• GFS分布式文件系统

    一、GlusterFS 概述

    1.1 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技术）

    • 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。

    GlusterFS：

    • 而Glusteres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。（不存在元服务器单点故障的问题）

    • 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。

    命名空间：可以理解为目录，一个目录就是一个命名空间。同一个命名空间内不能存在2个相同名称的文件。

    1.2 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。

    1.3 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 192.168.41.46:/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。

    1.5 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。

    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。

    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) 对文件进行存储

    • 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。

    只能提高存储容量，不具有容错能力，存储效率并没有提高。

    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Serverl 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。
    1. #创建一个名为dis-volume的分布式卷，文件将根据HASH分布在serverl:/dir1、server2:/dir2 和 server3:/dir3中。
    2.  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。

    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。

    创建条带卷：

    1. #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。
    2.  gluster volume create stripe-volume stripe 2 transport tcp server1:/dir1 server2:/dir2
    3.  ​
    4.  #注意：分片数量需要是brick的倍数。

    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。

    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。

    创建复制卷：

    1.  #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。
    2.  gluster volume create rep-volume replica 2 transport tcp server1:/dir1 server2:/dir2
    3.  ​
    4.  #replica 2 ：复制数，一般要等于brick的数量。
    5.  #transport tcp ：通过tcp协议进行传输。

    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。brick数量需要是条带的倍数。

    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。

    创建分布式条带卷：

    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）。

    1. gluster volume create dis-stripe stripe 2 transport tcp server1:/dir1 server2:/dir2 server3:/dir3 server4:/dir4
    2.  ​
    3.  #文件先分布存储，之后再分块存储

    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。

    brick数量需要是复制卷的n倍。

    文件先做分布式存储（hash散列），之后做镜像

    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。

    创建分布式复制卷：

    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）。

    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。

    三、部署 GlusterFS 群集

    1. Node1节点：node1/192.168.41.41      磁盘：/dev/sdb1           挂载点：/data/sdb1
    2.                                          /dev/sdc1                  /data/sdc1
    3.                                          /dev/sdd1                  /data/sdd1
    4.                                          /dev/sde1                  /data/sde1
    5.   
    6.  Node2节点：node2/192.168.41.42       磁盘：/dev/sdb1          挂载点：/data/sdb1
    7.                                           /dev/sdc1                 /data/sdc1
    8.                                           /dev/sdd1                 /data/sdd1
    9.                                           /dev/sde1                 /data/sde1
    10.   
    11.  Node3节点：node3/192.168.41.43       磁盘：/dev/sdb1          挂载点：/data/sdb1
    12.                                           /dev/sdc1                 /data/sdc1
    13.                                           /dev/sdd1                 /data/sdd1
    14.                                           /dev/sde1                 /data/sde1
    15.   
    16.  Node4节点：node4/192.168.41.44       磁盘：/dev/sdb1          挂载点：/data/sdb1
    17.                                           /dev/sdc1                 /data/sdc1
    18.                                           /dev/sdd1                 /data/sdd1
    19.                                           /dev/sde1                 /data/sde1
    20.  客户端节点：192.168.41.45

    3.1 部署Gluster集群环境（所有node节点操作）

    1）关闭防火墙和selinux

    1. systemctl stop firewalld
    2.  setenforce 0

    2）写一个脚本，批量分区、格式化、挂载

    1. vim /opt/fdisk.sh
    2.  #!/bin/bash
    3.  NEWDEV=`ls /dev/sd* | grep -o 'sd[b-z]' | uniq`
    4.  for VAR in $NEWDEV
    5.  do
    6.     echo -e "n\np\n\n\n\nw\n" | fdisk /dev/$VAR &> /dev/null
    7.     mkfs.xfs /dev/${VAR}"1" &> /dev/null
    8.     mkdir -p /data/${VAR}"1" &> /dev/null
    9.     echo "/dev/${VAR}"1" /data/${VAR}"1" xfs defaults 0 0" >> /etc/fstab
    10.  done
    11.  mount -a &> /dev/null
    12.  ​
    13.  chmod +x /opt/fdisk.sh
    14.  cd /opt/
    15.  ./fdisk.sh
    16.  ​
    17.  #先在一个节点上操作，之后通过scp命令将脚本传给其他主机，统一执行。

    3）修改主机名，配置/etc/hosts文件

    1. #修改每台主机的主机名，便于管理
    2.  #以Node1节点为例：
    3.  hostnamectl set-hostname node1
    4.  su
    5.  ​
    6.  #配置/etc/hosts文件，添加所有主机的映射关系
    7.  echo "192.168.41.41 node1" >> /etc/hosts
    8.  echo "192.168.41.42 node2" >> /etc/hosts
    9.  echo "192.168.41.43 node3" >> /etc/hosts
    10.  echo "192.168.41.44 node4" >> /etc/hosts

    4）安装、启动GlusterFS

    1. #将gfsrepo 软件上传到/opt目录下
    2.  cd /etc/yum.repos.d/
    3.  mkdir repo.bak
    4.  mv *.repo repo.bak
    5.  ​
    6.  vim glfs.repo
    7.  [glfs]
    8.  name=glfs
    9.  baseurl=file:///opt/gfsrepo
    10.  gpgcheck=0
    11.  enabled=1
    12.  ​
    13.  yum clean all && yum makecache
    14.  ​
    15.  #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
    16.  yum -y install glusterfs glusterfs-server glusterfs-fuse glusterfs-rdma
    17.  ​
    18.  systemctl start glusterd.service 
    19.  systemctl enable glusterd.service
    20.  systemctl status glusterd.service

    5）添加节点到存储信任池中（在 node1 节点上操作）

    添加集群信任池，node1-node4 之间添加互信关系。将其他节点加入到我的存储池中。只要在一台Node节点上添加其它节点即可。

    1. #只要在一台Node节点上添加其它节点即可
    2.  gluster peer probe node1
    3.  gluster peer probe node2
    4.  gluster peer probe node3
    5.  gluster peer probe node4
    6.  ​
    7.  #在每个Node节点上查看群集状态
    8.  gluster peer status

    3.2 创建卷

     1）node1 - node4，/dev/sdb1，分布式卷

    1. #创建分布式卷
    2.  gluster volume create dis-volume node1:/data/sdb1 node2:/data/sdb1 node3:/data/sdb1  node4:/data/sdb1 force
    3.  ​
    4.  #查看卷列表
    5.  gluster volume list
    6.  ​
    7.  #启动新建的分布式卷
    8.  gluster volume start dis-volume
    9.  ​
    10.  #查看卷信息
    11.  gluster volume info dis-volume

    2）node1 - node2，/dev/sdc1，条带卷

    条带数要等于brick数量。

    1. #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
    2.  gluster volume create stripe-volume stripe 2 node1:/data/sdc1 node2:/data/sdc1 force
    3.  ​
    4.  gluster volume start stripe-volume
    5.  gluster volume info stripe-volume

    3）node3 - node4，/dev/sdc1，复制卷

    复制数等于brick数量。

    1.  #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
    2.  gluster volume create rep-volume replica 2 node3:/data/sdb1 node4:/data/sdb1 force
    3.  ​
    4.  gluster volume start rep-volume
    5.  gluster volume info rep-volume

    4）node1 - node4，/dev/sdd1，分布式条带卷

    brick数量必须是条带的2倍及以上

    1. #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
    2.  gluster volume create dis-stripe stripe 2 node1:/data/sdd1 node2:/data/sdd1 node3:/data/sdd1 node4:/data/sdd1 force
    3.  gluster volume start dis-stripe
    4.  gluster volume info dis-stripe

    5）node1 - node4，/dev/sde1 分布式复制卷

    brick数量必须是复制数的2倍及以上。

    1. #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
    2.  gluster volume create dis-rep replica 2 node1:/data/sde1 node2:/data/sde1 node3:/data/sde1 node4:/data/sde1 force
    3.  gluster volume start dis-rep
    4.  gluster volume info dis-rep 
    5.  ​
    6.  #查看当前所有卷的列表
    7.  gluster volume list

    3.3 部署 Gluster 客户端

    1）安装客户端软件

    1. #将gfsrepo 软件上传到/opt目下 
    2.  cd /etc/yum.repos.d/
    3.  mkdir repo.bak
    4.  mv *.repo repo.bak
    5.  ​
    6.  vim glfs.repo
    7.  [glfs]
    8.  name=glfs
    9.  baseurl=file:///opt/gfsrepo
    10.  gpgcheck=0
    11.  enabled=1
    12.  ​
    13.  yum clean all && yum makecache
    14.  ​
    15.  yum -y install glusterfs glusterfs-fuse

    2）配置 /etc/hosts 文件

    1. echo "192.168.41.41 node1" >> /etc/hosts
    2.  echo "192.168.41.42 node2" >> /etc/hosts
    3.  echo "192.168.41.43 node3" >> /etc/hosts
    4.  echo "192.168.41.44 node4" >> /etc/hosts

    3）创建挂载目录

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

    4）挂载 Gluster 文件系统

    1. #临时挂载
    2.  mount.glusterfs node1:dis-volume /test/dis
    3.  mount.glusterfs node1:stripe-volume /test/stripe
    4.  mount.glusterfs node1:rep-volume /test/rep
    5.  mount.glusterfs node1:dis-stripe /test/dis_stripe
    6.  mount.glusterfs node1:dis-rep /test/dis_rep
    7.  ​
    8.  df -Th
    9.  ​
    10.  #永久挂载
    11.  vim /etc/fstab
    12.  node1:dis-volume        /test/dis               glusterfs       defaults,_netdev        0 0
    13.  node1:stripe-volume     /test/stripe            glusterfs       defaults,_netdev        0 0
    14.  node1:rep-volume        /test/rep               glusterfs       defaults,_netdev        0 0
    15.  node1:dis-stripe        /test/dis_stripe        glusterfs       defaults,_netdev        0 0
    16.  node1:dis-rep           /test/dis_rep           glusterfs       defaults,_netdev        0 0
    1. 1.查看GlusterFs卷
    2.  gluster volume list
    3.  ​
    4.  2.查看所有卷的信息
    5.  gluster volume info
    6.  ​
    7.  3.查看所有卷的状态
    8.  gluster volume status
    9.  ​
    10.  4.停止一个卷
    11.  gluster volume stop dis-stripe
    12.  ​
    13.  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
    14.  gluster volume delete dis-stripe
    15.  ​
    16.  6.设置卷的访问控制
    17.  #仅拒绝
    18.  gluster volume set dis-rep auth.deny 192.168.41.46
    19.  ​
    20.  #仅允许
    21.  gluster volume set dis-rep auth.allow 192.168.41.*   
    22.  #设置192.168.41.0网段的所有IP地址都能访问dis-rep卷(分布式复制卷)

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