GFS 分布式文件系统
一、GlusterFS概述
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
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 192.168.100.6:/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。
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。
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。
7. GlusterFS的卷类型
GlusterFS支持七种卷，即分布卷、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。
7.1 分布式卷概述
文件通过Hash算法分布到所有Brick Server上，这种卷是ClusterFS的默认卷，以文件为单位分局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RAID 0，不具有容灾能力。
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。
总结：
● 没有对文件进行分块处理
● 通过扩展文件属性保存Hash值
● 支持的底层文件系统有EXT3、EXT4、ZFS、XFS等
示例原理
File1和File2存放在Server1，而File3存放在Server2，文件都是司机存储，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
创建方法:
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 derver3:/dir3
7.2条带卷（Stripe volume）
1.条带卷概述
类似RAID 0，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上，2/4/6放在Server2上、
3.条带卷特点
● 数据被分割成更小块分布到块服务器集群中的不同条带区
● 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
4.创建方法
创建一个名为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 2 transport tcp server1:/dir1 server2:/dir2
7.3 复制卷（Replica volume）
1.复制卷概述
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中，File2也是如此，相当于Server2中的文件时Server1中文件的副本。
3.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重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
4.创建方法
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
7.4分布式条带卷（Distribute Stripe volume）
1 分布式条带卷概述
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。
2 示例原理
File1和File2通过分布式卷的功能分别定为到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Server2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。
3.创建方法
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必须是条带数的倍数（>+2倍）。Brick的数量是4（Server1:/dir1、Server2:/dir2、Server3:/dir3、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
注：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。
7.5分布式复制卷（Distribute Replica volume）
1 分布式复制卷概述
Brick Server数量是镜像数（数据副本数量）的倍数，兼具分布试卷和复制卷的特点。
主要用于需要冗余的情况下。
.2 示例原理
File1和File2通过分布式卷的功能分别定为到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。
3 创建方法
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、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
7.6 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。
7.7 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。
二、部署GlusterFS群集
准备环境（所有node节点上操作）
1. 服务器节点分配
| 服务器节点 | ip地址 | 磁盘部署 | 对应挂载点 |
|---|---|---|---|
| node1 | 192.168.100.6 | /dev/sdb1 /dev/sdc1 /dev/sdd1 /dev/sde1 |
/data/sdb1 /data/sdc1 /data/sdd1 /data/sde1 |
| node2 | 192.168.100.7 | /dev/sdb1 /dev/sdc1 /dev/sdd1 /dev/sde1 |
/data/sdb1 /data/sdc1 /data/sdd1 /data/sde1 |
| node3 | 192.168.100.8 | /dev/sdb1 /dev/sdc1 /dev/sdd1 /dev/sde1 |
/data/sdb1 /data/sdc1 /data/sdd1 /data/sde1 |
| node4 | 192.168.100.9 | /dev/sdb1 /dev/sdc1 /dev/sdd1 /dev/sde1 |
/data/sdb1 /data/sdc1 /data/sdd1 /data/sde1 |
客户端节点：192.168.100.10
1．关闭防火墙
systemctl stop firewalld
setenforce 0
2．磁盘分区，并挂载
[root@localhost ~]# 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
[root@localhost ~]# chmod +x /opt/fdisk.sh
[root@localhost ~]# cd /opt/
[root@localhost ~]# ./fdisk.sh
[root@localhost ~]# df -hT
文件系统 类型 容量 已用 可用 已用% 挂载点
/dev/sda3 xfs 56G 16G 40G 28% /
devtmpfs devtmpfs 978M 0 978M 0% /dev
tmpfs tmpfs 993M 0 993M 0% /dev/shm
tmpfs tmpfs 993M 9.0M 984M 1