GFS 分布式文件系统

一   常见的文件存储系统产品或技术

1. 本地文件系统：

• NTFS（Windows NT File System）：微软Windows操作系统使用的文件系统。
• ext4、XFS、Btrfs等：Linux操作系统常用的文件系统。
• APFS（Apple File System）：苹果macOS和iOS使用的文件系统。

2. 网络文件系统：

• NFS（Network File System）：用于在Unix-like系统之间共享文件。
• CIFS（Common Internet File System，也称SMB）：适用于Windows环境的网络文件共享协议。
• FTP（File Transfer Protocol）：早期的文件传输协议，用于在网络上进行文件上传、下载等操作。

3. 分布式文件系统：

• Hadoop HDFS（Hadoop Distributed File System）：大数据处理框架Hadoop的核心组件，设计用于大规模数据存储和批处理。
• GlusterFS：开源的分布式文件系统，适用于大规模、弹性云存储环境。
• CephFS：基于Ceph存储平台的分布式文件系统，提供统一的块、对象、文件存储服务。

二     常见的对象存储服务或产品

1. 公有云对象存储服务：

• Amazon S3（Simple Storage Service）：亚马逊云科技提供的对象存储服务。通过url 进行链接 存储数据的
• Microsoft Azure Blob Storage：微软Azure云平台的对象存储服务。
• Google Cloud Storage：谷歌云平台的对象存储解决方案。
• 阿里云OSS（Object Storage Service）：阿里巴巴集团提供的对象存储服务。通过url 进行链接 存储数据的
• 腾讯云COS（Cloud Object Storage）：腾讯云提供的对象存储服务。

2. 开源及企业级对象存储软件：

• OpenStack Swift：开源的分布式对象存储系统，常用于搭建私有云存储。
• Ceph RGW（Rados Gateway）：Ceph项目提供的对象存储接口，与Ceph存储集群无缝集成。
• MinIO：开源、兼容S3接口的对象存储服务器，适用于私有云和边缘计算场景。
• IBM Cloud Object Storage：IBM提供的企业级对象存储解决方案。

三       GlusterFS简介

1，gfs 的组成

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。

 

2，gfs 与传统的分布式文件系统区别

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

3.1 扩展性和高性能 （实际上 就是分布式的特点 ）

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。

 

3.2 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。

 

3.3 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。

 

3.4 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

3.5 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。

 

四        GlusterFS 术语

1，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 192.168.80.10:/data/mydir/。

每个brick 相当于单独的服务器

2，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。

 

3，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

 

4，VFS

内核空间对用户空间提供的访问磁盘的接口。   虚拟端口

 

5，Glusterd（后台管理进程）

在存储群集中的每个节点上都要运行。

五     模块化堆栈式架构

1，架构图

2，文字描述

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。

 

六    GlusterFS 的工作流程

1，架构图

/dev/fuse    理解为      缓冲区 （内存） 虚拟设备

poll             理解为         指针

下面内核 态

上面是用户态

2， 文字描述

（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。

 

七      弹性 HASH 算法

1，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。

2，架构图

3，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。

 

八      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）

1.1  分布式卷是什么

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。

 

1.2 分布式卷示例原理

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。

 

1.3 分布式卷 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。

 

1.4 分布式卷 的命令

#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

 

1.5  分布式卷 架构图

2，条带卷（Stripe volume）

2.1 条带卷是什么

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。

 

2.2 示例原理

#示例原理：

File 被分割为 6 段，1、3、5 放在 Server1，2、4、6 放在 Server2。

 

2.3 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。

 

2.4 命令

#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

 

2.5 架构图

3， 复制卷（Replica volume）

3.1 是什么

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。

 

3.2 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。

3.3 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。

 

3.4 命令

#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

 

3.5 架构图

4，分布式条带卷（Distribute Stripe volume）

4.1 是什么

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。

 

4.2 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。

 

4.3 命令

#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。

4.4 架构图

5，分布式复制卷（Distribute Replica volume）

5.1 是什么

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。

5.2 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。

 

5.3 命令

#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

 

5.4 架构图

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。