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[系统运维]掌握GFS 分布式数据系统

目录

GFS 概述

GFS特点

Gluster 术语

模块化堆栈式架构

GlusterFS 工作流程

弹性HASH算法

?GlusterFS 支持卷类型

实际操作

准备环境(所有node节点上操作)

关闭防火墙

修改主机名,配置/etc/hosts文件(所有node节点)

安装、启动GlusterFS(所有node节点上操作)

(1)、将gfsrepo 软件上传到/opt目录下

创建条带卷

创建复制卷

创建分布式条带卷

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

部署 Gluster 客户端

安装客户端软件


GFS 概述

GlusterFS 是一个开源的分布式文件系统。 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。 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。 数据分为元数据和数据:

  • 数据:实际数据

  • 元数据 :元数据即是文件的属性信息(文件名、权限(属主、属组)、大小、更新时间等)

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InfiniBandRDNA网络(一种支持多并发链接的技术,具有高带宽、低时廷、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 Scale-Out (横向扩展)架构通过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。

    Gluster 弹性哈希(Elastic Hash)解决了 GlusterFS 对元数据服务器的依赖, GlusterFS 采用弹性哈希算法在存储池中定位数据,放弃了传统的通过元数据服 务器定位数据。GlusterFS 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。这种设计机制实现了 存储的横向扩展, 改善了单点故障及性能瓶颈,真正实现了并行化数据访问。

  • 高可用性 GlusterFS 通过配置某些类型的存储卷,可以对文件进行自动复制(类似 于 RAID1),即使某个节点出现故障,也不影响数据的访问。当数据出现不一致时, 自动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, 不会占用太多系统资源。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标准的磁盘文件系统(如 EXT3、XFS 等)来 存储文件,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 全局统一命名空间将所有的存储资源聚集成一个单一的虚拟存储 池,对用户和应用屏蔽了物理存储信息。存储资源(类似于 LVM)可以根据生产环 境中的需要进行弹性扩展或收缩。在多节点场景中,全局统一命名空间还可以基于不 同节点做负载均衡,大大提高了存取效率。

  • 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。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(效率更高),这在公有 云环境中部署 Gluster 时非常有用,Gluster 对云服务提供商专用 API 进行抽象,然 后提供标准 POSIX 接口

Gluster 术语

  • Brick(存储块): 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,同时也是用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 inUserspace): 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。

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,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 RAID0,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 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,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。 
(4) GlusterFS client 收到数据后,client 根据配置文件对数据进行处理。 
(5) 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。

弹性HASH算法

  • 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。

?GlusterFS 支持卷类型

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 RAID 0, 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 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。
?
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。

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。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。

条带卷

Stripe 模式相当于 RAID0,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。

  • 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。

  • 没有数据冗余性

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。

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

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

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

实际操作

GlusterFS部署 

一台centos7虚拟机,IP地址为:192.168.241.128,主机名为:node1,添加4块磁盘,分别为3G,4G,5G,6G大小

一台centos7虚拟机,IP地址为:192.168.241.129,主机名为:node2,添加4块磁盘,分别为3G,4G,5G,6G大小

一台centos7虚拟机,IP地址为:192.168.241.133,主机名为:node3,添加3块磁盘,分别为3G,4G,5G大小

一台centos7虚拟机,IP地址为:192.168.241.134,主机名为:node4,添加3块磁盘,分别为3G,4G,5G大小

一台centos7虚拟机,IP地址为:192.168.241.136,主机名为:client,当做测试机使用

准备环境(所有node节点上操作)

关闭防火墙

systemctl stop firewalld
setenforce 0

磁盘分区,并挂载(仅以node1为例,其他节点相同)

虚拟机设置----添加----硬盘,下一步----SCSI(推荐),下一步----创建新的虚拟磁盘,下一步----最大磁盘大小(自定义),勾选将虚拟磁盘拆分成多个文件,下一步----完成,相同方法添加其他的磁盘(除了client客户机),磁盘添加后需要重启一下才能识别到磁盘

修改主机名,配置/etc/hosts文件(所有node节点)

#以Node1节点为例:
hostnamectl set-hostname node1
su
?
echo "192.168.241.128 node1" >> /etc/hosts
echo "192.168.241.129 node2" >> /etc/hosts
echo "192.168.241.133 node3" >> /etc/hosts
echo "192.168.241.134 node4" >> /etc/hosts

安装、启动GlusterFS(所有node节点上操作)

(1)、将gfsrepo 软件上传到/opt目录下

cd /etc/yum.repos.d/
mkdir repo.bak
mv *.repo repo.bak
?
cd /opt
tar xf gfsrepo.tar.gz
?
cd /etc/yum.repos.d/
vim glfs.repo
[glusterfs]
name=glusterfs
baseurl=file:///opt/gfsrepo
gpgcheck=0
enabled=1

 
yum clean all && yum makecache

yum -y install glusterfs glusterfs-server glusterfs-fuse glusterfs-rdma
?
systemctl start glusterd.service 
systemctl enable glusterd.service
systemctl status glusterd.service

添加节点到存储信任池中(在 node1 节点上操作)

(1)、只要在一台Node节点上添加其它节点即可

添加节点信任池
gluster peer probe node1
gluster peer probe node2
gluster peer probe node3
gluster peer probe node4

 
(2)、在每个Node节点上查看群集状态
gluster peer status

创建卷(只要在1台节点上创建,对应的节点上检查下状态就可以了)

#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			分布式条带卷			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)

(1)、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

(2)、查看卷列表

gluster volume list

(3)、启动新建分布式卷

gluster volume start dis-volume

(4)、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

部署 Gluster 客户端

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
?
cd /opt
tar zxf gfsrepo.tar.gz
?
vim glfs.repo
[glusterfs]
name=glusterfs
baseurl=file:///opt/gfsrepo
gpgcheck=0
enabled=1
?
yum clean all && yum makecache
?
yum -y install glusterfs glusterfs-fuse

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加:2021-12-16 18:06:52  更:2021-12-16 18:09:20 
 
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