V 10 glusterfs

glusterfs，GNU cluster file system，创始人Anand Babu Periasamy，目标：代替开源Lustre和商业产品GPFS，glusterfs是什么：

cloud storage；

分布式文件系统（POSIX兼容）；

elasticity（flexibility adapt to growth/reduction,add,delete volumes&users without disruption）；

无中心架构（无元数据server），eliminate metadata（improve file access speed）；

scale out横向扩展（容量、性能）、高性能、高可用，scale linearly（multiple dimentions(performance;capacity)；aggregated resources）；

集群式NAS存储系统；

采用异构的标准商业硬件、infiniband；

资源池（聚合存储和内存）；

全局统一命名空间；

自动复制和自动修复；

易于部署和使用，simplicity（ease of management,no complex kernel pathces,run in user space）；

glusterfs是开源的分布式FS，具有强大的横向扩展能力，支持数PB级存储容量和处理数千客户端，借助tcp/ip或infiniband RDMA将物理分布的存储资源聚焦在一起，使用单一全局命名空间管理数据，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；

优点（无元数据据服务设计，弹性hash，scale out；高性能，PB级容量，GB级吞吐量，数百集群规模；用户空间模块化堆栈设计；高可用性，支持自动复制和自动修复；适合大文件存储）；

不足（小文件性能表现差；系统OPS表现差；复制存储利用率低（HA和纠删码方案））

2006年有此项目：

06-09年，glusterfs v1.0-3.0（分布式FS、自修复、同步副本、条带、弹性hash算法）；

10年，glusterfs v3.1（弹性云能力）；

11年，glusterfs v3.2（远程复制、监控、quota、redhat 1.36亿$收购）；

12年，glusterfs v3.3（对象存储、HDFS兼容、主动自修复、细粒度锁、复制优化）；

13年，glusterfs v3.4（libfapi、quorum机制、虚拟机存储优化、同步复制优化、POSIX ACL支持）；

glusterfs架构优势：软件定义、无中心架构、全局统一命名空间、高性能、高可用、堆栈式用户空间设计、弹性横向扩展、高速网络通信、数据自动修复

glusterfs高性能记录32GBs（server-side，64 bricks with ib-verbs transport；client-side，cluster of 220 servers）

http://blog.csdn.net/liuaigui/

应用场景：

结构化和半结构化数据；非结构化数据存储（文件）；归档、容灾；虚拟机存储；云存储；内容云；大数据；

解决方案：

媒体/cdn；备份、归档、容灾；海量数据共享；用户home目录；高性能计算；云存储

glusterfs弹性卷管理：

弹性hash算法（无集中式元数据服务（消除性能瓶颈、提高可靠性）；使用davies-meyer算法计算32bit hash值，输入参数为文件名；根据hash值在集群中选择子卷（存储服务器），进行文件定位；对所选的子卷进行数据访问；例如brick1（00000000-3FFFFFFF），brick2（4FFFFFFF-7FFFFFFF），brick3（8FFFFFFF-BFFFFFFF））；

采用hash算法定位文件（基于路径和文件名；DHT，distributed hash table，一致性hash）；

弹性卷管理（文件存储在逻辑卷中；逻辑卷从物理存储池中划分；逻辑卷可在线进行扩容和缩减）；

DHT（glusterfs弹性扩展的基础；确定目标hash和brick之间的映射关系）：

添加node后（最小化数据重分配；老数据分配模式不变，新数据分布到所有node上；执行rebalance（在非访问高峰时段操作），数据重新分布）

glusterfs总体架构：

堆栈式软件架构：

全局统一命名空间（通过分布式FS将物理分散的存储资源虚拟化成统一的存储池）：

无集中元数据服务：

基本概念：

brick（a file system mountpoint; a unit of storage used as a glusterfs building block）；

translator（logic between the bits and the global namespace; layered to provide glusterfs functionality）；

volume（bricks combined and passed through translators）；

node/peer（server running the gluster daemon and sharing volumes）；

glusterfs卷类型（基本卷、复合卷）：

基本卷：

哈希卷（distributed volume，文件通过hash算法在所有brick上分布，文件级raid0，不具有容错能力）；

复制卷（replicated volume，生产常用，文件同步复制到多个brick上，文件级raid1，具有容错能力，w性能下降r性能提升）；

条带卷（striped volume，不建议使用，单个文件分布到多个brick上，支持超大文件，类似raid0，rr方式round-robin，通常用于HPC(high performance compute)中的超大文件(>10G的单个文件)及高并发环境(多人同时访问同一个文件)）；

复合卷：

哈希复制卷（distributed replicated volume，生产常用，同时具有哈希卷和复制卷的特点）；

哈希条带卷（distributed striped volume）；

复制条带卷（replicated striped vlume）；

哈希复制条带卷（distributed replicated striped volume）；

glusterfs访问接口：

fuse architecture：

gluster数据流：

fuse w，libgfapi访问：

libgfapi访问：

数据自修复：

按需同步进行-->完全人工扫描-->并发自动修复-->基于日志

镜像文件副本保持一致性；

触发时机（访问文件目录时）；

判断依据（扩展属性）；

脑残问题（报错或按规则处理）；

容量LB：

rebalance后hash范围均衡分布，如添加一node会全局都变动；

目标（优化数据分布，最小化数据迁移）；

数据迁移自动化、智能化、并行化

文件更名：

fileA-->fileB，原先的hash映射关系失效，大文件难以实时迁移；

大量采用文件符号链接，访问时解析重定向；

容量负载优先：

设置容量阈值，优先选择可用容量充足的brick；

hash目标brick上创建文件符号链接，访问时重定向

glusterfs测试方法（功能性测试（广义&狭义）、数据一致性测试、POSIX语义兼容性测试、部署方式测试、可用性测试、扩展性测试、稳定性测试、压力测试、性能测试）：

功能性测试（手动或测试脚本；glusterfs（创建、启动、停止、删除卷操作，设置等）；FS的功能性测试（fstest文件控制与操作；系统API调用LTP；锁应用locktest）；

数据一致性测试（测试存入与读出的数据是否一致，方法：md5加密、diff、编译内核等）

POSIX语义测试（PCTS、LTP）；

部署方式测试（测试不同场景下的系统部署方式，自动安装配置，集群规模，网络、存储等配置）；

可用性测试（测试系统的高可用性，集群中某些server或disk、network等错误情况下系统是否可用，管理是否简单可靠，覆盖功能点（副本、自修复、管理服务））；

扩展性测试（测试系统的弹性扩展功能；扩展系统后的性能影响；线性扩展能力）；

稳定性测试（验证系统在长时间运行下，是否正常，功能是否正常，使用LTP、iozone、postmark进行自动化测试）；

压力测试（验证在大压力下，系统运行及资源消耗情况，iozone、postmark工具进行自动化测试；top、iostat、sar等进行系统监控）；

性能测试（系统在不同负载情况下的性能，iozone(带宽)、postmark(ops)、fio(iops)、dd工具进行自动化测试；关键点（顺序rw、随机rw、目录操作（创建、删除、查找、更新）、大量小文件rw、大文件rw）；主要衡量指标（iops随机小文件随机rw能力、带宽、大文件连续rw能力）；其它衡量指标（cpu利用率、iowait））；

dd（大文件，顺序rw，带宽，单进程，临时文件，手动记录结果，无法重定向）：

#dd if=/dev/zero of=/mnt/mountpoint/filebs=1M count=100   #（w）

#dd if=/mnt/mountpoint/file of=/dev/nullbs=1M   #（r）

iozone（顺序/随机rw，带宽，多进程，临时文件可选留存，可自动生成excel表记录结果值）：

#iozone -t 1 -s 1g -r 128k -i 0 -i 1 -i 2-R -b /result.xls -F /mnt/mountpoint/file

-t（进程数）；

-s（测试的文件大小）；

-r（文件块大小）；

-i #（用来指定测试内容）；

-R（产生excel格式的输出日志）；

-b（产生二进制的excel日志）；

-F（指定测试的临时文件组）；

-g（指定最大测试文件大小）；

postmark（ops，元数据操作（创建、r、w、附加、删除），小文件，单进程，可重定向结果，无遗留临时文件，使用方法（配置文件或CLI））：

常用参数：

set size min_size max_size（设置文件大小的上下限）

set number XXX（设置并发文件数）

set seed XXX（设置随机数种子）

set transactions XXX（设置事务数）

set location（设置工作目录，要是已有目录，默认当前目录）

set subdirectory n n（为每个工作目录下的子目录个数）

set read n（设置rw块大小）

set write n

fio（iops，元数据操作（创建、r、w、附加、删除），小文件，多进程，可重定向结果，无遗留临时文件，使用方法（配置文件或CLI））：

参数：

filename=/tmp/file（测试文件名）

direct=1（测试过程绕过机器自带的buffer）

rw=randrw（测试随机r和w的io）

bs=16k（单次io的块文件大小为16k）

bsrange=512-2048（同上，指定数据块的大小范围）

size=5g（测试文件大小为5g）

numjobs=30（测试线程数）

runtime=1000（测试时间1000s，若不写则写完为止）

ioengine=sync（io引擎使用sync方式）

rwmixwrite=30（在混合rw的模式下，写占30%）

其它性能测试：

FS（make、mount、umount、remount）；

copy、recopy、remove（大文件，>=4g）；

extract、tar（linux内核源码树）；

copy、recopy、remove（linux内核源码树）；

list、find（linux内核源码树）；

编译linux内核；

create、copy、remove（海量文件目录，>=1000000）

FS分类：

分布式FS（c/s架构或网络FS；数据不是本地直连方式）；

集群FS（分布式FS的一个子集；多node协同服务，不存在单点）；

并行FS（支持MPI等并行应用；并发rw，所有node可同时rw同一个文件）；

产品：

商业：EMC的isilon；IBM的sonas；HP的X9000；huawei的oceanstor9000；blue whale的BWFS；loongcun的LoongStore；

开源：Lustre；glusterfs；ceph；moosefs；HDFS；fastDFS；TFS

moosefs：

moosefs是一个高容错性的分布式FS，它能够将资源分布存储在几台不同的物理介质，对外只提供给用户一个访问接口；高可靠性（数据可被存储于几个不同的地方）；可扩展性（可动态的添加server或disk来增加容量）；高可控性（系统能设置删除文件的时间间隔）；可追溯性（能根据文件的不同操作，r or w，生成文件快照；

lustreFS：

LustreFS是一个基于对象存储的开源分布式FS，提供与POSIX兼容的FS接口；目前lustreFS最多可支持10w个client，1K个oss和2个MDS节点；实验与应用已证明，lustreFS的性能和可扩展性都不错；还拥有基于对象的智能化存储、安全的认证机制、完善的容错机制，而且实现了文件锁功能；SUN说lustre是目前全球具有最佳可扩展性的并行FS，现全球十大超级计算机中的6个以及top100中的40%的超级计算机都采用了这个系统；

lustre组成：

元数据存储管理（MDS负责管理元数据，提供一个全局的命名空间，client可通过MDS读取到保存于MDT之上的元数据，在lustre中MDS可有2个，采用了active-standby的容错机制，当其中一个MDS故障另一个MDS启动服务接替，MDT只能有1个，不同MDS之间共享访问同一个MDT）；

文件数据存储与管理（OSS负责提供i/o服务，接受并服务来自网络的请求，通过OSS，可访问到保存在OST上的文件数据，一个OSS对应2-8个OST，OST上的文件数据是以分条的形式保存的，文件的分条可在一个OSS之中，也可保存在多个OSS中，lustre的特色之一是其数据是基于对象的职能存储的，与传统的基于块的存储方式有所不同）；

lustre系统访问入口（通过client来访问系统，client为挂载了lustreFS的任意node，client提供了linux下VFS与lustre系统之间的接口，通过client用户可访问操作lustre系统中的文件）；

ceph：

ceph是一个开源的分布式块、对象和文件统一存储平台，sage weil专为其博士论文设计的新一代自由软件分布式FS，2010年，linus torvalds将ceph client合并到2.6.34的kernel中；优点：元数据集群、动态元数据分区、智能对象存储系统、支持PB级存储、高可靠性、支持复制、自动故障探测与修改、自适应满足不同应用负载、大文件和小文件均表现好；不足：数据可用性更多依赖底层FS，btrfs，复制存储利用率低，设计和实现太过复杂，管理也复杂，目前仍不成熟，不建议用于生产环境

开源并行FS比较（glusterfs VS moosefs VS lustre VS ceph）：