Web集群实现共享存储的架构演变及MogileFS-阿里云开发者社区

本篇博客从Web集群中亟需解决的大容量存储问题引入，分析了几类常用的共享存储架构，重点解析了分布式存储系统的原理及配置实现；

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1 共享存储的架构演变

2 分布式存储系统

2.1 基础知识

2.2 分类

2.3 CAP理论

2.4 协议

3 MogileFS

3.1 特性

3.2 架构

3.3 组成

3.4 服务安装及启动

3.5 配置部署

3.6 配置前端代理Nginx

3.7 访问验证

3.8 后续扩展

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1 共享存储的架构演变

rsync+inotify：本地各保留一份完整数据，但通过rsync实时同步修改文件，双主模型哦
NFS：多节点挂载后性能下降严重；存在单点故障，且多个客户端并发修改同一个文件时可能出现不一致的情况；
SAN：存储区域网络，不适用于海量高并发的存储场景，且代价昂贵；可通过软件实现iSCSI存储网络；涉及GFS2/CLVM(LVM2)
MooseFS：分布式文件系统，适用于海量小文件存储；支持FUSE，可被挂载使用；
MogileFS：分布式存储系统，适用于海量小文件存储；不支持FUSE，只能通过API调用；

2 分布式存储系统

2.1 基础知识

定义：分布式存储系统是大量普通PC服务器通过Internet互联，对外作为一个整体提供存储服务

特性：

可扩展：分布式存储系统可以扩展到几百台至几千台的集群规模，且随着集群规模的增长，系统整体性能表现为线性增长；
低成本：分布式存储系统的自动容错、自动负载均衡机制使其可以构建在普通PC机之上；另外，线性扩展能力也使得增加、减少机器非常方便，可以实现自动运维；
高性能：无论是针对整个集群还是单台服务器，都要求分布式系统具备高性能；
易用：分布式存储系统需要能够提供易用的对外接口；另外，也要求具备完善的监控、运维工具，并能方便的与其他系统集成，如从Hadoop云计算系统导入数据；

挑战：在于数据、状态信息的持久化，要求在自动迁移、自动容错、并发读写的过程中保证数据的一致性；

2.2 分类

数据类型大致可分为非结构化数据(如文本、图片、视频等)，结构化数据(一般存储在关系型数据库中)，半结构化数据(如HTML文档)；根据处理不同类型数据的需求，分布式存储系统可分为如下4类：

分布式文件系统：用于存储Blob对象，如图片、视频等，这类数据以对象的形式组织，对象之间没有关联；如GFS，MogileFS等；
分布式键值系统：用于存储关系简单的半结构化数据，它只提供基于主键的CRUD(Create/Read/Update/Delete)功能；如Memcache，Redis等；
分布式表格系统：用于存储关系较为复杂的半结构化数据，不仅支持简单的CRUD操作，还支持扫描某个主键范围；如Google Bigtable、Megastore；
分布式数据库：用于存储结构化数据，利用二维表格组织数据；如MySQL Sharding集群，Google Spanner等；

2.3 CAP理论

来自Berkerly的Eric Brewer教授提出了一个著名的CAP理论：一致性(Consistency)，可用性(Availability)和分区容忍性(Tolerance of network Partition)三者不能同时满足：

C：读操作总是能读取到之前完成的写操作结果，满足这个条件的系统成为强一致系统，这里的“之前”一般对同一个客户端而言；
A：读写操作在单台机器发生故障的情况下依然能够正常执行，而不需要等待发生故障的机器重启或者其上的服务迁移到其他机器；
P：机器故障、网络故障、机房停电等异常情况下仍然能够满足一致性和可用性；

分布式存储系统要求能够自动容错，即分区可容忍性总是需要满足的，因此，一致性和写操作的可用性就不能同时满足了，需要在这二者间权衡，是选择不允许丢失数据，保持强一致，还是允许少量数据丢失以获得更好的可用性；

2.4 协议

分布式协议涉及的协议很多，例如租约，复制协议，一致性协议，其中以两阶段提交协议和Paxos协议最具有代表性；

两阶段提交协议(Two-phase Commit，2PC)用以保证跨多个节点操作的原子性，即跨多个节点的操作要么在所有节点上全部执行成功，要么全部失败；

两个阶段的执行过程如下：

阶段一：请求阶段(Prepare phase)，在请求阶段，协调者通知事务参与者准备提交或者取消事务，然后进入表决过程；
阶段二：提交阶段(Commit phase)；

Paxos协议用于确保多个节点对某个投票(例如哪个节点为主节点)达成一致；

3 MogileFS

3.1 特性

工作于应用层：无需特殊的核心组件；
无单点：三大组件(tracker，mogstore，database)皆可实现高可用；
自动文件复制：复制的最小单位不是文件，而是class；基于不同的class，文件可以被自动的复制到多个有足够存储空间的存储节点上；
传输中立，无特殊协议：可以通过NFS或HTTP协议进行通信；
简单的命名空间：文件通过一个给定的key来确定，是一个全局的命名空间；没有目录，基于域实现文件隔离；
不共享数据：无需通过昂贵的SAN来共享磁盘，每个存储节点只需维护自己所属的存储设备(device)即可；

3.2 架构

Tracker：MogileFS的核心，是一个调度器；服务进程为mogilefsd；可以做负载均衡调度；

主要职责有：
数据删除；
数据复制；
监控：故障后生成新的数据副本；
查询；

Database：Tracker访问Database，返回用户可用的Storage Node及文件的存放位置；

mogstored：数据存储的位置，通常是一个HTTP(WebDAV)服务器，用于数据的创建、删除、获取等；不可做负载均衡调度；

3.3 组成

MogileFS由3个部分组成：

server：主要包括mogilefsd和mogstored两个应用程序。

mogilefsd实现的是tracker，它通过数据库来保存元数据信息，包括站点domain、class、host等；
mogstored是存储节点(store node)，它其实是个WebDAV服务，默认监听在7500端口，接受客户端的文件存储请求。

Utils（工具集）：主要是MogileFS的一些管理工具，例如mogadm等；

在MogileFS安装完后，要运行mogadm工具将所有的store node注册到mogilefsd的数据库里，mogilefsd会对这些节点进行管理和监控；

客户端API：MogileFS的客户端API很多，例如Perl、PHP、Java、Python等，用这个模块可以编写客户端程序，实现文件的备份管理功能等；

3.4 服务安装及启动

基本架构(在LNMT架构的基础上改进)

服务器规划

服务安装及启动

数据库授权

MariaDB [(none)]> grant all on *.* to 'root'@'192.168.%.%' identified by 'magedu';
Query OK, 0 rows affected (0.01 sec)

MariaDB [(none)]> grant all on mogdb.* to 'moguser'@'192.168.%.%' identified by 'mogpass';
Query OK, 0 rows affected (0.02 sec)
MariaDB [(none)]> flush privileges;
Query OK, 0 rows affected (0.00 sec)
MariaDB [(none)]>

grant all on *.* to 'root'@'192.168.%.%' identified by 'magedu';

grant all on mogdb.* to 'moguser'@'192.168.%.%' identified by 'mogpass';
flush privileges;

主机192.168.0.45(mogilefs+mogilestored)

# 所需程序包

[root@mysql mogilefs]# ls
MogileFS-Server-2.46-2.el6.noarch.rpm            perl-MogileFS-Client-1.14-1.el6.noarch.rpm
MogileFS-Server-mogilefsd-2.46-2.el6.noarch.rpm  perl-Net-Netmask-1.9015-8.el6.noarch.rpm
MogileFS-Server-mogstored-2.46-2.el6.noarch.rpm  perl-Perlbal-1.78-1.el6.noarch.rpm
MogileFS-Utils-2.19-1.el6.noarch.rpm

[root@mysql mogilefs]# yum install -y *.rpm perl-IO-AIO
# 修改配置文件

[root@mysql mogdata]# vi /etc/mogilefs/mogilefsd.conf # 调度器tracker的配置文件

    # Enable daemon mode to work in background and use syslog 

    daemonize = 1

    # Where to store the pid of the daemon (must be the same in the init script)

    pidfile = /var/run/mogilefsd/mogilefsd.pid

    # Database connection information

    db_dsn = DBI:mysql:mogdb:host=192.168.0.45:3406    # 存储元数据的数据库信息，包括数据库mogdb及连接地址192.168.0.45:3406

    db_user = moguser     # 数据库用户名

    db_pass = mogpass     # 数据库登录密码

    # IP:PORT to listen on for mogilefs client requests

    listen = 192.168.0.45:7001

[root@mysql mogdata]# vi /etc/mogilefs/mogstored.conf # 存储节点mogstored的配置文件

    maxconns = 10000     # 最大连接数

    httplisten = 0.0.0.0:7500 # http请求监听的地址和端口

    mgmtlisten = 0.0.0.0:7501

    docroot = /var/mogdata # 存储设备挂载目录，可修改
# 准备存储设备

[root@mysql mogdata]# fdisk /dev/sda # 新建分区sda4，大小10G(实际生产环境中，此为整块磁盘，而非分区)

[root@mysql mogdata]# kpartx -af /dev/sda

[root@mysql mogdata]# partx -a /dev/sda

[root@mysql mogdata]# cat /proc/partitions # 验证分区已创建成功

[root@mysql mogdata]# mke2fs -t ext4 /dev/sda4 # 初始化分区

[root@mysql mogdata]# mkdir /var/mogdata

[root@mysql mogdata]# mount -t ext4 /dev/sda4 /var/mogdata/ # 挂载分区

[root@mysql mogdata]# mkdir /var/mogdata/dev1 # 创建存储设备dev1(注：在192.168.0.46上，此为dev2)

[root@mysql mogdata]# chown -R mogilefs.mogilefs /var/mogdata/
# 初始化数据库

[root@mysql mogdata]# mogdbsetup --dbhost=192.168.0.45 --dbport=3406 --dbrootuser=root --dbrootpass=magedu --dbuser=moguser --dbpass=mogpass --dbname=mogdb --yes
# 初始化数据库执行一次即可，故在主机192.168.0.46上无需执行此步骤
# 启动服务

[root@mysql mogilefs]# service mogilefsd start
Starting mogilefsd                                         [  OK  ]

[root@mysql mogilefs]# service mogstored start
Starting mogstored                                         [  OK  ]

主机192.168.0.46(mogilefs+mogilestored)

同上，直至mogilefsd和mogstored服务都正常启动

3.5 配置部署(任意一个tracker节点上配置即可，如192.168.0.45)

添加节点

[root@mysql mogdata]# echo "trackers = 192.168.0.45:7001" > /etc/mogilefs/mogilefs.conf # 管理程序mogadm的配置文件

[root@mysql mogdata]# mogadm host add 192.168.0.45 --ip=192.168.0.45 --status=alive # 添加节点1

[root@mysql mogdata]# mogadm host add 192.168.0.46 --ip=192.168.0.46 --status=alive # 添加节点2

[root@mysql mogilefs]# mogadm host list # 查看已添加节点
192.168.0.45 [1]: alive

  IP:       192.168.0.45:7500
192.168.0.46 [2]: alive

  IP:       192.168.0.46:7500

添加设备

[root@mysql mogdata]# mogadm device add 192.168.0.45 1 # 添加存储设备1，设备编号需与/var/mogdata目录下的dev1目录保持一致

[root@mysql mogdata]# mogadm device add 192.168.0.46 2 # 添加存储设备2，设备编号需与/var/mogdata目录下的dev2目录保持一致

[root@mysql mogdata]# mogadm device list # 查看已添加设备
192.168.0.45 [1]: alive

                    used(G)    free(G)   total(G)  weight(%)

   dev1:   alive      0.146      9.200      9.347        100
192.168.0.46 [2]: alive

                    used(G)    free(G)   total(G)  weight(%)

   dev2:   alive      0.146      9.199      9.346        100

添加domain(域)

[root@mysql mogdata]# mogadm domain add images

[root@mysql mogdata]# mogadm domain add text

[root@mysql mogdata]# mogadm domain list

 domain               class                mindevcount   replpolicy   hashtype
-------------------- -------------------- ------------- ------------ -------

 images               default                   2        MultipleHosts() NONE

 text                 default                   2        MultipleHosts() NONE

添加class(文件类别)

[root@mysql mogdata]# mogadm class add images class1 --mindevcount=2 # 在域images中添加类别class1和class2，最小文件复制份数为2

[root@mysql mogdata]# mogadm class add images class2 --mindevcount=2

[root@mysql mogdata]# mogadm class add text class1 --mindevcount=2 # 在域text中添加类别class1和class2，最小文件复制份数为2

[root@mysql mogdata]# mogadm class add text class2 --mindevcount=2

[root@mysql mogdata]# mogadm class list

 domain               class                mindevcount   replpolicy   hashtype
-------------------- -------------------- ------------- ------------ -------

 images               class1                    2        MultipleHosts() NONE

 images               class2                    2        MultipleHosts() NONE

 images               default                   2        MultipleHosts() NONE

 text                 class1                    2        MultipleHosts() NONE

 text                 class2                    2        MultipleHosts() NONE

 text                 default                   2        MultipleHosts() NONE

3.6 配置前端代理Nginx

重新编译安装nginx，添加nginx-mogilefs-module-master模块

[root@nginx1 tar]# cd /home/software/src/nginx-1.4.7/

[root@nginx1 nginx-1.4.7]# ./configure \

>   --prefix=/usr \

>   --sbin-path=/usr/sbin/nginx \

>   --conf-path=/etc/nginx/nginx.conf \

>   --error-log-path=/var/log/nginx/error.log \

>   --http-log-path=/var/log/nginx/access.log \

>   --pid-path=/var/run/nginx/nginx.pid  \

>   --lock-path=/var/lock/nginx.lock \
>   --user=nginx \
>   --group=nginx \
>   --with-http_ssl_module \
>   --with-http_flv_module \
>   --with-http_stub_status_module \
>   --with-http_gzip_static_module \

>   --http-client-body-temp-path=/var/tmp/nginx/client/ \

>   --http-proxy-temp-path=/var/tmp/nginx/proxy/ \

>   --http-fastcgi-temp-path=/var/tmp/nginx/fcgi/ \

>   --http-uwsgi-temp-path=/var/tmp/nginx/uwsgi \

>   --http-scgi-temp-path=/var/tmp/nginx/scgi \
>   --with-pcre \
>   --with-debug \

>   --add-module=/home/software/tar/nginx-mogilefs-module-master

[root@nginx1 nginx-1.4.7]# make && make install

配置Nginx，将静态文件和图片的访问都转发至后端MogileFS即可

[root@nginx1 nginx]# cat /etc/nginx/nginx.conf
worker_processes  2;

error_log  /var/log/nginx/nginx.error.log;

pid        /var/run/nginx.pid;
events {

    worker_connections  1024;
}
http {

    include       mime.types;

    default_type  application/octet-stream;

    log_format  main  '$remote_addr - $remote_user [$time_local] "$request" '

                      '$status $body_bytes_sent "$http_referer" '

                      '"$http_user_agent" "$http_x_forwarded_for"';

    sendfile        on;

    keepalive_timeout  65;

    fastcgi_cache_path /www/cache levels=1:2 keys_zone=fcgicache:10m inactive=5m;

    upstream mogfs_cluster { # 定义后端mogilefs集群

        server 192.168.0.45:7001;

        server 192.168.0.46:7001;

    }

    server {

        listen       4040;

        server_name  xxrenzhe.lnmmp.com;

        access_log  /var/log/nginx/nginx-img.access.log  main;

        root /www/lnmmp.com;

        valid_referers none blocked xxrenzhe.lnmmp.com *.lnmmp.com;

        if ($invalid_referer) {

            rewrite ^/ http://xxrenzhe.lnmmp.com/404.html

        }

        location ~* ^(/images/.*)$ {    # 图片访问直接转发至后端mogilefs集群

            mogilefs_tracker mogfs_cluster;

            mogilefs_domain images;    # 指定images域

            mogilefs_noverify on;

            mogilefs_pass $1 {    # 传输访问的全路径(/images/.*)

                proxy_pass $mogilefs_path;

                proxy_hide_header Content=Type;

                proxy_buffering off;

            }

        }

    }

    server {

        listen       80;

        server_name  xxrenzhe.lnmmp.com;

        access_log  /var/log/nginx/nginx-static.access.log  main;

        location / {

            root   /www/lnmmp.com;

            index  index.php index.html index.htm;

        }

        location ~* ^(/text/.*)$ {    # 文本访问直接转发至后端mogilefs集群

            mogilefs_tracker mogfs_cluster;

            mogilefs_domain text;    # 指定text域

            mogilefs_noverify on;

            mogilefs_pass $1 {    # 传输访问的全路径(/text/.*)

               proxy_pass $mogilefs_path;

               proxy_hide_header Content=Type;

               proxy_buffering off;

            }

        }

        gzip on;

        gzip_comp_level 6;

        gzip_buffers 16 8k;

        gzip_http_version 1.1;

        gzip_types text/plain text/css application/x-javascript text/xml application/xml;

        gzip_disable msie6;

    }

    server {

        listen       8080;

        server_name  xxrenzhe.lnmmp.com;

        access_log  /var/log/nginx/nginx-php.access.log  main;

        location / {

            root   /www/lnmmp.com;

            index  index.php index.html index.htm;

        }

        error_page  404              /404.html;

        error_page  500 502 503 504  /50x.html;

        location = /50x.html {

            root   /www/lnmmp.com;

        }

        location ~ \.php$ {

            root           /www/lnmmp.com;

            fastcgi_pass   127.0.0.1:9000;

          fastcgi_cache  fcgicache;

          fastcgi_cache_valid 200 302 1h;

          fastcgi_cache_valid 301 1d;

          fastcgi_cache_valid any 1m;

          fastcgi_cache_min_uses 1;

          fastcgi_cache_key $request_method://$host$request_uri;

          fastcgi_cache_use_stale error timeout invalid_header http_500;

            fastcgi_index  index.php;

            fastcgi_param  SCRIPT_FILENAME  $document_root$fastcgi_script_name;

            include        fastcgi_params;

        }

    }
}

启动nginx服务

[root@nginx1 nginx]# service nginx start
Starting nginx:                                            [  OK  ]

3.7 访问验证

上传文件测试分布式文件系统MogileFS的功能

[root@mysql mogdata]# mogupload --domain=images --key='/images/fish.jpg' --file="/images/fish.jpg" # 上传图片文件，选择images域

[root@mysql mogdata]# mogupload --domain=text --key='/text/index.html' --file="/text/index.html" # 上传文本文件，选择text域

[root@mysql mogdata]# moglistkeys --domain=images # 列出已添加的key

/images/fish.jpg

[root@mysql mogdata]# moglistkeys --domain=text

/text/index.html

[root@mysql mogdata]# mogfileinfo --domain=images --key='/images/fish.jpg' # 查看已添加文件的具体信息，包括实际可访问地址

- file: /images/fish.jpg

     class:              default

  devcount:                    2

    domain:               images

       fid:                    9

       key:     /images/fish.jpg

    length:                 3225

 - http://192.168.0.45:7500/dev1/0/000/000/0000000009.fid

 - http://192.168.0.46:7500/dev2/0/000/000/0000000009.fid

[root@mysql mogdata]# mogfileinfo --domain=text --key='/text/index.html'

- file: /text/index.html

     class:              default

  devcount:                    2

    domain:                 text

       fid:                    8

       key:     /text/index.html

    length:                   15

 - http://192.168.0.46:7500/dev2/0/000/000/0000000008.fid

 - http://192.168.0.45:7500/dev1/0/000/000/0000000008.fid