GlusterFS（GFS）分布式文件系统

一、GlusterFS的概述：

GlusterFS 是一个开源的分布式文件系统。

只在扩展存储容器，提高性能

并且通过多个互联网络的存储节点的进行几余，以确保数据的可用性和一致性

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。

GFS由三个组件组成：
①存储服务器（Brick Server）
② 客户端（不在本地）（且有客户端，也会有服务端，这点类似于 NFS，但是更为复杂）
③ 存储网关（NFS/Samaba）（无元数据服务器：就是保存数据的地方）

二、GlusterFS的特点：

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。

三、GlusterFS 术语：

1.Brick（存储块）：

实际存储用户数据的服务器

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：192.168.91.100:/data/mydir/

2.Volume（逻辑卷）:

本地文件系统的"分区”

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

3.3 FUSE：

用户空间的文件系统

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

用户空间的文件系统(类比EXT4)，“这是一个伪文件系统”;以本地文件系统为例，用户想要读写一个文件，会借助于EXT4文件系统，然后把数据写在磁盘上；而如果是远端的GFS，客户端的请求则应该交给FUSE(为文件系统)，就可以实现跨界点存储在GFS上

3.4 VFS（虚拟端口）：

内核态的虚拟文件系统

内核空间对用户空间提供的访问磁盘的接口，用户是先提交请求交给VFS然后VFS交给FUSE，再交给GFS客户端，最后由客户端交给远端的存储

3.5 Glusterd（后台管理进程）：

运行在存储节点的进程

在存储群集中的每个节点上都要运行，允许在存储节点的进程

四、GlusterFS 的工作流程：

客户端或应用程序通过 GlusterFS 的挂载点访问数据。
linux系统内核通过 VFS API 收到请求并处理。
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。
GlusterFS client 收到数据后，client 根据配置文件的配置对数据进行处理。
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。

数据流向：

①mysql服务器——>存储数据到挂载目录中/data

②mysql数据会优先交给内核的文件系统处理——>GFS客户端处理（本地）

③GFS客户端会和GFS服务端进行交互，GFS服务端接收到数据，然后再通过挂载的卷的类型，对应保存在后端block块节点服务器上

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 应用器——>存储数据到挂载目录中/data

五、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。

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。

六、GlusterFS的卷类型：

GlusterFS支持7种卷（前5种使用的多）

分布式卷：提高存储容量和扩展性，但不提供冗余保护
条带卷：提高读写性能，但不提供冗余保护
复制卷：提供冗余保护，但会降低存储容量和扩展性
分布式条带卷：提供读写性能和扩展性
分布式复制卷：提供几余保护和扩展性
条带复制卷
分布式条带复制卷

1.分布式卷（Distribute volume）：

文件通过HAS日算法分布到所有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RAIDO，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。

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。

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。

创建分布式卷：

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:/dirl server2:/dir2 server3:/dir3

2、条带卷（Stripe volume）：

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

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：

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:/dirl server2:/dir2

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RAID1，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：

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：/dirl和Server2：/dir2两个Brick中

gluster volume create rep-volume replica 2 transport tcp serverl:/dirl server2:/dir2

4、分布式条带卷（Distribute Stripe volume）：

兼顾分布式卷和条带卷的功能
主要用于大文件访问处理
至少最少需要4台服务器

创建分布式条带卷：

创建了名为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）

gluster volume create dis-stripe stripe 2 transport tcp server1:/dir1 server2:/dir2 server3:/dir3 server4:/dir4

5、分布式复制卷（Distribute Replica volume）：

兼顾分布式卷和复制卷的功能
用于需要冗余的情况

创建分布式复制卷：

创建名为dis-rep的分布式条带卷，配置分布式复制卷时，卷中Brick所包含的存储服务器数必须是条带数的倍数（>=2倍）

gluster volume create dis-rep replica 2 transport tcp server1:/dir1 server2:/dir2 server3:/dir3 server4:/dir4

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。