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GFS分布式文件系统

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一、GlusterFS 概述

1.1 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技术）

  • 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。

GlusterFS：

  • 而Glusteres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。（不存在元服务器单点故障的问题）

  • 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。

命名空间：可以理解为目录，一个目录就是一个命名空间。同一个命名空间内不能存在2个相同名称的文件。

1.2 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。

1.3 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 192.168.41.46:/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。

1.4 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。

1.5 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。

1.6 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。

二、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。

2.1 分布式卷(Distribute volume) 对文件进行存储

  • 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。

只能提高存储容量，不具有容错能力，存储效率并没有提高。

GFS分布式文件系统

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Serverl 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serverl:/dir1、server2:/dir2 和 server3:/dir3中。
 gluster volume create dis-volume server1:/dir1 server2:/dir2 server3:/dir3

2.2 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。

创建条带卷：

#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
 ​
 #注意：分片数量需要是brick的倍数。

2.3 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。

创建复制卷：

 #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
 ​
 #replica 2 ：复制数，一般要等于brick的数量。
 #transport tcp ：通过tcp协议进行传输。

2.4 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。brick数量需要是条带的倍数。

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。

创建分布式条带卷：

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
 ​
 #文件先分布存储，之后再分块存储

2.5 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。

brick数量需要是复制卷的n倍。

文件先做分布式存储（hash散列），之后做镜像

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。

创建分布式复制卷：

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）。

2.6 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。

2.7 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。

三、部署 GlusterFS 群集

Node1节点：node1/192.168.41.41      磁盘：/dev/sdb1           挂载点：/data/sdb1
                                         /dev/sdc1                  /data/sdc1
                                         /dev/sdd1                  /data/sdd1
                                         /dev/sde1                  /data/sde1
 
 Node2节点：node2/192.168.41.42       磁盘：/dev/sdb1          挂载点：/data/sdb1
                                          /dev/sdc1                 /data/sdc1
                                          /dev/sdd1                 /data/sdd1
                                          /dev/sde1                 /data/sde1
 
 Node3节点：node3/192.168.41.43       磁盘：/dev/sdb1          挂载点：/data/sdb1
                                          /dev/sdc1                 /data/sdc1
                                          /dev/sdd1                 /data/sdd1
                                          /dev/sde1                 /data/sde1
 
 Node4节点：node4/192.168.41.44       磁盘：/dev/sdb1          挂载点：/data/sdb1
                                          /dev/sdc1                 /data/sdc1
                                          /dev/sdd1                 /data/sdd1
                                          /dev/sde1                 /data/sde1
 客户端节点：192.168.41.45

3.1 部署Gluster集群环境（所有node节点操作）

1）关闭防火墙和selinux

systemctl stop firewalld
 setenforce 0

2）写一个脚本，批量分区、格式化、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
 ​
 #先在一个节点上操作，之后通过scp命令将脚本传给其他主机，统一执行。

3）修改主机名，配置/etc/hosts文件

#修改每台主机的主机名，便于管理
 #以Node1节点为例：
 hostnamectl set-hostname node1
 su
 ​
 #配置/etc/hosts文件，添加所有主机的映射关系
 echo "192.168.41.41 node1" >> /etc/hosts
 echo "192.168.41.42 node2" >> /etc/hosts
 echo "192.168.41.43 node3" >> /etc/hosts
 echo "192.168.41.44 node4" >> /etc/hosts

4）安装、启动GlusterFS

#将gfsrepo 软件上传到/opt目录下
 cd /etc/yum.repos.d/
 mkdir repo.bak
 mv *.repo repo.bak
 ​
 vim glfs.repo
 [glfs]
 name=glfs
 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

5）添加节点到存储信任池中（在 node1 节点上操作）

添加集群信任池，node1-node4 之间添加互信关系。将其他节点加入到我的存储池中。只要在一台Node节点上添加其它节点即可。

#只要在一台Node节点上添加其它节点即可
 gluster peer probe node1
 gluster peer probe node2
 gluster peer probe node3
 gluster peer probe node4
 ​
 #在每个Node节点上查看群集状态
 gluster peer status

3.2 创建卷

GFS分布式文件系统

1）node1 – node4，/dev/sdb1，分布式卷

#创建分布式卷
 gluster volume create dis-volume node1:/data/sdb1 node2:/data/sdb1 node3:/data/sdb1  node4:/data/sdb1 force
 ​
 #查看卷列表
 gluster volume list
 ​
 #启动新建的分布式卷
 gluster volume start dis-volume
 ​
 #查看卷信息
 gluster volume info dis-volume

2）node1 – node2，/dev/sdc1，条带卷

条带数要等于brick数量。

#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）node3 – node4，/dev/sdc1，复制卷

复制数等于brick数量。

 #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）node1 – node4，/dev/sdd1，分布式条带卷

brick数量必须是条带的2倍及以上

#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）node1 – node4，/dev/sde1 分布式复制卷

brick数量必须是复制数的2倍及以上。

#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
 ​
 #查看当前所有卷的列表
 gluster volume list

3.3 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 glfs.repo
 [glfs]
 name=glfs
 baseurl=file:///opt/gfsrepo
 gpgcheck=0
 enabled=1
 ​
 yum clean all && yum makecache
 ​
 yum -y install glusterfs glusterfs-fuse

2）配置 /etc/hosts 文件

echo "192.168.41.41 node1" >> /etc/hosts
 echo "192.168.41.42 node2" >> /etc/hosts
 echo "192.168.41.43 node3" >> /etc/hosts
 echo "192.168.41.44 node4" >> /etc/hosts

3）创建挂载目录

mkdir -p /test/{dis,stripe,rep,dis_stripe,dis_rep}
 ls /test

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

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 192.168.41.46
 ​
 #仅允许
 gluster volume set dis-rep auth.allow 192.168.41.*  
 #设置192.168.41.0网段的所有IP地址都能访问dis-rep卷(分布式复制卷)

Original: https://blog.csdn.net/shitianyu6/article/details/127779816
Author: sologuai
Title: GFS分布式文件系统

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