GFS架构

1.GFS是什么

全称是Google File System，Google早期研发的分布式文件系统。
画外音：与分布式文件系统对应的，是单机文件系统，Windows和Linux操作系统都有文件系统。

GFS的设计目标是什么

主要有四个目标：
(1) 高可用（availability）：是指7*24提供服务，任何一台机器挂了或者磁盘坏了，服务不终止，文件不丢失；
(2) 高可靠（reliability）：是指正确的输入，得到正确的输出，读取a文件，不会得到b文件；
(3) 高性能（performance）：是指吞吐量很牛逼，每秒响应几十万请求；
(4) 可扩展（scalability）：是指加机器，就能提升性能，就能存更多文件。

GFS对外提供什么接口

文件创建，删除，打开，关闭，读，写，快照。
解释如下：
除了快照，接口和单机文件系统差不多。
快照其实是快速文件目录树的拷贝，并不是所有文件的快照。
GFS能够成为分布式架构的经典案例，原因之一，就是接口简单，但反映的架构理念不简单。

GFS的系统架构如何

系统里只有文件客户端，主服务器，存储服务器三个角色。

(1) 客户端（GFS client），是以库的形式提供的，提供的就是对外要用的接口；
(2) 主服务器（GFS master），是单点，存储文件信息，目录信息，文件服务器信息，那个文件存在哪些文件服务器上等元数据；
(3) 存储服务器（GFS chunk-server），是集群，存储文件；
为什么要设计单点master？
单点master意味着有一个节点可以避免分布式锁，可以拥有全局视野，能够统一调度与监控，系统整体复杂度降低很多。简单来说，锁可以降级成本地锁，分布式调度可以降级为单点调度。
详细描述：
(1) master拥有所有文件目录结构，要操作某个文件，必须获得相应的锁；
画外音：一般情况下，不会对同一个网页进行并发写操作，应用场景决定锁冲突其实不大；
(2) master拥有全局视野，能够避免死锁；
(3) master知道chunk-server的信息，能够很容易的做chunk-server监控，负载均衡；
(4) master知道所有文件的副本分布信息，能够很容易的做文件大小的负载均衡；
画外音：负载均衡分为请求量的均衡，文件存储的容量均衡。

GFS的高可用是怎么保证

多个chunk-server可以通过线性扩展提升处理能力和存储空间，GFS的潜在瓶颈是单点master，所以GFS要想达到超高性能，主要架构优化思路在于，“提升master性能，减少与master交互”。

(1) 只存储元数据，不存储文件数据，不让磁盘容量成为master瓶颈；
(2) 元数据会存储在磁盘和内存里，不让磁盘IO成为master瓶颈；
(3) 元数据大小内存完全能装得下，不让内存容量成为master瓶颈；
(4) 所有数据流，数据缓存，都不走master，不让带宽成为master瓶颈；
(5) 元数据可以缓存在客户端，每次从客户端本地缓存访问元数据，只有元数据不准确的时候，才会访问master，不让CPU成为成为master瓶颈；
当然，chunk-server虽然有多个，也会通过一些手段提升chunk-server的性能，例如：
(1) 文件块使用64M，避免太多碎片降低性能；
(2) 使用追加写，而不是随机写，提升性能；
(3) 使用TCP长连接，提升性能。

GFS如何保证系统可靠性

保证元数据与文件数据的可靠性，GFS使用了很多非常经典的手段。
(1) 元数据的变更，会先写日志，以确保不会丢失，即日志也会冗余，具备高可用。
(2) master会轮询探测chunk-server的存活性，保证有chunk-server失效时，chunk-server的状态是准确的，即文件会存多份，短时间内chunk-server挂掉是不影响的。
(3) 元数据的修改是原子的，由master控制，master必须保证元数据修改的顺序性；
(4) 文件的正确性，通过checksum保证；
(5) 监控，快速发现问题；

总结
GFS的架构，体现了很多经典的设计实践：

• 简化系统角色，单点master降低系统复杂度
• 不管是文件还是服务，均通过“冗余+故障自动转移”保证高可用
• 由于存在单点master，GFS将“降低与单点master的交互”作为性能优化核心
• 通过写日志，原子修改，checksum，快速监控快速恢复等方式保证可靠性与完整性
• 通过串行化保证多个副本数据的一致性
• 控制流与数据流分离，提高性能