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GlusterFS分布式文件系统群集理论知识详解

分类: 文章 • 2022-08-07 21:58:53

在企业中，一些重要的数据一般都会存储在硬盘中，虽然硬盘本身的性能也在不断提高，但是无论硬盘的存取速度有多快，企业所追寻的首先是可靠性，然后才是效率。如果数据面临丢失的风险，再好的硬件也无法玩会企业的损失，加之近几年云计算的出现，对存储提出了更高的要求。而分布式存储逐渐被人们所接受，它具有更好的性能、高扩展以及可靠性。大部分分布式解决方案都是通过元服务器存放目录结构等元数据，元数据服务器提供了整个分布式存储的索引工作。但是一旦元数据服务器损坏，整个分布式存储都将无法进行工作。下面我们将介绍一种无元服务器的分布式存储解决方案——GlusterFS。

一、初步认识GlusterFS

1.GlusterFS简介

GlusterFS是一个开源的分布式文件系统，同时也是Scale-Out存储解决方案GlusterFS的核心。在存储数据方面具有很强大的扩展能力，通过扩展不同的节点可以支持PB级别的存储容量。GlusterFS借助TCP/IP或InfiniBand RDMA网络将分散的存储资源汇聚在一起，同一提供存储服务，并使用单一全局命令空间来管理数据。GlusterFS基于可堆叠的用户空间以及无元的设计，可为各种不同的数据负载提供优异的性能。

GlusterFS主要由存储服务器、客户端及NFS/Samba存储网关（可选，根据需要选择使用）组成。如图：

GlusterFS分布式文件系统群集理论知识详解
GlusterFS架构中最大的设计特点就是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非常高，但是也存在一些缺陷，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支持TCP/IP和InfiniBand RDMA高速网络互联，客户端可通过原声GlusterFS协议访问数据，其他没有运行GlusterFS客户端的终端可通过NFS/CIFS标准协议通过存储网关访问数据。

2.GlusterFS的特点

  • 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架构通过增加存储节点的方式来提高存储容量和性能（磁盘、计算机和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弹性哈希解决了GlusterFS对元数据服务器的依赖，GlusterFS采用弹性算法在存储池中定位数据，放弃了传统的通过元数据服务器定位数据，GlusterFS中可以智能的定位任意数据分片（将数据分片存储在不同节点上），不需要查看索引或者想元数据服务器查询。这种设计机制实现了存储的横向扩展，改善了单点故障及性能瓶颈，真正实现了并行化数据访问。
  • 高可用性。GlusterFS通过配置某些类型的存储卷，可以对文件进行自动复制（类似于RAID1），即使某个节点出现故障，也不影响数据的访问。当数据出现不一致时，自动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，不会占用太多系统资源。GlusterFS可以支持所有的存储，以内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标准的磁盘文件系统（如EXT3、XFS等）来存储文件，数据可以使用传统的访问磁盘的方式被访问；
  • 全局统一命名空间。全局统一命名空间将所有的存储资源聚集成一个单一的虚拟存储池，对用户和应用屏蔽了物理存储信息。存储资源（类似于LVM）可以根据生产环境中的需要进行弹性扩展或收缩。在多节点场景中，全局统一命名空间还可以基于不同节点做负载均衡，大大提高了存取效率；
  • 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。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或增减，并可以在多个节点中负载均衡。文件系统配置更改也可以实时在线进行并应用，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、FTP、SMB及Gluster原生协议，完全与POSIX标准兼容。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（效率更高），这在公有云环境中部署Gluster时非常有用，Gluster对云服务提供商专用APl进行抽象，然后提供标准POSIX借口；

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 ，比如：192.168.1.4/date/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吧的访问磁盘的接口；
  • 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

如图：
GlusterFS分布式文件系统群集理论知识详解
GlusterFS采用模块化、堆栈式的结构，可以根据需求配置定制化的应用环境，如大文件存储、海量小文件存储、云存储、多传输协议应用等。通过对模块进行各种组合，接口实现复杂的功能。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和可靠性。

GlusterFS是模块化堆栈式的架构设计。模块成为Translator，是GlusterFS提供的一种强大的机制，借助这种良好定义的接口可以高效简便地扩展文件系统的功能。
（1）服务器与客户端的设计高度模块化的同事模块接口是兼容的，同一个transtator可同事在客户端和服务器加载；
（2）GlusterFS中所有的功能都是通过transtator实现的，其中客户端要比服务器更复杂。所以功能的重点主要集中在客户端上；

二、GlusterFS的工作原理

1.GlusterFS的工作流程

GlusterFS数据访问流程如图：
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图中所示只是GlusterFS数据访问的一个概要图，大致过程：
（1）客户端或应用程序通过GlusterFS的挂在点访问数据；
（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，并向系统注册了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，并且将数据写入服务器存储设备。

2.弹性HASH算法

弹性HASH算法使用Davies-Meyer算法，通过HASH算法得到一个32位的整数范围，假设逻辑卷中有N个存储单位Brick，则32位的整数范围被划分为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算法的优点表现如下：

  • 保证数据平均分布在每个Brick中；
  • 解决了对元数据服务器的依赖，进而解决了单点故障及访问瓶颈；

现在我们假设创建一个包含四个Brick节点的GlusterFS卷，在服务端的Brick挂载目录会给四个Brick平均分配2^32的区间的范围空间。GlusterFS hash分布区间是保存在目录上而不是根据机器去分布区间。如图：
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Brick*表示一个目录，分布区间保存在每个Brick挂载点目录的扩展属性上。

在卷中创建四个文件。访问文件时，通过快速Hash函数计算出对应的HASH值，然后根据计算出来的HASH值对应的子空间散列到服务器的Brick上，如图：
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三、GLusterFS的卷类型

GlusterFS支持七种卷，这七种卷可以满足不同应用对高性能、高可用的需求。这七种卷分别是：

  • （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Glusterf的基础；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，如果有一个磁盘损坏，数据也将丢失，属于文件级的RAID0，不具备容错能力；
  • （2）条带卷（Stripe volume）：类似于RAID0，文件被分为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；
  • （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RAID1，具有容错能力。因为数据分散到多个Brick中，所以读性能得到了很大提升，但写性能下降；
  • （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，兼备分布式卷和条带卷的特点；
  • （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，具有分布式卷和复制卷的特点；
  • （6）条带复制卷（Stripe Replica volume）：类似于RAID10，同时具有条带卷和复制卷的特点；
  • （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；

下面详细介绍几种重要的卷类型：

1.分布式卷

分布式卷是GlusterFS的默认卷，在创建卷时，默认选项就是创建分布式卷。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，直接使用本地文件系统进行文件存储，大部分Linux命令和工具可以继续正常使用。需要通过扩展文件属性保存HASH值，目前支持的底层文件系统有ext3、ext4、ZFS、XFS等。

由于使用本地文件系统，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；另外支持超大型文件也会有一定的难度，因为分布式卷不会对文件进行分块处理。虽然ext4已经可以支持最大16TB的单个文件，但是本地存储设备的容量实在有限。

如图：
GlusterFS分布式文件系统群集理论知识详解
如图所示：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，布局别冗余性；
  • 更容易廉价地扩展卷的大小；
  • 单点故障会造成数据丢失；
  • 依赖于底层的数据保护；

创建分布式卷的命令：

[root@localhost ~]# gluster volume create dis-volume server1:/dir1 server2:/dir2
//创建一个名为dis-volume的分布卷，文件将根据HASH分布在server1：/dir1、server2:/dir2中
Creation of dis-volume has been successful
Please start the volume to access data
2.条带卷

Stripe模式相当于RAID0，在该模式下，根据偏移量将文件分成N块（N个条带节点），轮询地存储在每个Brick Server节点。节点把每个数据块都作为普通文件存入本地文件系统中，通过扩展属性记录总块数和每块的序号。在配置时指定的条带数必须等于卷中Brick所包含的存储服务器数，在存储大文件时，性能尤为突出，但是不具备冗余性。

如图：

GlusterFS分布式文件系统群集理论知识详解
File被分割为6段，1、3、5放在Server1, 2、4、6放在Server2中！

条带卷具有如下特点：

  • 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；

创建条带卷的命令：

[root@localhost ~]# gluster volume create rep-volume replica 2 transport tcp server1:/dir1 server2:/dir2
//创建一个名为Stripe-volume的条带卷，文件将分块轮询地存储在server1:/dir1 、server2:/dir2两个Brick中
Creation of rep-volume has been successful
Please start the volume to access data
3.复制卷

复制模式，也称为AFR，相当于RAID1。即同一文件保存一份或多份副本，每个节点保存相同的内容和目录结构。复制模式因为要保存副本，所以磁盘利用率较低。如果多个节点上的存储空间不一致，那么将按照木桶效应取最低节点的容量作为该卷的总容量。在配置复制卷时，复制数必须等于卷中Brick所包含的存储服务器数，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。

如图：
GlusterFS分布式文件系统群集理论知识详解
File1和File2同时存放在Server1和Server2上，相当于Server2中的文件是Server1中文件的副本！

复制卷具有以下特点：

  • 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；
  • 至少有两个块服务器或者更多的服务器；
  • 具有冗余性；

创建复制卷的命令：

[root@localhost ~]# gluster volume create rep-volume replica 2 transport tcp server1:/dir1 server2:/dir2
//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
Creation of rep-volume has been successful
Please start the volume to access data
4.分布式条带卷

分布式条带卷兼顾分布式和条带卷的功能，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。

如图：
GlusterFS分布式文件系统群集理论知识详解
如图所示：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，与File1一样！

创建分布式条带卷的命令：

[root@localhost ~]# gluster volume create dis-stripe stripe 2 transport tcp server1:/dir1 server2:/dir2 server3:/dir3 server4:/dir4
//创建了一个名为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)
Creation of rep-volume has been successful
Please start the volume to access data

注意：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复制卷；如果存储服务器的数量是条带卷或复制卷的2倍甚至更多，那么将创建分布式条带卷或分布式复制卷。

5.分布式复制卷

分布式复制卷兼顾分布式卷和复制卷的功能，主要用于需要冗余的情况下，如图：
GlusterFS分布式文件系统群集理论知识详解
如图所示：File1和File2通过分布式jaunty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。

创建分布式复制卷的命令：

[root@localhost ~]# gluster volume create dis-rep replica 2 transport tcp server1:/dir1 server2:/dir2 server3:/dir3 server4:/dir4
//创建了一个名为dis-rep的分布式条带卷，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条带数的倍数(>=2倍)
Creation of rep-volume has been successful
Please start the volume to access data

假如存在8台服务器，当复制副本为2时，按照服务器列表的顺序，服务器1和2作为一个复制，服务器3和4作为一个复制，服务器5和6作为一个复制，服务器7和8作为一个复制；当复制副本为4时，按照服务器列表的顺序，服务器1/2/3./4作为一个复制，服务器5/6/7/8作为一个复制。

关于这些理论概念并不是很难，基本看一遍就能明白其中的意思，那这里也就不多说了！

这篇博文主要介绍理论，关于实战可以参考博文：部署GlusterFS分布式文件系统，实战！！！

———————— 本文至此结束，感谢阅读 ————————

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