GFS 分布式文件系统
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。
GlusterFS特点
1.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。
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。
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。
4.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。
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。
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 192.168.10.14:/data/mydir/。
Volume(逻辑卷)
一个逻辑卷是卷上进行的。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
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。
伪文件系统
VFS
内核空间对用户空间提供的访问磁盘的接口。 虚拟端口
Glusterd(后台管理进程)
服务端
在存储群集中的每个节点上都要运行。
GFS 以上虚拟文件系统
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。
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
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。
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。
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。
#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。
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:/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。
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
扩展
●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
部署 GlusterFS 群集
1.准备工作
Node1节点:20.0.0.50 磁盘:/dev/sdb1 挂载点:/data/sdb1
/dev/sdc1 /data/sdc1
/dev/sdd1 /data/sdd1
/dev/sde1 /data/sde1
Node2节点:20.0.0.60 磁盘:/dev/sdb1 挂载点:/data/sdb1
/dev/sdc1 /data/sdc1
/dev/sdd1 /data/sdd1
/dev/sde1 /data/sde1
Node3节点:20.0.0.70 磁盘:/dev/sdb1 挂载点:/data/sdb1
/dev/sdc1 /data/sdc1
/dev/sdd1 /data/sdd1
/dev/sde1 /data/sde1
Node4节点:20.0.0.80 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:20.0.0.90
①关闭防火墙
systemctl stop firewalld
setenforce 0
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/null
chmod +x /opt/fdisk.sh
cd /opt/
./fdisk.sh
③修改主机名,配置/etc/hosts文件
#以Node1节点为例(所有的节点都需要):
hostnamectl set-hostname node1
su
echo "192.168.10.13 node1" >> /etc/hosts
echo "192.168.10.14 node2" >> /etc/hosts
echo "192.168.10.15 node3" >> /etc/hosts
echo "192.168.10.16 node4" >> /etc/hosts
2.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
unzip gfsrepo.zip
②.创建本地源安装启动服务
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
#故障原因是版本过高导致
yum remove glusterfs-api.x86_64 glusterfs-cli.x86_64 glusterfs.x86_64 glusterfs-libs.x86_64 glusterfs-client-xlators.x86_64 glusterfs-fuse.x86_64 -y
yum -y install glusterfs glusterfs-server glusterfs-fuse glusterfs-rdma
3.添加节点到存储信任池中
#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
4.创建卷
根据规划创建卷
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
#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
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
##查看当前所有卷的列表
gluster volume list
5.部署 Gluster 客户端
(也可直接在某个节点直接测试)
①安装客户端软件
#将gfsrepo 软件上传到/opt目下
unzip gfsrepo.zip
②创建本地yum源
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
#安装服务
yum -y install glusterfs glusterfs-server glusterfs-fuse glusterfs-rdma
systemctl start glusterd.service
systemctl enable glusterd.service
systemctl status glusterd.service
③创建挂载目录
mkdir -p /test/{dis,stripe,rep,dis_stripe,dis_rep}
ls /test
④配置 /etc/hosts 文件
echo "192.168.10.13 node1" >> /etc/hosts
echo "192.168.10.14 node2" >> /etc/hosts
echo "192.168.10.15 node3" >> /etc/hosts
echo "192.168.10.16 node4" >> /etc/hosts
⑤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
6.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查看文件分布特点
③破坏性测试
#挂起 node2 节点或者关闭glusterd服务来模拟故障在客户端查看文件是否正常
##### 上述实验测试,凡是带复制数据,相比而言,数据比较安全 #####
#扩展其他的维护命令
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)