Linux--GFS分布式文件系统

GFS分布式文件系统群集

一、GlusterFS概述

1. GlusterFS简介

GlusterFS是一个开源的分布式文件系统。
它由存储服务器、客户端以及NFS/Samba存储网关（可选，根据需要选择使用）组成。
系统中无元数据服务器组件，这有助于提升整个系统的性能、可靠性和稳定性。

2. 与传统分布式文件系统（如MFS）的区别

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，具备较高的可靠性即存储效率。
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。

3. GlusterFS的特点

3.1 扩展性和高性能

Gluster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。

3.2 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。

3.3 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。

3.4 弹性卷管理

GlusterFS通过将数据存储在逻辑卷在中，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。

3.5 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（可移植操作系统弄接口）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，也可以使用能够专用API进行访问。

4. GlusterFS术语

4.1 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的绝对路径构成，表示方法为SERVER:EXPORT，如192.168.1.1：/data/mydir/。

4.2 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。

4.3 FUSE

是一个内核模块，允许用户创建自己的文件系统，无需修改内核代码。

4.4 VFS

内核空间对用户空间提供的访问磁盘的接口。

4.5 Glusterd(后台管理进程)

在存储集群中的每个节点上都要运行。

5. 模块化堆栈式架构

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RAID 1，Stripe模块可实现RAID 0，通过两者的组合可实现RAID 10和RAID 01，同时获得更高的性能及可靠性。

6. Gluster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。

7. 弹性Hash算法

7.1 弹性Hash算法的概念

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，同对该命名空间计算Hash值，根据该Hash值所对应的的32位整数空间定位数据所在的Brick。

7.2 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。

8. GlusterFS的卷类型

GlusterFS支持七种卷，即分布卷、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。

8.1 分布式卷（Distribute volume）

8.1.1 分布式卷概述

文件通过Hash算法分布到所有Brick Server上，这种卷是ClusterFS的默认卷，以文件为单位分局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RAID 0，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。
总结：
● 没有对文件进行分块处理
● 通过扩展文件属性保存Hash值
● 支持的底层文件系统有EXT3、EXT4、ZFS、XFS等

8.1.2 示例原理

File1和File2存放在Server1，而File3存放在Server2，文件都是司机存储，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。

8.1.3 分布式卷的特点

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

8.1.4 创建方法

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 derver3:/dir3

8.2 条带卷（Stripe volume）

8.2.1 条带卷概述

类似RAID 0，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。

8.2.2 示例原理

File被分割为6段，1/3/5放在Server1上，2/4/6放在Server2上、

8.2.3 条带卷特点

● 数据被分割成更小块分布到块服务器集群中的不同条带区
● 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

8.2.4 创建方法

创建一个名为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 2 transport tcp server1:/dir1 server2:/dir2

8.3 复制卷（Replica volume）

8.3.1 复制卷概述

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。

8.3.2 示例原理

File1同时存在Server1和Server2中，File2也是如此，相当于Server2中的文件时Server1中文件的副本。

8.3.3 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

8.3.4 创建方法

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

8.4 分布式条带卷（Distribute Stripe volume）

8.4.1 分布式条带卷概述

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。

8.4.2 示例原理

File1和File2通过分布式卷的功能分别定为到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Server2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。

8.4.3 创建方法

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必须是条带数的倍数（>+2倍）。Brick的数量是4（Server1:/dir1、Server2:/dir2、Server3:/dir3、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
注：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。

8.5 分布式复制卷（Distribute Replica volume）

8.5.1 分布式复制卷概述

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。

8.5.2 示例原理

File1和File2通过分布式卷的功能分别定为到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。

8.5.3 创建方法

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、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

8.6 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。

8.7 分布式条带复制卷（Distribute Stripe Replica volume）

三种基本卷的复合卷，通常用于类Map Reduce应用。

单位换算

1字节=8位

1B=1字节

1KB=1024B

1MB=1024KB

1GB=1024MB

1TB=1024GB

1PB=1024TB

因为centos7GFS不支持条带卷，但是支持分布式卷和复制卷。所以我们只能创建分布式卷和复制卷以及分布复制卷

服务节点分配

服务器节点	ip地址	主机名	磁盘部署	对应挂载点
Node1节点	192.168.10.4	node1	/dev/sdb1 /dev/sdc1	/data/sdb1 /data/sdc1
Node2节点	192.168.10.5	node2	/dev/sdb1 /dev/sdc1	/data/sdb1 /data/sdc1
客户端节点	192.168.10.6	client	-	-

在所有节点编写yum源，即gfs源

以下是官方源

执行下面命令指向互联网仓库

使用互联网仓库和官方源

服务器环境，在所有node节点上操作

添加硬盘

编写脚本，磁盘分区并挂载

执行脚本，已挂载

编写/etc/hosts文件

安装并启动GFS，在所有node节点上操作

添加节点到存储信任池

查看gfs集群状态

卷名称	卷类型	Brick
dis-volume	分布式卷	node1(/data/sdb1)、node2(/data/sdb1)
rep-volume	复制卷	node1(/data/sdc1)、node2(/data/sdc1)

创建分布式卷

查看信息

查看卷列表，启动卷，再次查看卷信息

创建复制卷

查看卷列表

启动卷并查看状态

部署GFS客户端

创建需要将磁盘挂载的目录

配置/etc/hosts文件

挂载GFS文件系统

临时挂载

永久挂载

测试GFS文件系统

在复制卷目录下创建文件

写一些东西

看大小，虽然文件是216字节，但总用量是512字节

在node1和node2分别查看，各有一个a，说明复制成功

在分布卷创建文件a

在node1和node2查看，因为只有一个文件，所以node2没有

再次建一个文件

因为node1在运行，所以node2还是没有

把b删除

node1也跟着删除

测试node2是否正常工作

将node1挂起

GFS客户端连接不到node1，所以a也暂时没啦

在新建一个g

因为node1挂起，所以node2接替工作

之前复制的a还在

也能正常编辑

将node1恢复

GFS客户端和node1连接上了，a回来了

这时，a和g都呆在自己的家里

仅允许192.168.10.0和192.168.20.0网段访问dis-volume卷仅拒绝是auth.reject

下面是GFS常用命令

1.启动/关闭/查看glusterd服务

/etc/init.d/glusterd start

/etc/init.d/glusterd stop

/etc/init.d/glusterd status

2.开机自动启动glusterd服务

chkconfig glusterd on Red Hat

update-rc.d glusterd defaults Debian

echo "glusterd" >>/etc/rc.local Others

3.查看配置信息

cat /etc/rc.local

4.为存储池添加/移除服务器节点

在其中一个节点上操作即可：

gluster peer probe <SERVER>

gluster peer detach <SERVER>

注意，移除节点时，需要提前将该节点上的Brick移除。

查看所有节点的基本状态（显示的时候不包括本节点）：

gluster peer status

5.挂载分区

mount -t ext4 /dev/sdd1 /mnt/brick1

6.创建/启动/停止/删除卷

gluster volume create <NEW-VOLNAME>[stripe <COUNT> | replica <COUNT>] [transport [tcp | rdma | tcp,rdma]] <NEW-BRICK1> <NEW-BRICK2> <NEW-BRICK3> <NEW-BRICK4>...

gluster volume start <VOLNAME>

gluster volume stop <VOLNAME>

gluster volume delete <VOLNAME>

注意，删除卷的前提是先停止卷。

7.客户端以glusterfs方式挂载

mount -t glusterfs <SERVER>:/<VOLNAME><MOUNTDIR>

对于OpenStack，计算和控制节点都要挂载/var/lib/nova/instances，控制节点还要挂载/var/lib/glance/images。

8.查看卷信息

列出集群中的所有卷：

gluster volume list

查看集群中的卷信息：

gluster volume info [all]

查看集群中的卷状态：

gluster volume status [all]

gluster volume status <VOLNAME> [detail| clients | mem | inode | fd]

查看本节点的文件系统信息：

df -h [<MOUNT-PATH>]

查看本节点的磁盘信息：

fdisk -l

9.配置卷

gluster volume set <VOLNAME> <OPTION> <PARAMETER>

10.扩展卷

gluster volume add-brick <VOLNAME> <NEW-BRICK>

注意，如果是复制卷或者条带卷，则每次添加的Brick数必须是replica或者stripe的整数倍。

11.收缩卷

先将数据迁移到其它可用的Brick，迁移结束后才将该Brick移除：

gluster volume remove-brick <VOLNAME> <BRICK> start

在执行了start之后，可以使用status命令查看移除进度：

gluster volume remove-brick <VOLNAME> <BRICK> status

不进行数据迁移，直接删除该Brick：

gluster volume remove-brick <VOLNAME> <BRICK> commit

注意，如果是复制卷或者条带卷，则每次移除的Brick数必须是replica或者stripe的整数倍。

12.迁移卷

使用start命令开始进行迁移：

gluster volume replace-brick <VOLNAME> <BRICK> <NEW-BRICK> start

在数据迁移过程中，可以使用pause命令暂停迁移：

gluster volume replace-brick <VOLNAME> <BRICK> <NEW-BRICK> pause

在数据迁移过程中，可以使用abort命令终止迁移：

gluster volume replace-brick <VOLNAME> <BRICK> <NEW-BRICK> abort

在数据迁移过程中，可以使用status命令查看迁移进度：

gluster volume replace-brick <VOLNAME> <BRICK> <NEW-BRICK> status

在数据迁移结束后，执行commit命令来进行Brick替换：

gluster volume replace-brick <VOLNAME> <BRICK> <NEW-BRICK> commit

13.重新均衡卷

不迁移数据：

gluster volume rebalance <VOLNAME> lay-outstart

gluster volume rebalance <VOLNAME> start

gluster volume rebalance <VOLNAME> startforce

gluster volume rebalance <VOLNAME> status

gluster volume rebalance <VOLNAME> stop

14.系统扩展维护

开启/关闭系统配额：

gluster volume quota <VOLNAME> enable | disable

设置目录配额：

gluster volume quota <VOLNAME> limit-usage <DIR> <VALUE>

查看配额：

gluster volume quota <VOLNAME> list [<DIR>]

地域复制（geo-replication）：

gluster volume geo-replication <MASTER> <SLAVE> start | status | stop

IO信息查看：

gluster volume profile <VOLNAME> start | info | stop

Top监控：

Top命令允许你查看Brick的性能，例如：read,write, file open calls, file read calls, file write calls, directory opencalls, and directory real calls。所有的查看都可以设置 top数，默认100。

查看打开的 fd：

gluster volume top <VOLNAME> open[brick <BRICK>] [list-cnt <COUNT>]

其中，open可以替换为read, write, opendir, readdir等。

查看每个 Brick 的读性能：

gluster volume top <VOLNAME> read-perf [bs <BLOCK-SIZE> count <COUNT>] [brick <BRICK>] [list-cnt <COUNT>]

其中，read-perf可以替换为write-perf等。