GFS分布式文件系统

一、GFS文件系统概述

1．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，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。

2．GlusterFS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（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。

3．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 192.168.80.10:/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。
伪文件系统

●VFS：
内核空间对用户空间提供的访问磁盘的接口。虚拟端口

●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。

5．GlusterFS 的工作流程
（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。

6．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。

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。

7. GFS卷类型

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。（主要用到前五种）

7.1 分布式卷（Distribute volume）：
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。

示例原理：
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。

分布式卷具有如下特点：
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。

创建一个名为dis-volume的分布式卷，文件将根据HASH分布在server1:/dir1、server2:/dir2和server3:/dir3中
gluster volume create dis-volume server1:/dir1 server2:/dir2 server3:/dir3

7.2 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。

示例原理：
File 被分割为 6 段，1、3、5 放在 Server1，2、4、6 放在 Server2。

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中
gluster volume create stripe-volume stripe 2 transport tcp server1:/dir1 server2:/dir2

7.3 复制卷（Replica volume）：
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。

示例原理：
File1 同时存在 Server1 和 Server2，File2 也是如此，相当于 Server2 中的文件是 Server1 中文件的副本。

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。

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

7.4 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。

示例原理：
File1 和 File2 通过分布式卷的功能分别定位到Server1和 Server2。在 Server1 中，File1 被分割成 4 段，其中 1、3 在 Server1 中的 exp1 目录中，2、4 在 Server1 中的 exp2 目录中。在 Server2 中，File2 也被分割成 4 段，其中 1、3 在 Server2 中的 exp3 目录中，2、4 在 Server2 中的 exp4 目录中。

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

7.5 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。

示例原理：
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。

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

二、部署GFS集群

1. 实验环境

节点	主机名	主机地址	磁盘	挂载点
node1	node1	192.168.50.150	/dev/sdb1-/sdb1sde1	/data/sdb1-/data/sde1
node2	node2	192.168.50.160	/dev/sdb1-/sdb1sde1	/data/sdb1-/data/sde1
node3	node3	192.168.50.170	/dev/sdb1-/sdb1sde1	/data/sdb1-/data/sde1
node4	node4	192.168.50.180	/dev/sdb1-/sdb1sde1	/data/sdb1-/data/sde1
客户端	pc1	192.168.50.200

2. 磁盘配置

 1 所有机器执行：
 2 systemctl stop firewalld 
 3 setenforce 0 
 4 #关闭防火墙和selinux
 5 node1-node4执行
 6 vim /etc/fdisk.sh
 7 #编写脚本分区格式化挂载4个磁盘，内容如下
 8 #!/bin/bash
 9 NEWDEV=`ls /dev/sd* | grep -o 'sd[b-z]' | uniq`
10 #定义变量调用命令执行结果，命令意思为显示/dev下的所有sd开头的文件过滤sdb-sdz去重显示
11 for VAR in $NEWDEV
12 #for循环如果VAR在变量NEWDEV里面则执行
13 do
14    echo -e "n\np\n\n\n\nw\n" | fdisk /dev/$VAR &> /dev/null
15 #自动分区，输入回车然然后n添加硬盘p选择主分区然后回车w到保存回车传给分区命令，过程传给垃圾桶不显示
16    mkfs.xfs /dev/${VAR}"1" &> /dev/null
17 #格式化新建的分区
18    mkdir -p /data/${VAR}"1" &> /dev/null
19 #在/data/下创建以变量var1命名的文件夹，过程传给垃圾桶不显示
20    echo "/dev/${VAR}"1" /data/${VAR}"1" xfs defaults 0 0" >> /etc/fstab
21 #挂载磁盘写入/etc/fstab中
22 done
23 mount -a &> /dev/null
24 #循环执行完毕检查加载/etc/fstab文件
25 chmod +x /opt/fdisk.sh
26 #给脚本添加执行权限
27 /opt/fdisk.sh
28 #绝对路径执行脚本

3. 修改主机名

1 #根据规定的实验环境修改主机名，配置/etc/hosts文件
2 #以Node1节点为例：
3 hostnamectl set-hostname node1
4 echo "192.168.50.150 node1" >> /etc/hosts
5 echo "192.168.50.160 node2" >> /etc/hosts
6 echo "192.168.50.170 node3" >> /etc/hosts
7 echo "192.168.50.180 node4" >> /etc/hosts

4. 安装启动GFS

 1 node1-node4执行：
 2 #将gfsrepo 软件上传到/opt目录下解压，本博客资源中有gfsrepo.zip包
 3 cd /etc/yum.repos.d/
 4 mkdir repo.bak
 5 mv *.repo repo.bak
 6 vim glfs.repo
 7 [glfs]
 8 name=glfs
 9 baseurl=file:///opt/gfsrepo
10 gpgcheck=0
11 enabled=1
12  
13 yum clean all && yum makecache
14 #创建本地glfs的yum源并使用
15 yum -y install glusterfs glusterfs-server glusterfs-fuse glusterfs-rdma
16 #yum 安装Gluster
17 #此处若出现依赖关系错误问题则执行一下命令，原因是系统中存在的版本过高需要卸载
18 yum remove glusterfs-api.x86_64 glusterfs-cli.x86_64 glusterfs.x86_64 glusterfs-libs.x86_64 glusterfs-client-xlators.x86_64 glusterfs-fuse.x86_64 -y
19 node1执行：
20 #添加节点到存储信任池中
21 gluster peer probe node1
22 gluster peer probe node2
23 gluster peer probe node3
24 gluster peer probe node4
25 node1-node4执行：
26 #在每个Node节点上查看群集状态
27 gluster peer status

5. 创建五种卷

①创建分布卷

1 #创建分布式卷，没有指定类型，默认创建的是分布式卷
2 gluster volume create dis-volume node1:/data/sdb1 node2:/data/sdb1 force    
3 #查看卷列表
4 gluster volume list
5 #启动新建分布式卷
6 gluster volume start dis-volume
7 #查看创建分布式卷信息
8 gluster volume info dis-volume

②创建条带卷

1 #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
2 gluster volume create stripe-volume stripe 2 node1:/data/sdc1 node2:/data/sdc1 force
3 gluster volume start stripe-volume
4 gluster volume info stripe-volume

③创建复制卷

1 #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
2 gluster volume create rep-volume replica 2 node3:/data/sdb1 node4:/data/sdb1 force
3 gluster volume start rep-volume
4 gluster volume info rep-volume

④创建分布式条带卷

1 #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
2 gluster volume create dis-stripe stripe 2 node1:/data/sdd1 node2:/data/sdd1 node3:/data/sdd1 node4:/data/sdd1 force
3 gluster volume start dis-stripe
4 gluster volume info dis-stripe

⑤创建分布式复制卷

1 #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
2 gluster volume create dis-rep replica 2 node1:/data/sde1 node2:/data/sde1 node3:/data/sde1 node4:/data/sde1 force
3 gluster volume start dis-rep
4 gluster volume info dis-rep    
5  
6 #查看当前所有卷的列表
7 gluster volume list

6. 客户端部署GFS

 1 客户端执行：
 2 #将gfsrepo 软件上传到/opt目录下解压，本博客资源中有gfsrepo.zip包
 3 cd /etc/yum.repos.d/
 4 mkdir repo.bak
 5 mv *.repo repo.bak
 6 vim glfs.repo
 7 [glfs]
 8 name=glfs
 9 baseurl=file:///opt/gfsrepo
10 gpgcheck=0
11 enabled=1
12 yum clean all && yum makecache
13 #创建本地glfs的yum源并使用
14 yum -y install glusterfs glusterfs-server glusterfs-fuse glusterfs-rdma
15 #yum 安装Gluster
16 #此处若出现依赖关系错误问题则执行一下命令，原因是系统中存在的版本过高需要卸载
17 yum remove glusterfs-api.x86_64 glusterfs-cli.x86_64 glusterfs.x86_64 glusterfs-libs.x86_64 glusterfs-client-xlators.x86_64 glusterfs-fuse.x86_64 -y
18 #创建挂载目录
19 mkdir -p /test/{dis,stripe,rep,dis_stripe,dis_rep}
20 ls /test
21 #配置/etc/hosts文件
22 echo "192.168.50.150 node1" >> /etc/hosts
23 echo "192.168.50.160 node2" >> /etc/hosts
24 echo "192.168.50.170 node3" >> /etc/hosts
25 echo "192.168.50.180 node4" >> /etc/hosts
26 #挂载Gluster文件系统
27 #临时挂载
28 mount.glusterfs node1:dis-volume /test/dis
29 mount.glusterfs node1:stripe-volume /test/stripe
30 mount.glusterfs node1:rep-volume /test/rep
31 mount.glusterfs node1:dis-stripe /test/dis_stripe
32 mount.glusterfs node1:dis-rep /test/dis_rep
33 #永久挂载
34 vim /etc/fstab
35 node1:dis-volume        /test/dis                glusterfs        defaults,_netdev        0 0
36 node1:stripe-volume        /test/stripe            glusterfs        defaults,_netdev        0 0
37 node1:rep-volume        /test/rep                glusterfs        defaults,_netdev        0 0
38 node1:dis-stripe        /test/dis_stripe        glusterfs        defaults,_netdev        0 0
39 node1:dis-rep            /test/dis_rep            glusterfs        defaults,_netdev        0 0

7. 测试 Gluster 文件系统

 1 客户端操作：
 2 #卷中写入文件，客户端操作
 3 cd /opt
 4 dd if=/dev/zero of=/opt/demo1.log bs=1M count=40
 5 dd if=/dev/zero of=/opt/demo2.log bs=1M count=40
 6 dd if=/dev/zero of=/opt/demo3.log bs=1M count=40
 7 dd if=/dev/zero of=/opt/demo4.log bs=1M count=40
 8 dd if=/dev/zero of=/opt/demo5.log bs=1M count=40
 9 ls -lh /opt
10 #产生五个40M的文件在/opt目录下
11 cp /opt/demo* /test/dis
12 cp /opt/demo* /test/stripe/
13 cp /opt/demo* /test/rep/
14 cp /opt/demo* /test/dis_stripe/
15 cp /opt/demo* /test/dis_rep/
16 #将产生在/opt目录下的5个40m文件放入五个卷的挂载点中
17  
18 ①验证分布式卷
19 node1-node2上查看/data/sdb1中是否是每台机器上有demo1-5的一部分且都是40M完整的文件
20 ll -h /data/sdb1
21 ②验证条带卷
22 node1-node2上查看/data/sdc1中是否每台机器上都有demo1-5文件且都为20M
23 ll -h /data/sdc1
24 ③验证复制卷
25 node3-node4上查看/data/sdb1中是否每台机器上都有demo1-5文件且都为40M
26 ll -h /data/sdb1
27 ④验证分布式条带卷分布
28 node1-node4上查看/data/sdd1中是否每台机器上都有demo1-5文件且都为20M
29 ll -h /data/sdd1
30 ⑤验证分布式复制卷分布
31 node1-node4上查看/data/sde1中是否每台机器上都有demo1-5的一部分且都是40M完整的文件
32 ll -h /data/sde1