GFS分布式文件系统

一. 关于GlusterFS 概述 

1 关于文件系统

文件系统：用于存储和管理文件的相关系统。

分布式存储优点：

1. 增加存储容量
2. 加快读写效率
3. 保证文件高可用

2. 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。

元数据服务器：保存数据的地方

• 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。

3. 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。

4. 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 192.168.73.105:/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。  虚拟端口

• Glusterd（后台管理进程）：

在存储群集中的每个节点上都要运行。

5. 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。

6. 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。

7. 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。

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。

• 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XT3、EXT4、ZFS、XFS等

分布式卷的特点：

• 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。

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。

• 根据偏移量将文件分成N块(N个条带节点)，轮询的存储在每个Brick Server节点
• 存储大文件时，性能尤为突出
• 不具备冗余性，类似 Raid0

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。

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。

• 同一文件保存一份或多分副本
• 因为要保存副本，所以磁盘利用率较低
• 若多个节点上的存储空间不一致，将按照木桶效应取最低节点的容量作为该卷的总容量

复制卷的特点：

• 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更多服务器
• 具备冗余性

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。

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。

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。

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. 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。