分布式文件系统GFS

一、GlusterFS 概述

1.1GlusterFS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。
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。

1.2GlusterFS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。

1.3GlusterFS 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。

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。

1.5GlusterFS 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。

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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）

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。

（1）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。

（2）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

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。

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

（2）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

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。

（1）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。

（2）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

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。

（1）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

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。

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。

（1）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

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。

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三、部署GlusterFs 群集

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环境准备：【准备环境（所有node节点上操作）】

Node1 节点：192.168.10.10
Node2 节点：192.168.10.20
Node3 节点：192.168.10.30
Node4 节点：192.168.10.40
分别添加四块硬盘（关机状态下，若不显示可重启）

分布式文件系统GFS插图

3.1关闭防火墙（以下操作在所有节点操作）

systemctl stop firewalld
setenforce 0

3.2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 $NEWDEV
do
   echo -e "nnpnnnnwn" | fdisk /dev/$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

分布式文件系统GFS插图2

分布式文件系统GFS插图3

3.3修改主机名，配置/etc/hosts文件

hostnamectl set-hostname node1
su
echo "192.168.10.10 node1" >> /etc/hosts
echo "192.168.10.20 node2" >> /etc/hosts
echo "192.168.10.30 node3" >> /etc/hosts
echo "192.168.10.40 node4" >> /etc/hosts

分布式文件系统GFS插图4

分布式文件系统GFS插图5

3.4安装、启动GlusterFS（所有node节点上操作）

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

分布式文件系统GFS插图6

分布式文件系统GFS插图7

分布式文件系统GFS插图8

3.5添加节点到存储信任池中（在 node1 节点上操作）

gluster peer probe node1
gluster peer probe node2
gluster peer probe node3
gluster peer probe node4

分布式文件系统GFS插图9

在每个Node节点上查看群集状态:
gluster peer status

分布式文件系统GFS插图10

3.6创建卷（在node3节点操作）

根据规划创建如下卷（可在集群中的任意节点操作）

分布式文件系统GFS插图11

（1）创建分布式卷

#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

#查看卷列表

gluster volume list

#启动新建分布式卷

gluster volume start dis-volume

#查看创建分布式卷信息

gluster volume info dis-volume

分布式文件系统GFS插图12

（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

分布式文件系统GFS插图13

（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

分布式文件系统GFS插图14

（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

分布式文件系统GFS插图15

（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

分布式文件系统GFS插图16

#查看当前所有卷的列表

gluster volume list

分布式文件系统GFS插图17

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部署 Gluster 客户端

3.7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

分布式文件系统GFS插图18

分布式文件系统GFS插图19

3.8创建挂载目录

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

分布式文件系统GFS插图20

3.9配置 /etc/hosts 文件

echo "192.168.10.10 node1" >> /etc/hosts
echo "192.168.10.20 node2" >> /etc/hosts
echo "192.168.10.30 node3" >> /etc/hosts
echo "192.168.10.40 node4" >> /etc/hosts

分布式文件系统GFS插图21

3.10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

分布式文件系统GFS插图22

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

分布式文件系统GFS插图23

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测试 Gluster 文件系统

3.11卷中写入文件，客户端操作

使用dd命令从/dev/zero文件中复制40M的数据到测试文件中

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/

分布式文件系统GFS插图24

将测试文件分别复制到各个卷中

分布式文件系统GFS插图25

3.12查看文件分布

查看分布式文件分布

 ls -lh /data/sdb1                                        #数据没有被分片
 ll -h /data/sdb1

查看条带卷文件分布

ls -lh /data/sdc1                                      #数据被分片50% 没副本 没冗余
ll -h /data/sdc1

分布式文件系统GFS插图26

分布式文件系统GFS插图27

查看复制卷分布

ll -h /data/sdb1                                            #数据没有被分片 有副本 有冗余
ll -h /data/sdb1                                        #数据没有被分片 有副本 有冗余

分布式文件系统GFS插图28

分布式文件系统GFS插图29

查看分布式条带卷分布

ll -h /data/sdd1                                         #数据被分片50% 没副本 没冗余
ll -h /data/sdd1
ll -h /data/sdd1
ll -h /data/sdd1

分布式文件系统GFS插图30

分布式文件系统GFS插图31

分布式文件系统GFS插图32

分布式文件系统GFS插图33

查看分布式复制卷分布，数据没有被分片，有副本，有冗余

ll -h /data/sde1
ll -h /data/sde1
ll -h /data/sde1
ll -h /data/sde1

分布式文件系统GFS插图34

分布式文件系统GFS插图35

分布式文件系统GFS插图37

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破坏性测试

3.13挂起 node2 节点或者关闭glusterd服务来模拟故障

systemctl stop glusterd.service

分布式文件系统GFS插图38

停止服务没有故障效果的话，可直接关机或者挂起来模拟（在此我是直接关机，关闭服务依旧能够正常查询）

3.14在客户端上查看文件是否正常

#分布式卷数据查看

ll /test/dis/                                                        #在客户机上发现少了demo5.log文件，这个是在node2上的

分布式文件系统GFS插图40

条带卷

cd /test/stripe/ #无法访问，条带卷不具备冗余性
ll

分布式文件系统GFS插图41

分布式条带卷

ll /test/dis_stripe/ 　　　　#无法访问，分布条带卷不具备冗余性

分布式复制卷

ll /test/dis_rep/    #可以访问，分布式复制卷具备冗余性

分布式文件系统GFS插图43

3.15挂起 node2 和 node4 节点，在客户端上查看文件是否正常

分布式文件系统GFS插图44

#测试复制卷是否正常

ls -l /test/rep/  #在客户机上测试正常 数据有

分布式文件系统GFS插图45

测试分布式条卷是否正常

ll /test/dis_stripe/   #在客户机上测试没有数据

分布式文件系统GFS插图46

测试分布式复制卷是否正常

ll /test/dis_rep/     #在客户机上测试正常 有数据

分布式文件系统GFS插图47

#上述实验测试，凡是带复制数据，相比而言，数据比较安全

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四、其他的维护命令

4.1查看GlusterFS卷

gluster volume list

分布式文件系统GFS插图48

4.2查看所有卷的信息

gluster volume info

分布式文件系统GFS插图49

4.3查看所有卷的状态

gluster volume status

分布式文件系统GFS插图50

4.4停止一个卷

gluster volume stop dis-stripe

4.5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

4.6设置卷的访问控制

#仅拒绝

gluster volume set dis-rep auth.deny 192.168.10.30

#仅允许

gluster volume set dis-rep auth.allow 192.168.10.* #设置192.168.10.0网段的所有IP地址都能访问dis-rep卷（分布式复制卷）