h /data/sde1

4、破坏性测试

node2和node4的服务器进行挂机来模拟故障，然后在客户端上查看其他服务器的文件是否正常
①、分布式卷数据（可查看，但缺少node2的demo5.log）
②、条带卷（不可查看，不具备冗余）

③、复制卷（可查看 ，有冗余）

④、分布式条带卷（不可查看，不具备冗余）

⑤、分布式复制卷（可查看 ，有冗余）
 

总结
工作原理
【1】外来请求通过挂载点时，linux 系统内核通过VFS接口，把请求发送到FUSE
【2】FUSE将数据交给内存的/dev/fuse，然后递交到GFS客户端
【3】GFS客户端对数据进行处理，并通过网络协议（如TCP、IB等），传输到GFS服务端
【4】GFS服务端接收到数据后，通过VFS接口，对数据进行相应的转存处理
 

GFS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