GFS分布式文件系统

一、GlusterFS

1、 GlusterFS 简介

GlusterFS 是一个开源的分布式文件系统，主要由存储服务器（BrickServer）、客

户端及 NFS/Samba 存储网关（可选， 根据需要选择使用）组成。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。

与传统分布式相比的优点

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非常高，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 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 支持 TCP/IP 和 InfiniBandRDMA 高速网络

互联，客户端可通过原生 GlusterFS 协议访问数据，其他没有运行 GlusterFS 客户

端 的终端可利用 NFS/CIFS 标准协议通过存储网关访问数据。

2、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。

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。

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。

4、模块化堆栈式架构

GlusterFS 采用模块化、堆栈式的架构，可以根据需求配置定制化的应用环境,通过对

模块进行各种组合，即可实现复杂的功能。

GlusterFS 是模块化堆栈式的架构设计，模块称为 Translator，是 GlusterFS 提供的

一种强大机制，借助这种良好定义的接口可以高效简便地扩展文件系统的功能

服务端与客户端的设计高度模块化的同时模块接口是兼容的，同一个 translator 可同

时在客户端和服务器加载。 GlusterFS 中所有的功能都是通过 translator 实现的，其

中客户端要比服务端更复杂，所以功能的重点主要集中在客户端上。

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, 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）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。

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。

7、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。

分布式卷

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 RAID 0，不具有容错能力。

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。

条带卷

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。

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 gluster volume create stripe-volume stripe 2 transport

tcp server1:/dir1 server2:/dir2

复制卷

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。 至少由两个块服务器或更多服务器。 具备冗余性。

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 server3:/dir3 server4:/dir4

分布式条带卷

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。

#创建了一个名为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) gluster volume create rep-

volume replica 2 transport tcp server1:/dir1 server2:/dir2

分布式复制卷

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。

#创建了一个名为dis-rep的分布式条带卷，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) gluster volume create rep-volume

replica 2 transport tcp server1:/dir1 server2:/dir2 server3:/dir3 server4:/dir4

条带复制卷

类似 RAID 10，同时具有条带卷和复制卷的特点。

分布式条带复制卷

三种基本卷的复合卷，通常用于类 Map Reduce 应用。

二、部署 GlusterFS 群集

1、环境部署

节点ip	磁盘	挂载点
node1/192.168.132.10	/dev/sdb1 /dev/sdc1 /dev/sdd1 /dev/sde1	/data/sdb1 /data/sdc1 /data/sdd1 /data/sde1
node2/192.168.132.20	/dev/sdb1 /dev/sdc1 /dev/sdd1 /dev/sde1	/data/sdb1 /data/sdc1 /data/sdd1 /data/sde1
node3/192.168.132.30	/dev/sdb1 /dev/sdc1 /dev/sdd1 /dev/sde1	/data/sdb1 /data/sdc1 /data/sdd1 /data/sde1
node4/192.168.132.40	/dev/sdb1 /dev/sdc1 /dev/sdd1 /dev/sde1	/data/sdb1 /data/sdc1 /data/sdd1 /data/sde1
客户端：192.168.132.50

2、 准备环境（所有node节点上操作）

systemctl stop firewalld
 setenforce 0

vim /opt/fdisk.sh

#!/bin/bash
NEWDEV=`ls /dev/sd* | grep -o 'sd[b-z]' | uniq`
for VAR in $NEWDEV
do
   echo -e "n\np\n\n\n\nw\n" | fdisk /dev/$VAR &> /dev/null
   mkfs.xfs /dev/${
    VAR}"1" &> /dev/null
   mkdir -p /data/${
    VAR}"1" &> /dev/null
   echo "/dev/${VAR}"1" /data/${VAR}"1" xfs defaults 0 0" >> /etc/fstab
done
mount -a &> /dev/null

chmod +x /opt/fdisk.sh
cd /opt/
./fdisk.sh

3、修改主机名，配置
/etc/hosts文件

#以Node1节点为例：

hostnamectl set-hostname node1
su

echo "192.168.132.10 node1" >> /etc/hosts
echo "192.168.132.20 node2" >> /etc/hosts
echo "192.168.132.30 node3" >> /etc/hosts
echo "192.168.132.40 node4" >> /etc/hosts

3、安装、启动GlusterFS（所有node节点上操作）

#将gfsrepo 软件上传到/opt目录下cd /etc/yum.repos.d/

mkdir repo.bak
mv *.repo repo.bak

vim glfs.repo
[glfs]
name=glfs
baseurl=file:///opt/gfsrepo
gpgcheck=0
enabled=1

yum clean all && yum makecache

#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
yum -y install glusterfs glusterfs-server glusterfs-fuse glusterfs-rdma

systemctl start glusterd.service 
systemctl enable glusterd.service
systemctl status glusterd.service

4、添加节点到存储信任池中（在 node1 节点上操作）

gluster peer probe node1
gluster peer probe node2
gluster peer probe node3
gluster peer probe node4

#在每个Node节点上查看群集状态

gluster peer status

5、创建卷

根据规划创建如下卷

卷名称	卷类型	Brick
dis-volume	分布式卷	node1(/data/sdb1)、node2(/data/sdb1)
stripe-volume	条带卷	node1(/data/sdc1)、node2(/data/sdc1)
rep-volume	复制卷	node3(/data/sdb1)、node4(/data/sdb1)
dis-stripe	dis-stripe	node1(/data/sdd1)、node2(/data/sdd1)、node3(/data/sdd1)、node4(/data/sdd1)
dis-rep	分布式复制卷	node1(/data/sde1)、node2(/data/sde1)、node3(/data/sde1)、node4(/data/sde1)

创建分布式卷

#创建分布式卷，没有指定类型，默认创建的是分布式卷

gluster volume create dis-volume node1:/data/sdb1 node2:/data/sdb1 force

#查看卷列表

gluster volume list

#启动新建分布式卷

gluster volume start dis-volume

查看创建分布式卷信息

gluster volume info dis-volume

创建条带卷

#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

gluster volume create stripe-volume stripe 2 node1:/data/sdc1 node2:/data/sdc1 force
gluster volume start stripe-volume
gluster volume info stripe-volume

创建复制卷

#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

gluster volume create rep-volume replica 2 node3:/data/sdb1 node4:/data/sdb1 force
gluster volume start rep-volume
gluster volume info rep-volume

创建分布式条带卷

#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

gluster volume create dis-stripe stripe 2 node1:/data/sdd1 node2:/data/sdd1 node3:/data/sdd1 node4:/data/sdd1 force
gluster volume start dis-stripe
gluster volume info dis-stripe

创建分布式复制卷

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

gluster volume create dis-rep replica 2 node1:/data/sde1 node2:/data/sde1 node3:/data/sde1 node4:/data/sde1 force
gluster volume start dis-rep
gluster volume info dis-rep	

gluster volume list

5、部署 Gluster 客户端

1．安装客户端软件
#将gfsrepo 软件上传到/opt目下

cd /etc/yum.repos.d/
mkdir repo.bak
mv *.repo repo.bak

vim glfs.repo
[glfs]
name=glfs
baseurl=file:///opt/gfsrepo
gpgcheck=0
enabled=1

yum clean all && yum makecache

yum -y install glusterfs glusterfs-fuse

2．创建挂载目录

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

3．配置 /etc/hosts 文件

echo "192.168.132.10 node1" >> /etc/hosts
echo "192.168.132.20 node2" >> /etc/hosts
echo "192.168.132.30 node3" >> /etc/hosts
echo "192.168.132.40 node4" >> /etc/hosts	

4．挂载 Gluster 文件系统

mount.glusterfs node1:dis-volume /test/dis
mount.glusterfs node1:stripe-volume /test/stripe
mount.glusterfs node1:rep-volume /test/rep
mount.glusterfs node1:dis-stripe /test/dis_stripe
mount.glusterfs node1:dis-rep /test/dis_rep

三、测试 Gluster 文件系统

1．卷中写入文件，客户端操作

cd /opt
dd if=/dev/zero of=/opt/demo1.log bs=1M count=40
dd if=/dev/zero of=/opt/demo2.log bs=1M count=40
dd if=/dev/zero of=/opt/demo3.log bs=1M count=40
dd if=/dev/zero of=/opt/demo4.log bs=1M count=40
dd if=/dev/zero of=/opt/demo5.log bs=1M count=40

ls -lh /opt

cp /opt/demo* /test/dis
cp /opt/demo* /test/stripe/
cp /opt/demo* /test/rep/
cp /opt/demo* /test/dis_stripe/
cp /opt/demo* /test/dis_rep/

2．查看文件分布

[root@node1 ~]# ls -lh /data/sdb1					#数据没有被分片 ,但是存放在不同的node节点。实现了分布式存储
总用量 160M

-rw-r--r-- 2 root root 40M 12月 18 14:50 demo1.log
-rw-r--r-- 2 root root 40M 12月 18 14:50 demo2.log
-rw-r--r-- 2 root root 40M 12月 18 14:50 demo3.log
-rw-r--r-- 2 root root 40M 12月 18 14:50 demo4.log

root@node2 ~]# ll -h /data/sdb1
总用量 40M
-rw-r--r-- 2 root root 40M 12月 18 14:50 demo5.log

查看条带卷文件分布

[root@node1 ~]# ls -lh /data/sdc1					#数据被分片50% 没副本 没冗余
总用量 101M
-rw-r--r-- 2 root root 20M 12月 18 14:51 demo1.log
-rw-r--r-- 2 root root 20M 12月 18 14:51 demo2.log
-rw-r--r-- 2 root root 20M 12月 18 14:51 demo3.log
-rw-r--r-- 2 root root 20M 12月 18 14:51 demo4.log
-rw-r--r-- 2 root root 20M 12月 18 14:51 demo5.log

查看复制卷分布

[root@node3 ~]# ll -h /data/sdb1					#数据没有被分片 有副本 有冗余     
总用量 201M
-rw-r--r-- 2 root root 40M 12月 18 14:51 demo1.log
-rw-r--r-- 2 root root 40M 12月 18 14:51 demo2.log
-rw-r--r-- 2 root root 40M 12月 18 14:51 demo3.log
-rw-r--r-- 2 root root 40M 12月 18 14:51 demo4.log
-rw-r--r-- 2 root root 40M 12月 18 14:51 demo5.log

查看分布式条带卷分布

[root@node1 ~]# ll -h /data/sdd1					#数据被分片50% 没副本 没冗余
总用量 81M
-rw-r--r-- 2 root root 20M 12月 18 14:51 demo1.log
-rw-r--r-- 2 root root 20M 12月 18 14:51 demo2.log
-rw-r--r-- 2 root root 20M 12月 18 14:51 demo3.log
-rw-r--r-- 2 root root 20M 12月 18 14:51 demo4.log

查看分布式复制卷分布

[root@node1 ~]# ll -h /data/sde1
总用量 161M
-rw-r--r-- 2 root root 40M 12月 18 14:52 demo1.log
-rw-r--r-- 2 root root 40M 12月 18 14:52 demo2.log
-rw-r--r-- 2 root root 40M 12月 18 14:52 demo3.log
-rw-r--r-- 2 root root 40M 12月 18 14:52 demo4.log

[root@node4 ~]# ll -h /data/sde1
总用量 41M
-rw-r--r-- 2 root root 40M 12月 18 14:52 demo5.log

四、破坏性测试

挂起 node2 节点或者关闭glusterd服务来模拟故障

[root@node2 ~]# systemctl stop glusterd.service

在客户端上查看文件是否正常
分布式卷数据查看

[root@localhost dis]# ll 						#在客户上发现少了demo5.log文件，这个是在node2上的
总用量 163840
-rw-r--r-- 1 root root 41943040 12月 18 14:50 demo1.log
-rw-r--r-- 1 root root 41943040 12月 18 14:50 demo2.log
-rw-r--r-- 1 root root 41943040 12月 18 14:50 demo3.log
-rw-r--r-- 1 root root 41943040 12月 18 14:50 demo4.log

条带卷

[root@localhost text]# cd stripe/				#无法访问，条带卷不具备冗余性
[root@localhost stripe]# ll
总用量 0

分布式条带卷

[root@localhost dis_and_stripe]# ll				#无法访问，分布条带卷不具备冗余性
总用量 40960
-rw-r--r-- 1 root root 41943040 12月 18 14:51 demo5.log

分布式复制卷

[root@localhost dis_and_rep]# ll				#可以访问，分布式复制卷具备冗余性
总用量 204800
-rw-r--r-- 1 root root 41943040 12月 18 14:52 demo1.log
-rw-r--r-- 1 root root 41943040 12月 18 14:52 demo2.log
-rw-r--r-- 1 root root 41943040 12月 18 14:52 demo3.log
-rw-r--r-- 1 root root 41943040 12月 18 14:52 demo4.log
-rw-r--r-- 1 root root 41943040 12月 18 14:52 demo5.log

挂起 node2 和 node4 节点，在客户端上查看文件是否正常
测试复制卷是否正常

[root@localhost rep]# ls -l						#在客户机上测试正常 数据有
总用量 204800
-rw-r--r-- 1 root root 41943040 12月 18 14:51 demo1.log
-rw-r--r-- 1 root root 41943040 12月 18 14:51 demo2.log
-rw-r--r-- 1 root root 41943040 12月 18 14:51 demo3.log
-rw-r--r-- 1 root root 41943040 12月 18 14:51 demo4.log
-rw-r--r-- 1 root root 41943040 12月 18 14:51 demo5.log

**测试分布式条卷是否正常**
[root@localhost dis_stripe]# ll					#在客户机上测试正常 没有数据 总用量 0

**测试分布式复制卷是否正常**
[root@localhost dis_and_rep]# ll				#在客户机上测试正常 有数据
总用量 204800
-rw-r--r-- 1 root root 41943040 12月 18 14:52 demo1.log
-rw-r--r-- 1 root root 41943040 12月 18 14:52 demo2.log
-rw-r--r-- 1 root root 41943040 12月 18 14:52 demo3.log
-rw-r--r-- 1 root root 41943040 12月 18 14:52 demo4.log
-rw-r--r-- 1 root root 41943040 12月 18 14:52 demo5.log