GFS 分布式文件系统

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。

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，具备较高的可靠性及存储效率。

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。

1.1 存储

（1）文件存储

nfs、lvm、raid

（2）对象存储

GFS、CEPH、FastDFS（分布式文件存储）、NAS、OSS（阿里云）、S3（AWS）

1.2 概述

GFS是一个分布式文件系统，只在扩展存储容器，提高性能并且通过多个互联网络的存储节点的进行冗余，以确保数据的可用性和一致性。

1.3 组成

（1）存储服务器

（2）客户端NFS/samba存储网关组成

（3）无元数据服务器:就是保存数据的地方

二、特点

2.1 扩展性和高性能（分布式特性）

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。

2.2 高可用性（冗余、容灾的能力）

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。

2.3 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。

2.4 弹性卷管理（raid0、raid1、raid5、raid10）

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。

2.5 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、专业术语

3.1 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 192.168.80.10:/data/mydir/。

3.2 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。

3.3 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。（伪文件系统）

3.4 VFS

内核空间对用户空间提供的访问磁盘的接口。（虚拟端口）

3.5 Glusterd（后台管理进程）

服务端在存储群集中的每个节点上都要运行。

四、工作原理

4.1 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。

4.2 弹性 HASH 算法

4.2.1 概念

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。

4.2.2 优点

（1）保证数据平均分布在每一个 Brick 中。

（2）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。

4.3.3 原理

将数据通过HASH 算法算出的值平均分配到每台节点服务器上，从而实现数据的高效和负载均衡。

五、卷的类型

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。

5.1 分布式卷（Distribute volume）

（相比条带卷，选择分布式卷）

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。

分布式卷特点：

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。

5.2 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。

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。

5.3 复制卷（Replica volume）

（生产20%，机器不足，只能提供两台）

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。

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。

5.4 分布式条带卷（Distribute Stripe volume）

（访问快）

BrickServer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)

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。

5.5 分布式复制卷（Distribute Replica volume）

（生产80%，最少需要4台）

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。

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)

5.6 条带复制卷（Stripe Replca volume）

类似RAID10，同时具有条带卷和复制卷的特点。

5.7 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。

六、GlusterFS群集(服务端)

6.1 设置主机名

192.168.133.10	node1
192.168.133.20	node2
192.168.133.30	node3
192.168.133.100	node4

hostnamectl set-hostname node{数字}     #如第一台机器命令：hostnamectl set-hostname node1

注意：向所有机器输入以下内容

6.2 关闭防火墙和核心防护

systemctl stop firewalld
setenforce 0

6.3 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

6.4 将gfsrepo 软件上传到/opt目录下并解压

6.5 编写脚本，并同步在四个节点上执行

vim glfs.sh

#!/bin/bash
function backuprepo {
cd /etc/yum.repos.d
mkdir repo.bak
mv *.repo repo.bak
#mount /dev/sr0 /mnt > /dev/null
}

makeglfsrepo(){
echo '[glfs]
name = glfs
baseurl=file:///opt/gfsrepo
enabled=1
gpgcheck=0' > glfs.repo
}

useglfsrepo(){
yum clean all > /dev/null
yum makecache > /dev/null

}
#install ( ) {
#yum y install glusterfs glusterfs-server glusterfs-fuse glusterfs-rdma
#systemctl start glusterd.service
#systemctl enable glusterd.service
#systemctl status glusterd.service
#----------main-----------------------
backuprepo
makeglfsrepo
useglfsrepo
#install

chmod +x glfs.sh
./glfs.sh

6.6 安装gfs依赖包

yum -y install glusterfs glusterfs-server glusterfs-fuse glusterfs-rdma

systemctl start glusterd.service 
systemctl enable glusterd.service
systemctl status glusterd.service

6.7 添加节点到存储信任池中（在 node1 节点上操作）

gluster peer probe node2
gluster peer probe node3
gluster peer probe node4

6.7.1 在每个Node节点上查看群集状态

gluster peer status

6.7.2 在每个Node节点上查看群集状态

6.8 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 fenbushi node1:/data/sdb1 node2:/data/sdb1 force	
 
#启动新建分布式卷
gluster volume start fenbushi
 
#查看创建分布式卷信息
gluster volume info fenbushi

6.9 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 tiaodai stripe 2 node1:/data/sdc1 node2:/data/sdc1 force
gluster volume start tiaodai
gluster volume info tiaodai

6.10 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 fuzhi replica 2 node3:/data/sdb1 node4:/data/sdb1 force
gluster volume start fuzhi
gluster volume info fuzhi

6.11 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 fbs-td stripe 2 node1:/data/sdd1 node2:/data/sdd1 node3:/data/sdd1 node4:/data/sdd1 force
gluster volume start fbs-td
gluster volume info fbs-td

6.12 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 fbs-fz replica 2 node1:/data/sde1 node2:/data/sde1 node3:/data/sde1 node4:/data/sde1 force
gluster volume start fbs-fz
gluster volume info fbs-fz

6.13 查看当前所有卷的列表

gluster volume list

七、部署GlusterFS群集(客户端)

7.1 安装客户端软件

scp glfs.sh gfsrepo.zip 192.168.133.101:/opt

cd /opt/
unzip gfsrepo.zip

./glfs.sh 
yum install -y glusterfs glusterfs-fuse

7.2 创建挂载目录

mkdir -p /test/{fenbushi,tiaodai,fbs-td,fuzhi,fbs-fz}

7.3 配置 /etc/hosts 文件

echo "192.168.133.10 node1" >> /etc/hosts
echo "192.168.133.20 node2" >> /etc/hosts
echo "192.168.133.30 node3" >> /etc/hosts
echo "192.168.133.100 node4" >> /etc/hosts

7.4 临时挂载Gluster文件系统（依次挂载完五个）

mount.glusterfs node1:fenbushi /test/fenbushi/
mount.glusterfs node1:tiaodai /test/tiaodai/
mount.glusterfs node1:fuzhi /test/fuzhi/
mount.glusterfs node1:fbs-td /test/fbs-td/
mount.glusterfs node1:fbs-fz /test/fbs-fz/

八、测试Gluster文件系统

8.1 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

cp /opt/demo* /test/fenbushi/
cp /opt/demo* /test/tiaodai/
cp /opt/demo* /test/fuzhi/
cp /opt/demo* /test/fbs-td/
cp /opt/demo* /test/fbs-fz/

8.2 查看文件分布，node节点上操作

8.2.1 查看分布式文件分布

[root@node1 ~]# ls -lh /data/sdb1					#数据没有被分片
[root@node2 ~]# ls -lh /data/sdb1

8.2.2 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
[root@node2 ~]# ls -lh /data/sdc1			#数据被分片50% 没副本 没冗余

8.2.3 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 
[root@node4 ~]# ll -h /data/sdb1			#数据没有被分片 有副本 有冗余

8.2.4 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
[root@node2 ~]# ll -h /data/sdd1
[root@node3 ~]# ll -h /data/sdd1
[root@node4 ~]# ll -h /data/sdd1

8.2.5 查看分布式复制卷分布

[root@node1 ~]# ll -h /data/sde1        #数据没有被分片 有副本 有冗余
[root@node2 ~]# ll -h /data/sde1
[root@node3 ~]# ll -h /data/sde1
[root@node4 ~]# ll -h /data/sde1