1.分布式文件系统基本概念

1.1 文件系统

要理解分布式文件系统首先了解什么是文件系统：

文件系统是操作系统用于明确存储设备(常见的是磁盘,也有基于NAND Flash的固态硬盘)或分区上的文件的方法和数据结构;即在存储设备上组织文件的方法。操作系统中负责管理和存储文件信息的软件机构称为文件管理系统，简称文件系统。文件系统由三部分组成:文件系统的接口，对对象操纵和管理的软件集合,对象及属性。从系统角度来看,文件系统是对文件存储设备的空间进行组织和分配，负责文件存储并对存入的文件进行保护和检索的系统。具体地说，它负责为用户建立文件,存入、读出、修改、转储文件,控制文件的存取,当用户不再使用时撤销文件等。

文件系统是负责管理和存储文件的系统软件，操作系统通过文件系统提供的接口去存取文件，用户通过操作系统访问磁盘上的文件。

下图指示了文件系统所处的位置：

常见的文件系统：FAT16/FAT32、NTFS、HFS、UFS、APFS、XFS、Ext4等 。

1.2 分布式文件系统

现在有个问题，一此短视频平台拥有大量的视频、图片，这些视频文件、图片文件该如何存储呢？如何存储可以满足互联网上海量用户的浏览。

今天讲的分布式文件系统就是海量用户查阅海量文件的方案。

我们阅读百度百科去理解分布式文件系统的定义：

分布式文件系统(Distributed File System, DFS) 指文件系统管理的物理存储资源不-定直接连接在本地节点上，而是通过计算机网络与节点(可简单的理解为一台计算机) 相连;或是若干不同的逻辑磁盘分区或卷标组合在-起而形成的完整的有层次的文件系统。DFS为分布在网络上任意位置的资源提供一个逻辑 上的树形文件系统结构,从而使用户访问分布在网络上的共享文件更加简便。单独的DFS共享文件夹的作用是相对于通过网络上的其他共享文件夹的访问点 。

通过概念可以简单理解为：一个计算机无法存储海量的文件，通过网络将若干计算机组织起来共同去存储海量的文件，去接收海量用户的请求，这些组织起来的计算机通过网络进行通信，如下图：

好处：

1. 一台计算机的文件系统处理能力扩充到多台计算机同时处理。
2. 一台计算机挂了还有另外副本计算机提供数据。
3. 每台计算机可以放在不同的地域，这样用户就可以就近访问，提高访问速度。

1.3 分布式文件系统的产品

1.3.1 NFS

网络文件系统(NFS) 文件系统之上的一个网络抽象,就许远程客户端以与本地文件系统类似的方式，来通过网络进行访问。虽然NFS不是第一个此类系统, 但是它已经发展并演变成UNIX系统中最强大最广泛使用的网络文件系统。NFS 允许在多个用户之间共享公共文件系统,并提供数据集中的优势,来最小化所需的存储空间。

特点：

1. 在客户端上映射NFS服务器的驱动器。
2. 客户端通过网络访问NFS服务器的硬盘完全透明。

1.3.2 GFS

GFS（googleFs）是一个可扩展的分布式文件系统,用于大型的、分布式的、对大量数据进行访问的应用。它运行于廉价的普通硬件上,可以提供容错功能。它可以给大量的用户提供总体性能较高的服务。

1. GFS采用主从结构，一个GFS集群由一个master和大量的chunkserver组成。
2. master存储了数据文件的元数据，一个文件被分成了若干块存储在多个chunkserver中。
3. 用户从master中获取数据元信息，向chunkserver存储数据。

1.3.3 HDFS

HDFS，是Hadoop Distributed File System的简称，是Hadoop抽象文件系统的一种实现。HDFS是一个高度容错性的系统，适合部署在廉价的机器上。HDFS能提供高吞吐量的数据访问，非常适合大规模数据集上的应用。 HDFS的文件分布在集群机器上，同时提供副本进行容错及可靠性保证。例如客户端写入读取文件的直接操作都是分布在集群各个机器上的，没有单点性能压力。

1. HDFS采用主从结构，一个HDFS集群由一个名称结点和若干数据结点组成。
2. 名称结点存储数据的元信息，一个完整的数据文件分成若干块存储在数据结点。
3. 客户端从名称结点获取数据的元信息及数据分块的信息，得到信息客户端即可从数据块来存取数据。

1.3.4 云计算厂家

阿里云对象存储服务(Object Storage Service,简称OSS)，是阿里 云提供的海量、安全、低成本、高可靠的云存储服务。其数据设计持久性不低于

99.999999999% (12 个9)，服务设计可用性(或业务连续性)不低于99.995%。

官方网站: https://www.aliyun.com/product/oss

百度对象存储BOS提供稳定、安全、高效、高可扩展的云存储服务。您可以将任意数量和形式的非结构化数据存入BOS,并对数据进行管 理和处理。BOS支持标准、 低频、冷和归档存储等多种存储类型，满足多场景的存储需求。

官方网站: https://cloud.baidu.com/productbos.html

2.minio概念与应用场景

互联网海量非结构化数据的存储需求

• 电商网站：海量商品图片
• 视频网站：海量视频文件
• 网盘 : 海量文件
• 社交网站：海量图片

2.1 Minio介绍

MinIO 是一个基于Apache License v2.0开源协议的对象存储服务。它兼容亚马逊S3云存储服务接口，非常适合于存储大容量非结构化的数据，例如图片、视频、日志文件、备份数据和容器/虚拟机镜像等，而一个对象文件可以是任意大小，从几kb到最大5T不等。MinIO是一个非常轻量的服务,可以很简单的和其他应用的结合，类似 NodeJS, Redis 或者 MySQL。

🏠 英文官网：https://min.io/

🏠 中文网站：http://www.minio.org.cn/

对象存储服务（Object Storage Service，OSS）是一种海量、安全、低成本、高可靠的云存储服务，适合存放任意类型的文件。容量和处理能力弹性扩展，多种存储类型供选择，全面优化存储成本。

对于中小型企业，如果不选择存储上云，那么 Minio 是个不错的选择，麻雀虽小，五脏俱全。当然Minio 除了直接作为对象存储使用，还可以作为云上对象存储服务的网关层，无缝对接到 Amazon S3、MicroSoft Azure。

在中国：阿里巴巴、腾讯、百度、中国联通、华为、中国移动等等9000多家企业也都在使用MinIO产品。

📍 Minio优点：

• 部署简单: 一个single二进制文件即是一切，还可支持各种平台。
  
• minio支持海量存储，可按zone扩展(原zone不受任何影响)，支持单个对象最大5TB。
  
• 兼容Amazon S3接口，充分考虑开发人员的需求和体验。
  
• 低冗余且磁盘损坏高容忍，标准且最高的数据冗余系数为2(即存储一个1M的数据对象，实际占用磁盘空间为2M)。但在任意n/2块disk损坏的情况下依然可以读出数据(n为一个纠删码集合(ErasureCoding Set)中的disk数量)。并且这种损坏恢复是基于单个对象的，而不是基于整个存储卷的。
  
• MinIO集群采用去中心化共享架构，每个结点是对等关系，通过Nginx可对MinIO进行负载均衡访问。

📝 去中心化有什么好处？

在大数据领域，通常的设计理念都是无中心和分布式。Minio分布式模式可以帮助你搭建一个高可用的对象存储服务，你可以使用这些存储设备，而不用考虑其真实物理位置。

它将分布在不同服务器上的多块硬盘组成一个对象存储服务。由于硬盘分布在不同的节点上，分布式Minio避免了单点故障。如下图：

• 读写性能优异。
  

2.2 MinIO的基础概念

2.2.1 Object

存储到 Minio 的基本对象，如文件、字节流，Anything…

2.2.2 Bucket

用来存储 Object 的逻辑空间。每个 Bucket 之间的数据是相互隔离的。对于客户端而言，就相当于一个存放文件的顶层文件夹。

2.2.3 Drive

即存储数据的磁盘，在 MinIO 启动时，以参数的方式传入。Minio 中所有的对象数据都会存储在 Drive 里。

2.2.4 Set

即一组 Drive 的集合，分布式部署根据集群规模自动划分一个或多个 Set ，每个 Set 中的 Drive 分布在不同位置。一个对象存储在一个 Set 上。（For example: {1…64} is divided into 4 sets each of size 16.）

• 一个对象存储在一个Set上
• 一个集群划分为多个Set
• 一个Set包含的Drive数量是固定的，默认由系统根据集群规模自动计算得出
• 一个SET中的Drive尽可能分布在不同的节点上

2.3 纠删码EC（Erasure Code）

MinIO 使用纠删码机制来保证高可靠性，使用 highwayhash 来处理数据损坏（ Bit Rot Protection ）。关于纠删码，简单来说就是可以通过数学计算，把丢失的数据进行还原，它可以将n份原始数据，增加m份数据，并能通过n+m份中的任意n份数据，还原为原始数据。即如果有任意小于等于m份的数据失效，仍然能通过剩下的数据还原出来。

Minio使用纠删码技术来保护数据，它是一种恢复丢失和损坏数据的数学算法，它将数据分块冗余的分散存储在各各节点的磁盘上，所有的可用磁盘组成一个集合，上图由8块硬盘组成一个集合，当上传一个文件时会通过纠删码算法计算对文件进行分块存储，除了将文件本身分成4个数据块，还会生成4个校验块，数据块和校验块会分散的存储在这8块硬盘上。

使用纠删码的好处是即便丢失一半数量（N/2）的硬盘，仍然可以恢复数据。 比如上边集合中有4个以内的硬盘损害仍可保证数据恢复，不影响上传和下载，如果多于一半的硬盘坏了则无法恢复。

2.4 存储形式

文件对象上传到 MinIO ，会在对应的数据存储磁盘中，以 Bucket 名称为目录，文件名称为下一级目录，文件名下是 part.1 和 xl.meta(老版本，最新版本如下图)，前者是编码数据块及检验块，后者是元数据文件。

2.5 存储方案