GFS 分布式文件系统
一、GlusterFS 概述
1、GlusterFS简介
- 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、可能性和稳定性
MFS:是一个具有容错性的网络分布式文件系统
传统的分布式文件系统大多通过元服务器来存储数据,元数据包含存储节点上的目录、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。
- VFS:
内核空间对用户空间提供的访问磁盘的接口。
- Glusterd(后台管理进程):
在存储群集中的每个节点上都要运行。
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 模块可实现 RAID1,Stripe 模块可实现 RAID0, 通过两者的组合可实现 RAID10 和 RAID01,同时获得更高的性能及可靠性。
1、API:应用程序编程接口
2、模块化:每个模块可以提供不同的功能
3、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
- I/O cache:I/O缓存
- read ahead:内核文件预读
- distribute/stripe:分布式、条带化
- Gige:千兆网/千兆接口
- TCP/IP:网络协议
- InfiniBand:网络协议,与TCP/IP相比,TCP/IP具有转发丢失数据包的特性,基于此通信协议可能导致通信变慢,而IB使用基于信任的、流控制的机制来保证连接完整性
- RDMA:负责数据传输,有一种数据传输协议,功能:为了解决传输过程中客户端与服务器端数据处理的延迟
解读上图:
上半部分为客户端,中间为网络层,下半部分为服务端
1、封装多个功能模块,组成堆栈式的结构,来实现复杂的功能
2、然后以请求的方式与客户端进行交互,客户端与服务端进行交互,由于可能会存在系统兼容问题,需要通过posix来解决系统兼容性问题,让客户端的命令通过posix过滤后可以在服务端执行
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
- 划分为N个连续的子空间,每个空间对应一个Brick
- 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、GlusterFS的卷类型
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。
●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
●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
●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
●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:/dir
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。
●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
●条带复制卷(Stripe Replica volume):
类似 RAID 10,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。
二、GlusterFS 群集部署
集群环境准备
主机 | IP地址 | 磁盘 | 挂载点 |
Node1节点 | 20.0.0.5 |
/dev/sdb1 /dev/sdc1 /dev/sdd1 /dev/sde1 |
/data/sdb1 /data/sdc1 /data/sdd1 /data/sde1 |
Node2节点 | 20.0.0.6 |
/dev/sdb1 /dev/sdc1 /dev/sdd1 /dev/sde1 |
/data/sdb1 /data/sdc1 /data/sdd1 /data/sde1 |
Node3节点 | 20.0.0.7 |
/dev/sdb1 /dev/sdc1 /dev/sdd1 /dev/sde1 |
/data/sdb1 /data/sdc1 /data/sdd1 /data/sde1 |
Node4节点 | 20.0.0.8 |
/dev/sdb1 /dev/sdc1 /dev/sdd1 /dev/sde1 |
/data/sdb1 /data/sdc1 /data/sdd1 /data/sde1 |
客户端节点 | 20.0.0.100 | - | - |
(1)先在每台 Node 节点上添加四块磁盘,磁盘大小根据需要设置;添加完成后重启服务器,准备开始部署
---准备环境(所有node节点上操作)---
1、关闭防火墙
systemctl stop firewalld setenforce 0 fdisk -l
2、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/nul
chmod +x /opt/fdisk.sh cd /opt/ ./fdisk.sh
(1)把脚本复制到另外3台节点服务器上,并且一一执行脚本
scp fdisk.sh root@20.0.0.6:/opt/ scp fdisk.sh root@20.0.0.7:/opt/ scp fdisk.sh root@20.0.0.8:/opt/ ./fdisk.sh
3、修改主机名,配置/etc/hosts文件 (所有节点上操作)
hostnamectl set-hostname node1 su
echo "20.0.0.5 node1" >> /etc/hosts echo "20.0.0.6 node2" >> /etc/hosts echo "20.0.0.7 node3" >> /etc/hosts echo "20.0.0.8 node4" >> /etc/hosts
或
vim /etc/hosts
20.0.0.5 node1
20.0.0.6 node2
20.0.0.7 node3
20.0.0.8 node4
---安装、启动GlusterFS(所有node节点上操作)---
1、将 gfsrepo 软件上传到/opt目录下
node1(20.0.0.5)
cd /etc/yum.repos.d/ mkdir repo.bak mv *.repo repo.bak vim local.repo [local] name=local baseurl=file:///opt/gfsrepo gpgcheck=0 enabled=1 yum clean all && yum makecache #yum -y install centos-release-gluster #如采用官方 YUM 源安装,可以直接指向互联网仓库 yum -y install glusterfs glusterfs-server glusterfs-fuse glusterfs-rdma systemctl start glusterd.service systemctl enable glusterd.service systemctl status glusterd.service
scp local.repo 20.0.0.6:/etc/yum.repos.d/
scp local.repo 20.0.0.7:/etc/yum.repos.d/
scp local.repo 20.0.0.8:/etc/yum.repos.d/
scp -r /opt/gfsrepo/ 20.0.0.6:/opt
scp -r /opt/gfsrepo/ 20.0.0.7:/opt
scp -r /opt/gfsrepo/ 20.0.0.8:/opt
#node1(20.0.0.6)、node1(20.0.0.7)、node1(20.0.0.8)上操作
cd /opt/ ls fdisk.sh gfsrepo rh #有这三个文件,下面直接安装 yum -y install glusterfs glusterfs-server glusterfs-fuse glusterfs-rdma systemctl start glusterd.service systemctl enable glusterd.service systemctl status glusterd.service
node1(20.0.0.6)、node1(20.0.0.7)、node1(20.0.0.8)
---添加节点到存储信任池中(在 node1 节点上操作)---
1、在一台Node节点上添加其它节点即可(这里在node1上操作)
gluster peer probe node1
gluster peer probe node2
gluster peer probe node3
gluster peer probe node4
2、在每个Node节点上查看群集状态
gluster peer status
---创建卷---
#根据规划创建如下卷: 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)
1、创建分布式卷
(1)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
(2)查看卷列表
gluster volume list
(3)启动新建分布式卷
gluster volume start dis-volume
(4)查看创建分布式卷信息
gluster volume info dis-volume
2、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 stripe-volume stripe 2 node1:/data/sdc1 node2:/data/sdc1 force gluster volume start stripe-volume gluster volume info stripe-volume
3、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 rep-volume replica 2 node3:/data/sdb1 node4:/data/sdb1 force gluster volume start rep-volume gluster volume info rep-volume
4、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 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
5、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 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
6、查看当前所有卷的列表
gluster volume list
---部署 Gluster 客户端---
1.安装客户端软件
#将gfsrepo 软件上传到/opt目下 cd /etc/yum.repos.d/ mkdir repo.bak mv *.repo repo.bak vim local.repo [local] name=local baseurl=file:///opt/gfsrepo enabled=1 gpgcheck=0
yum clean all && yum makecache
yum -y install glusterfs glusterfs-fuse
或
#从 node1 导入到2 0.0.0.100
scp local.repo 20.0.0.100:/etc/yum.repos.d
scp -r /opt/gfsrepo/ 20.0.0.100:/opt
#再在20.0.0.100 上查看是否文件导入过来,然后安装
cd /opt/
ls
yum -y install glusterfs glusterfs-fuse
2、创建挂载目录
mkdir -p /test/{dis,stripe,rep,dis_stripe,dis_rep}
ls /test
3、配置 /etc/hosts 文件
echo "192.168.80.10 node1" >> /etc/hosts echo "192.168.80.11 node2" >> /etc/hosts echo "192.168.80.12 node3" >> /etc/hosts echo "192.168.80.13 node4" >> /etc/hosts
或
20.0.0.5 node1
20.0.0.6 node2
20.0.0.7 node3
20.0.0.8 node4
4、挂载 Gluster 文件系统
#临时挂载 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 -Th #永久挂载 vim /etc/fstab node1:dis-volume /test/dis glusterfs defaults,_netdev 0 0 node1:stripe-volume /test/stripe glusterfs defaults,_netdev 0 0 node1:rep-volume /test/rep glusterfs defaults,_netdev 0 0 node1:dis-stripe /test/dis_stripe glusterfs defaults,_netdev 0 0 node1:dis-rep /test/dis_rep glusterfs defaults,_netdev 0 0
mount -a
df -h
---测试 Gluster 文件系统---
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
ls -lh /opt
cp /opt/demo* /test/dis cp /opt/demo* /test/stripe/ cp /opt/demo* /test/rep/ cp /opt/demo* /test/dis_stripe/ cp /opt/demo* /test/dis_rep/
2、查看文件分布
(1)查看分布式文件分布
(2)查看条带卷文件分布
(3)查看复制卷分布
(4)查看分布式条带卷分布
(5)查看分布式复制卷分布
---破坏性测试---
1、挂起 node2 节点或者关闭glusterd服务来模拟故障
systemctl stop glusterd.service
2、在客户端上查看文件是否正常
(1)分布式卷数据查看
[root@localhost test]# ll /test/dis/
(2)条带卷
(3)分布式条带卷(#无法访问,分布条带卷不具备冗余性)
(4)分布式复制卷
2、挂起 node2 和 node4 节点,在客户端上查看文件是否正常
(1)测试复制卷是否正常
[root@localhost stripe]# ls -l /test/rep/ #在客户机上测试正常 数据有
(2)测试分布式条卷是否正常
[root@localhost dis_stripe]# ll /test/dis_stripe/ #在客户机上测试没有数据
(4)测试分布式复制卷是否正常
[root@localhost dis_rep]# ll /test/dis_rep/ #在客户机上测试正常 有数据
### 上述实验测试,凡是带复制数据,相比而言,数据比较安全 ###
---其他的维护命令---
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.deny 192.168.80.100
#仅允许 gluster volume set dis-rep auth.allow 192.168.80.* #设置192.168.80.0网段的所有IP地址都能访问dis-rep卷(分布式复制卷)