GlusterFS分布式文件系统详解
GlusterFS分布式文件系统详解
GlusterFS是一个开源的分布式文件系统，以其强大的横向扩展能力和灵活的架构设计而著称。本文将详细介绍GlusterFS的核心概念、工作原理以及各种卷类型的特点，帮助读者全面了解这一重要的分布式存储解决方案。
一、GlusterFS 概述
1. GlusterFS 简介
GlusterFS 是一个开源的分布式文件系统，同时也是Scale-Out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，通过扩展不同的节点可以支持数PB级别的存储容量。GlusterFS借助TCP/IP或InfiniBand ROMA网络将分散的存储资源汇聚在一起，统一提供存储服务，并使用单一全局命名空间来管理数据。GlusterFS基于可堆叠的用户空间以及无元的设计，可为各种不同的数据负载提供优异的性能。
GlusterFS主要由存储服务器（Brick Server）、客户端及NFS/Samba存储网关（可选，根据需要选择使用）组成。如下图所示。
GlusterFS架构中最大的设计特点是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。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。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 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。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192.168.1.4:/data/mydir/
- 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（Filesystem in Userspace）：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。
3. 模块化堆栈式架构
下图是GlusterFS机构细化图。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，如大文件存储、海量小文件存储、云存储、多传输协议应用等。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RAIDO,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。
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中的所有功能都是通过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。
二、GlusterFS 的工作原理
1. GlusterFS 的工作流程
下图是GlusterFS数据访问的一个概要图。
GlusterFS的工作流程如下：
- 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,并且将数据写入服务器存储设备。
2. 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算法的优点表现如下。
- 保证数据平均分布在每个Brick中。
- 解决了对元数据服务器的依赖，进而解决了单点故障及访问瓶颈。
现在假设创建了一个包含四个Brick节点的GlusterFS卷，在服务端的Brick挂载目录会给四个Brick平均分配232的区间的范围空间，GlusterFS hash分布区间是保存在目录上而不是根据机器去分布区间。如下图所示，Brick*表示一个目录。分布区间保存在每个Brick挂载点目录的扩展属性上。
在卷中创建四个文件，分别是test-file1、test-file2、test-file3、test-file4。在访问文件时，通过快速Hash函数计算出对应的HASH值（232范围的数值），然后根据计算出来的HASH值所对应的子空间散列到服务器的Brick上，如下图所示。
三、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，这七种卷可以满足不同应用对高性能、高可用的需求。
- 分布式卷(Distribute volume)：文件通过HASH算法分布到所有Brick Server上，这种卷是Glusterf的基础；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。
- 条带卷(Stripe volume)：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。
- 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
- 分布式条带卷(Distribute Stripe volume)：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。
- 分布式复制卷(Distribute Replica volume)：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。
- 条带复制卷(Stripe Replica volume)：类似RAID10,同时具有条带卷和复制卷的特点。
- 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。
1. 分布式卷
分布式卷是GlusterFS的默认卷，在创建卷时，默认选项是创建分布式卷。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。直接使用本地文件系统进行文件存储，大部分Linux命令和工具可以继续正常使用。需要通过扩展文件属性保存HASH值，目前支持的底层文件系统有EXT3、EXT4、ZFS、XFS等。
由于使用的是本地文件系统，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；另外支持超大型文件也会有一定的难度，因为分布式卷不会对文件进行分块处理。
虽然EXT4已经可以支持最大16TB的单个文件，但是本地存储设备的容量实在有限。如下图所示，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。
- 更容易且廉价地扩展卷的大小。
- 存在单点故障会造成数据丢失。
- 依赖底层的数据保护。
2. 条带卷
Stripe模式相当于RAIDO,在该模式下，根据偏移量将文件分成N块（N个条带节点），轮询地存储在每个Brick Server节点。节点把每个数据块都作为普通文件存入本地文件系统中，通过扩展属性记录总块数（Stripe-count）和每块的序号（Stripe-index）。在配置时指定的条带数必须等于卷中Brick所包含的存储服务器数，在存储大文件时，性能尤为突出，但是不具备冗余性。
将数据文件分布到不同的Brick节点，如下图所示，File被分割为6段，1、3、5放在Server1,2、4、6放在Server2。
条带卷具有如下特点。
- 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。
3. 复制卷
复制模式，也称为AFR（AutoFile Replication），相当于RAID1,即同一文件保存一份或多份副本，每个节点上保存相同的内容和目录结构。复制模式因为要保存副本，所以磁盘利用率较低。如果多个节点上的存储空间不一致，那么将按照木桶效应取最低节点的容量作为该卷的总容量。在配置复制卷时，复制数必须等于卷中Brick所包含的存储服务器数，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。
将数据文件分布到不同的Brick节点，如下图所示。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。
复制卷具有如下特点。
- 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。
- 至少有两个块服务器或更多服务器。
- 具备冗余性。
4. 分布式条带卷
分布式条带卷兼顾分布式卷和条带卷的功能，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。
下图展示了分布式条带卷原理。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。
5. 分布式复制卷
分布式复制卷兼顾分布式卷和复制卷的功能，主要用于需要冗余的情况下。下图呈现了分布式复制卷原理。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。