GFS 分布式文件系统

2023-12-17 21:22:39

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

 

  1. I/O cache：I/O缓存
  2. read ahead：内核文件预读
  3. distribute/stripe：分布式、条带化
  4. Gige：千兆网/千兆接口
  5. TCP/IP：网络协议
  6. 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
  7. 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

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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。

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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。

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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

 

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●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

 

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●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

 

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●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。

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●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

 

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●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

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---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

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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

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（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

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3、修改主机名，配置/etc/hosts文件 （所有节点上操作）

hostnamectl set-hostname node1
su

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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 node

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---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

或者
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
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

 

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