fastdfs原理及过程

1.介绍

FastDFS是一个开源的轻量级分布式文件系统，由跟踪服务器（tracker server）、存储服务器（Storage server）、客户端（client）三部分组成，主要解决海量数据存储问题，特别适合中小文件（4kb~500mb）为载体的在线服务。

1.1Storage server

Storage server（后简称storage）以组（卷，group或volume）为单位组织，一个group内包含多台storage机器，数据互为备份，存储空间以group内容量最小的storage为准，所以建议group内的多个storage尽量配置相同，以免造成存储空间的浪费。

• 以group为单位组织存储的优点：能方便的进行应用隔离，负载均衡，副本数定制（group内storage server数量即为改group副本数量），比如将不同应用数据存到不同group就能隔离应用数据，同时还可根据应用的访问特性来将应用分配到不同的group来做负载均衡，
• 缺点：group的容量受单机存储容量的限制，同时当group内有机器坏掉时，数据恢复只能依赖group内其他机器，使得恢复时间会很长。

group内每个storage的存储依赖于本地文件系统，storage可配置多个数据存储目录，比如有10个磁盘，disk1~disk10，则可将这10个目录都配置为storage的数据存储目录。

storage接受到写文件请求时，会根据配置好的规则（后面介绍），选择其中一个存储目录来存储文件。为了避免单个目录下文件数太多，在storage第一次启动时，会在每个数据存储目录里创建2级目录，每级256个，共65536个文件目录，新写的文件会以hash的方式被路由到其中某个目录下，然后将文件数据直接作为一个本地文件存储到改目录中。

1.2Tracker server

Tracker是FasdDFS的协调者，负责管理所有的storage server和group，每个storage在启动后会连接tracker，告知自己所属的group信息，并保持周期性的心跳，tracker根据心跳信息，建立group==>[storage server list]的映射表。

Tracker需要管理的元信息很少，会全部存储在内存中，另外tracker上的元信息都是storage汇报的信息生成的，本身不需要持久化任何数据，这样使得tracker非常容易扩展，直接增加tracker机器即可扩展为tracker cluster来服务，cluster里每个tracker之间是完全对等的，所有的tracker都接受storage的心跳信息，生成元数据信息来提供读写服务。

1.3Upload file

FastDFS向使用者提供基本文件接口访问，比如upload，download，append，delete等，以客户端库的方式提供给用户使用。

选择tracker

当集群中不止一个tracker server时，由于tracker之间是完全对等的关系，客户端在选择upload时可以任意选择一个tracker

选择存储的group

当tracker接受到upload file的请求时，会为该文件分配一个可以存储该文件的group，支持如下选择group的U规则：1.Round robin，所有的group之间轮询；2.Specified group，指定一个确定的group；3.Load balance，剩余存储空间多个group优点。

选择storage server

当选定group时，tracker会在group内选择一个storage server给客户端，支持如下的规则：1.Round robin，在group内的所有的storage间轮询；2.First server ordered by ip，按ip排序；3.First ordered by priority，按优先级排序（优先级在storage上配置）

选择storage path

当分配好storage server后，客户端将向storage发送写文件请求，storage将会为文件分配一个数据存储目录，支持如下规则： 1. Round robin，多个存储目录间轮询 2. 剩余存储空间最多的优先

生成Fileid

选定存储目录之后，storage会为文件生一个Fileid，由storage server ip、文件创建时间、文件大小、文件crc32和一个随机数拼接而成，然后将这个二进制串进行base64编码，转换为可打印的字符串。

选择两级目录

当选定存储目录之后，storage会为文件分配一个fileid，每个存储目录下有两级256*256的子目录，storage会按文件fileid进行两次hash（猜测），路由到其中一个子目录，然后将文件以fileid为文件名存储到该子目录下。

生成文件名

当文件存储到某个子目录后，即认为该文件存储成功，接下来会为该文件生成一个文件名，文件名由group、存储目录、两级子目录、fileid、文件后缀名（由客户端指定，主要用于区分文件类型）拼接而成。

1.4文件同步

写文件时，客户端将文件写至group内一个storage server即认为文件上传成功，storage server写完文件后，会由后台线程将文件同步至group内其他storage server。

每个storage写文件后，同时会写一份binlog，binlog里不包含文件数据，只包含文件名等元信息，这份binlog用于后台同步，storage会记录向group内其他storage同步的进度，以便重启后能接上次的进度继续同步，进度以时间戳的方式进行记录，所以最好能保证集群内所有server的时钟保持同步。

storage的同步进度会作为元数据的一部分汇报到tracker上，tracker在选择读storage的时候会以同步进度进行参考。

比如一个group内有A、B、C三个storage server，A向C同步到进度为T1 (T1以前写的文件都已经同步到B上了），B向C同步到时间戳为T2（T2 > T1)，tracker接收到这些同步进度信息时，就会进行整理，将最小的那个做为C的同步时间戳，本例中T1即为C的同步时间戳为T1（即所有T1以前写的数据都已经同步到C上了）；同理，根据上述规则，tracker会为A、B生成一个同步时间戳。

1.5Download file

客户端upload file成功后，会拿到一个storage生成的文件名，接下来客户端根据这个文件名即可访问到该文件。

跟upload file一样，在download file时客户端可以任意选择一个tracker server。

发送download给某一个tracker时，必须带上文件名信息，tracker从文件名中解析出文件的group、大小、创建时间等信息，然后为该请求选择一个storage用来服务读请求。由于group内的文件同步是在后台异步进行的，所以可能出现在读的时候，文件还没同步到某些storage上，为了尽量避免访问到这样的storage，tracker按照如下规则选择group内可读的storage。

1. 该文件上传到的源头storage - 源头storage只要存活着，肯定包含这个文件，源头的地址被编码在文件名中。 2. 文件创建时间戳==storage被同步到的时间戳 且(当前时间-文件创建时间戳) > 文件同步最大时间（如5分钟) - 文件创建后，认为经过最大同步时间后，肯定已经同步到其他storage了。 3. 文件创建时间戳 < storage被同步到的时间戳。 - 同步时间戳之前的文件确定已经同步了 4. (当前时间-文件创建时间戳) > 同步延迟阀值（如一天）。 - 经过同步延迟阈值时间，认为文件肯定已经同步了。

1.6小文件合并存储

将小文件合并存储主要解决这几个问题：

1. 本地文件系统inode数量有限，从而存储的小文件数量也就受限制
2. 多级目录+目录里很多文件，导致访问文件的开销很大（可能导致很多次IO）
3. 按小文件存储，备份和恢复效率很低

FastDFS在V3.0版本里引入小文件合并存储机制，可将多个小文件存储到一个大文件（trunk file），为了支持这个机制，FastDFs生成的文件fileId需要额外增加16个字节：

1.trunk file id

2.文件在trunk file 内部的offset

3.文件占用的存储空间大小（字节对齐及删除空间复用，文件占用存储空间>=文件大小）

每个trunk file由一个id唯一标识，trunk file由group内的trunk server负责创建（trunk server是trunk选出来的），并同步到group内其他的storage server，文件合并存储到trunk file后，根据其offset就能从trunk file读取到文件。

文件在trunk file内的offset编码到文件名，决定了其在trunk file内的位置是不能更改的，也就不能通过compact的方式回收trunk file内删除文件的空间。但当trunk file内有文件删除时，其删除的空间是可以被复用的，比如一个100KB的文件被删除，接下来存储一个99KB的文件就可以直接复用这片删除的存储空间

1.7HTTP访问支持

FastDFS的tracker和storage都内置了http协议的支持，客户端可以通过http协议来下载文件，tracker在接收到请求时，通过http的redirect机制将请求重定向至文件所在的storage上；除了内置的http协议外，FastDFS还提供了通过apache或nginx扩展模块下载文件的支持。

文件下载过程

文件上传过程