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  • 学习GlusterFS（四）

    基于 GlusterFS 实现 Docker 集群的分布式存储

    以 Docker 为代表的容器技术在云计算领域正扮演着越来越重要的角色，甚至一度被认为是虚拟化技术的替代品。企业级的容器应用常常需要将重要的数据持久化，方便在不同容器间共享。为了能够持久化数据以及共享容器间的数据，Docker 提出了 Volume 的概念。单机环境的数据卷难以满足 Docker 集群化的要求，因此需要引入分布式文件系统。目前开源的分布式文件系统有许多，例如 GFS，Ceph，HDFS，FastDFS，GlusterFS 等。GlusterFS 因其部署简单、扩展性强、高可用等特点，在分布式存储领域被广泛使用。本文主要介绍了如何利用 GlusterFS 为 Docker 集群提供可靠的分布式文件存储。

    GlusterFS 分布式文件系统简介

    GlusterFS 概述

    GlusterFS (Gluster File System) 是一个开源的分布式文件系统，主要由 Z RESEARCH 公司负责开发。GlusterFS 是 Scale-Out 存储解决方案 Gluster 的核心，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 InfiniBand RDMA 网络将物理分布的存储资源聚集在一起，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设计，可为各种不同的数据负载提供优异的性能。

    GlusterFS 总体架构与组成部分如图1所示，它主要由存储服务器（Brick Server）、客户端以及 NFS/Samba 存储网关组成。不难发现，GlusterFS 架构中没有元数据服务器组件，这是其最大的设计这点，对于提升整个系统的性能、可靠性和稳定性都有着决定性的意义。

    • GlusterFS 支持 TCP/IP 和 InfiniBand RDMA 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 客户端的终端可通过 NFS/CIFS 标准协议通过存储网关访问数据（存储网关提供弹性卷管理和访问代理功能）。
    • 存储服务器主要提供基本的数据存储功能，客户端弥补了没有元数据服务器的问题，承担了更多的功能，包括数据卷管理、I/O 调度、文件定位、数据缓存等功能，利用 FUSE（File system in User Space）模块将 GlusterFS 挂载到本地文件系统之上，实现 POSIX 兼容的方式来访问系统数据。

    图1. GlusterFS 总体架构

    如图 1 中 GlusterFS 有非常多的术语，理解这些术语对理解 GlusterFS 的动作机理是非常重要的，表1给出了 GlusterFS 常见的名称及其解释。

    表1. GlusterFS 常见术语

    GlusterFS卷类型

    为了满足不同应用对高性能、高可用的需求，GlusterFS 支持 7 种卷，即 distribute 卷、stripe 卷、replica 卷、distribute stripe 卷、distribute replica 卷、stripe Replica 卷、distribute stripe replica 卷。其实不难看出，GlusterFS 卷类型实际上可以分为 3 种基本卷和 4 种复合卷，每种类型的卷都有其自身的特点和适用场景。

    基本卷：

    (1) distribute volume 分布式卷

    基于 Hash 算法将文件分布到所有 brick server，只是扩大了磁盘空间，不具备容错能力。由于distribute volume 使用本地文件系统，因此存取效率并没有提高，相反会因为网络通信的原因使用效率有所降低，另外本地存储设备的容量有限制，因此支持超大型文件会有一定难度。图2 是 distribute volume 示意图。

    图2. Distribute volume示意图

    (2) stripe volume 条带卷

    类似 RAID0，文件分成数据块以 Round Robin 方式分布到 brick server 上，并发粒度是数据块，支持超大文件，大文件的读写性能高。图3 是 stripe volume 示意图。

    图3. Stripe volume示意图


    (3) replica volume 复制卷

    文件同步复制到多个 brick 上，文件级 RAID1，具有容错能力，写性能下降，读性能提升。Replicated 模式，也称作 AFR（Auto File Replication），相当于 RAID1，即同一文件在多个镜像存储节点上保存多份，每个 replicated 子节点有着相同的目录结构和文件，replica volume 也是在容器存储中较为推崇的一种。图4 是 replica volume 示意图。

    图4 . Replica volume示意图

    复合卷：

    (4) distribute stripe volume 分布式条带卷

    Brick server 数量是条带数的倍数，兼具 distribute 和 stripe 卷的特点。分布式的条带卷，volume 中 brick 所包含的存储服务器数必须是 stripe 的倍数(>=2倍)，兼顾分布式和条带式的功能。每个文件分布在四台共享服务器上，通常用于大文件访问处理，最少需要 4 台服务器才能创建分布条带卷。图5 是distribute stripe volume 示意图。

    图5 . Distribute stripe volume 示意图

    (5) distribute replica volume 分布式复制卷

    Brick server 数量是镜像数的倍数，兼具 distribute 和 replica 卷的特点,可以在 2 个或多个节点之间复制数据。分布式的复制卷，volume 中 brick 所包含的存储服务器数必须是 replica 的倍数(>=2倍)，兼顾分布式和复制式的功能。图6 是 distribute replica volume 示意图。

    图6 . Distribute replica volume 示意图

    (6) stripe replica volume 条带复制卷

    类似 RAID 10，同时具有条带卷和复制卷的特点。图7 是 distribute replica volume 示意图。

    图7 . Stripe replica volume 示意图

    (7) distribute stripe replica volume：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。图8 是 distribute stripe replica volume 示意图。

    图8 . Distribute stripe replica volume 示意图

    GlusterFS 常用命令

    GlusterFS 客户端提供了非常丰富的命令用来操作节点、卷，表2给出了常用的一些命令。在与容器对接过程中，通过我们需要创建卷、删除卷，以及设定卷的配额等功能，并且后续这些功能也需要 REST API 化，方便通过HTTP请求的方式来操作卷。

    表2. GlusterFS 客户端常用命令

      

    #################################################################################################33

    glusterfs

    GlusterFS是一个可伸缩的网络文件系统，使用常见的现成的硬件，您可以创建大型分布式存储流媒体解决方案、数据分析、和其他数据相关的任务。GlusterFS是自由和开源软件。

    详细参考官网： gluster

    资源定义

    • Brick: 存储的基本单元，表现为服务器上可信存储池的导出目录
    • Volume: 卷是bricks的逻辑集合
    • Cluster: 一组计算机组成的集群
    • Distributed File System: 允许多个客户端通过网络并发访问的文件系统
    • GFID: 每个GlusterFs中的文件或者目录都有一个128bit的数字标识称为GFID
    • glusterd: 管理守护进程需要运行在所有的提供授信存储池的服务器上
    • Namespace: 名称空间是被创建的一个抽象容器或环境用来保存唯一标识符号
    • Quorum: 设置一个可信的存储池中最多失效的主机节点数量
    • Quota: 允许通过目录或者卷设置对磁盘空间使用的限制
    • Posix: 可移植操作系统接口是IEEE定义的一系列相关api标准
    • Vol File: Vol文件是glusterfs进程使用的配置文件
    • Distributed: 分布卷
    • Replicated: 复本卷
    • Distributed Replicated: 分布式复制卷
    • Geo-Replication: 异地备份为站点通过局域网、广域网、互联网提供一个连续的异步的和增量复制服务
    • Metedata: 元数据定义为关于数据的数据描述信息，在GlusterFs没有专用的元数据存储内容
    • Extended Attributes: 扩展属性是文件系统的一个特性
      FUSE: 用户空间的文件系统是一个用于类Unix操作系统的可加载内核模块，以允许非特权用户在适用内核代码的情况下创建自己的文件系统。实现了在用户空间下运行文件系统代码

    环境基础

    10.1.1.11   c6-vm1   centos6.6  glusterfs-3.10 第二块硬盘10G
10.1.1.12   c6-vm2   centos6.6  glusterfs-3.10 第二块硬盘10G
10.1.1.13   c6-vm3   centos6.6  client

    yum 仓库安装

    [root@c6-vm1 yum.repos.d]# cat glusterfs.repo
[glusterfs]
name=glusterfs
baseurl=http://buildlogs.centos.org/centos/6/storage/x86_64/gluster-3.10/
enabled=1
gpgcheck=0
[debuginfo]
name=glusterfs debuginfo
baseurl=http://debuginfo.centos.org/centos/6/storage/x86_64/
enabled=1
gpgcheck=0

    install

    yum  install -y glusterfs-server glusterfs-cli glusterfs-geo-replication

    启动程序加入开启自启动

    [root@c6-vm1]# /etc/init.d/glusterd start
[root@c6-vm1 ~]# chkconfig glusterd on

    存储主机加入信任存储池

    # 在其余主机添加除自己之外的主机就可以
[root@c6-vm1]#  gluster peer probe c6-vm2
peer probe: success.

    查看状态

    [root@c6-vm1 ~]# gluster peer status
Number of Peers: 1

Hostname: c6-vm2
Uuid: 60eac2bb-ae30-4c3d-8c14-b93a3cb0ad98
State: Peer in Cluster (Connected)

    磁盘分区

    fdisk -l 查看磁盘块设备，可以看到/dev/sdb 第二块新硬盘

    [root@c6-vm1 ~]# fdisk -l

Disk /dev/sda: 37.6 GB, 37580963840 bytes
255 heads, 63 sectors/track, 4568 cylinders
Units = cylinders of 16065 * 512 = 8225280 bytes
Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes
I/O size (minimum/optimal): 512 bytes / 512 bytes
Disk identifier: 0x000f1817

   Device Boot      Start         End      Blocks   Id  System
/dev/sda1   *           1          26      204800   83  Linux
Partition 1 does not end on cylinder boundary.
/dev/sda2              26        3851    30720000   83  Linux
/dev/sda3            3851        4569     5774336   82  Linux swap / Solaris

Disk /dev/sdb: 10.7 GB, 10737418240 bytes
255 heads, 63 sectors/track, 1305 cylinders
Units = cylinders of 16065 * 512 = 8225280 bytes
Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes
I/O size (minimum/optimal): 512 bytes / 512 bytes
Disk identifier: 0x00000000

    注：mkfs支持的分区类型有限，且最大只支持16TB；当分区大于4T时,fdisk不适用，推荐用parted分区

    # fdisk 分区操作 在二台机器上分别执行
# fdisk  /dev/vdb => n => p => 1 => 回车 => w（w为保存、m为帮助）
[root@c6-vm1 ~]# fdisk /dev/sdb
Device contains neither a valid DOS partition table, nor Sun, SGI or OSF disklabel
Building a new DOS disklabel with disk identifier 0xf2a1a3ec.
Changes will remain in memory only, until you decide to write them.
After that, of course, the previous content won't be recoverable.

Warning: invalid flag 0x0000 of partition table 4 will be corrected by w(rite)

WARNING: DOS-compatible mode is deprecated. It's strongly recommended to
         switch off the mode (command 'c') and change display units to
         sectors (command 'u').

Command (m for help): n
Command action
   e   extended
   p   primary partition (1-4)
p
Partition number (1-4): 1
First cylinder (1-1305, default 1):
Using default value 1
Last cylinder, +cylinders or +size{K,M,G} (1-1305, default 1305):
Using default value 1305
[root@c6-vm1 ~]# mkfs.ext4  /dev/sdb1
    # 在二台机器上分别执行 建立挂载块设备的目录并挂载加入fstab中
[root@c6-vm1 ~]# mkdir /data/gfs1
[root@c6-vm1 ~]# mount /dev/sdb1  /data/gfs1
[root@c6-vm1 ~]# mount -a
[root@c6-vm1 ~]# df -h
Filesystem      Size  Used Avail Use% Mounted on
/dev/sda2        29G  874M   27G   4% /
tmpfs           358M     0  358M   0% /dev/shm
/dev/sda1       190M   25M  156M  14% /boot
/dev/sdb1       9.8G   23M  9.2G   1% /data/gfs1
[root@c6-vm1 ~]# echo "/dev/sdb1   /data/gfs1 ext4 defaults 1 2" >> /etc/fstab

    公司如果有raid卡，可以在底层做一层raid5提高IO性能，再在上头做GlusterFS。当然没有raid卡直接做GlusterFS也没事

    创建volume

    Distributed：分布式卷，文件通过hash算法随机的分布到由bricks组成的卷上。 
Replicated：复制式卷，类似raid1，replica数必须等于volume中brick所包含的存储服务器数，可用性高。 
Striped：条带式卷，类似与raid0，stripe数必须等于volume中brick所包含的存储服务器数，文件被分成数据块，以Round Robin的方式存储在bricks中，并发粒度是数据块，大文件性能好。 
Distributed Striped：分布式的条带卷，volume中brick所包含的存储服务器数必须是stripe的倍数(>=2倍)，兼顾分布式和条带式的功能。 
Distributed Replicated：分布式的复制卷，volume中brick所包含的存储服务器数必须是 replica 的倍数(>=2倍)，兼顾分布式和复制式的功能。

    创建复制卷

    [root@c6-vm1 ~]# gluster volume create gv2   replica 2 c6-vm1:/data/gfs1 c6-vm2:/data/gfs1 force
volume create: gv2: success: please start the volume to access data
[root@c6-vm1 ~]# gluster volume info

Volume Name: gv2
Type: Replicate
Volume ID: fa64409f-814b-4191-b9e4-8c317bf63a94
Status: Created          #这里状态表示刚刚被创建但是还没有启动
Snapshot Count: 0
Number of Bricks: 1 x 2 = 2
Transport-type: tcp
Bricks:
Brick1: c6-vm1:/data/gfs1
Brick2: c6-vm2:/data/gfs1
Options Reconfigured:
transport.address-family: inet
nfs.disable: on

    start volume

    [root@c6-vm1 gfs1]#  gluster volume start gv2
volume start: gv2: success
[root@c6-vm1 gfs1]# gluster volume info

Volume Name: gv2
Type: Replicate
Volume ID: fa64409f-814b-4191-b9e4-8c317bf63a94
Status: Started      #启动后状态变成start
Snapshot Count: 0
Number of Bricks: 1 x 2 = 2
Transport-type: tcp
Bricks:
Brick1: c6-vm1:/data/gfs1
Brick2: c6-vm2:/data/gfs1
Options Reconfigured:
transport.address-family: inet
nfs.disable: off

    客户端挂载

    c6-vm3

    yum glusterfs

    yum install -y glusterfs gluster-fuse

    glusterfs 方式挂载

    [root@c6-vm3 yum.repos.d]# mount -t glusterfs c6-vm1:/gv2 /mnt
[root@c6-vm3 mnt]# df -h
Filesystem      Size  Used Avail Use% Mounted on
/dev/sda2        29G  923M   27G   4% /
tmpfs           358M     0  358M   0% /dev/shm
/dev/sda1       190M   25M  156M  14% /boot
c6-vm1:/gv2     9.8G   23M  9.2G   1% /mnt

    nfs 方式挂载

    [root@c6-vm2 gfs1]# mount -t nfs -o mountproto=tcp,vers=3 c6-vm2:gv2  /mnt/
[root@c6-vm2 gfs1]# df -h
Filesystem      Size  Used Avail Use% Mounted on
/dev/sda2        29G  875M   27G   4% /
tmpfs           358M     0  358M   0% /dev/shm
/dev/sda1       190M   25M  156M  14% /boot
/dev/sdb1       9.8G   23M  9.2G   1% /data/gfs1
c6-vm2:gv2      9.8G   33M   14G   1% /mnt
    # 创建文件
[root@c6-vm3 mnt]# cd /mnt/
[root@c6-vm3 mnt]# touch file{1..10}

    在存储端验证

    c6-vm1

    [root@c6-vm1 gfs1]# ls
file1  file10  file2  file3  file4  file5  file6  file7  file8  file9  lost+found

    c6-vm2

    [root@c6-vm2 gfs1]# ls
file1  file10  file2  file3  file4  file5  file6  file7  file8  file9  lost+found

    status

    [root@c6-vm1 gfs1]#  gluster volume status gv2
Status of volume: gv2
Gluster process                             TCP Port  RDMA Port  Online  Pid
------------------------------------------------------------------------------
Brick c6-vm1:/data/gfs1                     49152     0          Y       1976
Brick c6-vm2:/data/gfs1                     49152     0          Y       1883
NFS Server on localhost                     2049      0          Y       1996
Self-heal Daemon on localhost               N/A       N/A        Y       2007
NFS Server on c6-vm2                        2049      0          Y       1903
Self-heal Daemon on c6-vm2                  N/A       N/A        Y       1914

Task Status of Volume gv2
------------------------------------------------------------------------------
There are no active volume task

    故障演练

    把c6-vm1关机

    因为我们之前在c6-vm3（client)端mount挂载的时候指定的是c6-vm1主机

    当我们把c6-vm1关机，观察后面的情况是怎么样

    -w935

    查看volume状态

    -w808

    在c6-vm3上操作 明显没有问题

    注意: 当c6-vm1关机的时候，在ls该目录会有短暂时间的延迟卡主的现象

    -w1006

    在去c6-vm2上看文件状态

    新建的bds已经有了，删除的file0也没有删除成功

    -w1051

    现在我们尝试开机c6-vm1

    发现文件系统报错了，完了这个机器成功被我们弄坏了 修复吧

    -w804

    可以看到我们进入了 只读文件系统中 根本注释不了这行

    -w855

    解决办法重新挂载

    # 根系统重新挂载 救命的命令啊
mount -o remount rw /

    image

    下图可以看到 我们已经把有问题那行 注释掉了 然后reboot

    image

    登录c6-vm1

    [root@c6-vm1 gfs1]# mount /dev/sdb1 /data/gfs1/
[root@c6-vm1 gfs1]# gluster volume status
Status of volume: gv2
Gluster process                             TCP Port  RDMA Port  Online  Pid
------------------------------------------------------------------------------
Brick c6-vm1:/data/gfs1                     N/A       N/A        N       N/A
Brick c6-vm2:/data/gfs1                     49152     0          Y       1883
NFS Server on localhost                     2049      0          Y       1082
Self-heal Daemon on localhost               N/A       N/A        Y       1146
NFS Server on c6-vm2                        2049      0          Y       1903
Self-heal Daemon on c6-vm2                  N/A       N/A        Y       1914

Task Status of Volume gv2
------------------------------------------------------------------------------
There are no active volume tasks

    在正常的节点c6-vm2 执行命令查看信息

    [root@c6-vm2 gfs1]# getfattr -d -m '.*' /data/gfs1/
getfattr: Removing leading '/' from absolute path names
# file: data/gfs1/
trusted.afr.dirty=0sAAAAAAAAAAAAAAAA
trusted.afr.gv2-client-0=0sAAAAAAAAAAAAAAAD
trusted.gfid=0sAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAQ==
trusted.glusterfs.dht=0sAAAAAQAAAAAAAAAA/////w==
trusted.glusterfs.volume-id=0s+mRAn4FLQZG55Iwxe/Y6lA==

    在机器关机的c6-vm1节点上进行set写入

    [root@c6-vm1 gfs1]# setfattr -n trusted.glusterfs.volume-id -v 0s+mRAn4FLQZG55Iwxe/Y6lA== /data/gfs1/ 
[root@c6-vm1 gfs1]# setfattr -n trusted.glusterfs.volume-id -v 0s+mRAn4FLQZG55Iwxe/Y6lA== /data/gfs1/
[root@c6-vm1 gfs1]# setfattr -n trusted.gfid -v 0sAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAQ== /data/gfs1/
[root@c6-vm1 gfs1]# setfattr -n trusted.afr.dirty -v 0sAAAAAAAAAAAAAAAA  /data/gfs1/
[root@c6-vm1 gfs1]# setfattr -n trusted.glusterfs.dht -v 0sAAAAAQAAAAAAAAAA/////w== /data/gfs1/

    重启glusterfs

    [root@c6-vm1 gfs1]# /etc/init.d/glusterd restart
Stopping glusterd:                                         [确定]
Starting glusterd:                                         [确定]

    重启完成之后,根据数据的大小,等待片刻,则同步完成 观察下面目录变化

    [root@c6-vm1 gfs1]# ll
总用量 32
-rw-r--r-- 2 root root     5 10月  9 23:08 a
-rw-r--r-- 2 root root    29 10月  9 19:53 a.txt
-rw-r--r-- 2 root root     0 10月  2 13:29 ba
-rw-r--r-- 2 root root     0 10月  2 12:54 file1
-rw-r--r-- 2 root root     0 10月  2 12:54 file10
-rw-r--r-- 2 root root     5 10月  9 19:14 file2
-rw-r--r-- 2 root root     0 10月  2 12:54 file3
-rw-r--r-- 2 root root     0 10月  2 12:54 file4
-rw-r--r-- 2 root root     0 10月  2 12:54 file5
-rw-r--r-- 2 root root     0 10月  2 12:54 file6
-rw-r--r-- 2 root root     0 10月  2 12:54 file7
-rw-r--r-- 2 root root     0 10月  2 12:54 file8
-rw-r--r-- 2 root root     0 10月  2 12:54 file9
drwx------ 2 root root 16384 10月  9 03:12 lost+found

    这个目录里面保存一些同步信息

    [root@c6-vm1 gfs1]# cd .glusterfs/
[root@c6-vm1 .glusterfs]# ls
00  1c  31  3e  3f  46  4c  56  64  82  89  a3  c7  changelogs  eb  gfs1.db  health_check  indices  landfill  quanrantine  unlink
[root@c6-vm1 .glusterfs]# ll
总用量 100
drwx------ 3 root root  4096 10月  9 23:06 00
drwx------ 3 root root  4096 10月  9 23:08 1c
drwx------ 3 root root  4096 10月  9 23:08 31
drwx------ 3 root root  4096 10月  9 23:08 3e
drwx------ 3 root root  4096 10月  9 23:08 3f
drwx------ 3 root root  4096 10月  9 23:08 46
drwx------ 3 root root  4096 10月  9 23:08 4c
drwx------ 3 root root  4096 10月  9 23:07 56
drwx------ 3 root root  4096 10月  9 23:08 64
drwx------ 3 root root  4096 10月  9 23:08 82
drwx------ 3 root root  4096 10月  9 23:08 89
drwx------ 3 root root  4096 10月  9 23:08 a3
drwx------ 4 root root  4096 10月  9 23:08 c7
drw------- 4 root root  4096 10月  9 22:30 changelogs
drwx------ 3 root root  4096 10月  9 23:08 eb
-rw-r--r-- 1 root root 20480 10月  9 22:30 gfs1.db
-rw-r--r-- 1 root root    19 10月  9 23:17 health_check
drw------- 5 root root  4096 10月  9 22:30 indices
drwxr-xr-x 2 root root  4096 10月  9 23:06 landfill
drw------- 2 root root  4096 10月  9 22:30 quanrantine
drw------- 2 root root  4096 10月  9 23:06 unlink

    同步后的目录 与正常节点c6-vm2目录保持一致了

    [root@c6-vm1 .glusterfs]# cd ..
[root@c6-vm1 gfs1]# ls
bds  file1  file10  file2  file3  file4  file5  file6  file7  file8  file9  lost+found
[root@c6-vm1 gfs1]# ll
总用量 24
-rw-r--r-- 2 root root     8 10月  9 23:21 bds
-rw-r--r-- 2 root root     0 10月  2 12:54 file1
-rw-r--r-- 2 root root     0 10月  2 12:54 file10
-rw-r--r-- 2 root root     5 10月  9 19:14 file2
-rw-r--r-- 2 root root     0 10月  2 12:54 file3
-rw-r--r-- 2 root root     0 10月  2 12:54 file4
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-rw-r--r-- 2 root root     0 10月  2 12:54 file6
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-rw-r--r-- 2 root root     0 10月  2 12:54 file8
-rw-r--r-- 2 root root     0 10月  2 12:54 file9
drwx------ 2 root root 16384 10月  9 03:12 lost+found
     
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