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Web集群实现共享存储的架构演变及MogileFS

2017-11-23 1670
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本文涉及的产品
云数据库 RDS MySQL Serverless，0.5-2RCU 50GB
推荐场景：
学生管理系统数据库设计 搭建个人博客
简介：

本篇博客从Web集群中亟需解决的大容量存储问题引入，分析了几类常用的共享存储架构，重点解析了分布式存储系统的原理及配置实现；

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1 共享存储的架构演变

2 分布式存储系统

    2.1 基础知识

    2.2 分类

    2.3 CAP理论

    2.4 协议

3 MogileFS

    3.1 特性

    3.2 架构

    3.3 组成

    3.4 服务安装及启动

    3.5 配置部署

    3.6 配置前端代理Nginx

    3.7 访问验证

    3.8 后续扩展

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1 共享存储的架构演变

  • rsync+inotify：本地各保留一份完整数据，但通过rsync实时同步修改文件，双主模型哦

  • NFS：多节点挂载后性能下降严重；存在单点故障，且多个客户端并发修改同一个文件时可能出现不一致的情况；

  • SAN：存储区域网络，不适用于海量高并发的存储场景，且代价昂贵；可通过软件实现iSCSI存储网络；涉及GFS2/CLVM(LVM2)

  • MooseFS：分布式文件系统，适用于海量小文件存储；支持FUSE，可被挂载使用；

  • MogileFS：分布式存储系统，适用于海量小文件存储；不支持FUSE，只能通过API调用；


2 分布式存储系统

2.1 基础知识

定义：分布式存储系统是大量普通PC服务器通过Internet互联，对外作为一个整体提供存储服务

特性：

  • 可扩展：分布式存储系统可以扩展到几百台至几千台的集群规模，且随着集群规模的增长，系统整体性能表现为线性增长；

  • 低成本：分布式存储系统的自动容错、自动负载均衡机制使其可以构建在普通PC机之上；另外，线性扩展能力也使得增加、减少机器非常方便，可以实现自动运维；

  • 高性能：无论是针对整个集群还是单台服务器，都要求分布式系统具备高性能；

  • 易用：分布式存储系统需要能够提供易用的对外接口；另外，也要求具备完善的监控、运维工具，并能方便的与其他系统集成，如从Hadoop云计算系统导入数据；

挑战：在于数据、状态信息的持久化，要求在自动迁移、自动容错、并发读写的过程中保证数据的一致性；

2.2 分类

数据类型大致可分为非结构化数据(如文本、图片、视频等)，结构化数据(一般存储在关系型数据库中)，半结构化数据(如HTML文档)；根据处理不同类型数据的需求，分布式存储系统可分为如下4类：

  • 分布式文件系统：用于存储Blob对象，如图片、视频等，这类数据以对象的形式组织，对象之间没有关联；如GFS，MogileFS等；

  • 分布式键值系统：用于存储关系简单的半结构化数据，它只提供基于主键的CRUD(Create/Read/Update/Delete)功能；如Memcache，Redis等；

  • 分布式表格系统：用于存储关系较为复杂的半结构化数据，不仅支持简单的CRUD操作，还支持扫描某个主键范围；如Google Bigtable、Megastore；

  • 分布式数据库：用于存储结构化数据，利用二维表格组织数据；如MySQL Sharding集群，Google Spanner等；

2.3 CAP理论

来自Berkerly的Eric Brewer教授提出了一个著名的CAP理论：一致性(Consistency)，可用性(Availability)和分区容忍性(Tolerance of network Partition)三者不能同时满足：

  • C：读操作总是能读取到之前完成的写操作结果，满足这个条件的系统成为强一致系统，这里的“之前”一般对同一个客户端而言；

  • A：读写操作在单台机器发生故障的情况下依然能够正常执行，而不需要等待发生故障的机器重启或者其上的服务迁移到其他机器；

  • P：机器故障、网络故障、机房停电等异常情况下仍然能够满足一致性和可用性；

分布式存储系统要求能够自动容错，即分区可容忍性总是需要满足的，因此，一致性和写操作的可用性就不能同时满足了，需要在这二者间权衡，是选择不允许丢失数据，保持强一致，还是允许少量数据丢失以获得更好的可用性；

2.4 协议

分布式协议涉及的协议很多，例如租约，复制协议，一致性协议，其中以两阶段提交协议和Paxos协议最具有代表性；

两阶段提交协议(Two-phase Commit，2PC)用以保证跨多个节点操作的原子性，即跨多个节点的操作要么在所有节点上全部执行成功，要么全部失败；

两个阶段的执行过程如下：

  • 阶段一：请求阶段(Prepare phase)，在请求阶段，协调者通知事务参与者准备提交或者取消事务，然后进入表决过程；

  • 阶段二：提交阶段(Commit phase)；

Paxos协议用于确保多个节点对某个投票(例如哪个节点为主节点)达成一致；


3 MogileFS

3.1 特性

  • 工作于应用层：无需特殊的核心组件；

  • 无单点：三大组件(tracker，mogstore，database)皆可实现高可用；

  • 自动文件复制：复制的最小单位不是文件，而是class；基于不同的class，文件可以被自动的复制到多个有足够存储空间的存储节点上；

  • 传输中立，无特殊协议：可以通过NFS或HTTP协议进行通信；

  • 简单的命名空间：文件通过一个给定的key来确定，是一个全局的命名空间；没有目录，基于域实现文件隔离；

  • 不共享数据：无需通过昂贵的SAN来共享磁盘，每个存储节点只需维护自己所属的存储设备(device)即可；

3.2 架构

wKiom1N5jnXTNFaZAAITIAkEXNM059.jpg

Tracker：MogileFS的核心，是一个调度器；服务进程为mogilefsd；可以做负载均衡调度；

  • 主要职责有：

  • 数据删除；

  • 数据复制；

  • 监控：故障后生成新的数据副本；

  • 查询；

Database：Tracker访问Database，返回用户可用的Storage Node及文件的存放位置；

mogstored：数据存储的位置，通常是一个HTTP(WebDAV)服务器，用于数据的创建、删除、获取等；不可做负载均衡调度；

3.3 组成

MogileFS由3个部分组成：

server：主要包括mogilefsd和mogstored两个应用程序。

  • mogilefsd实现的是tracker，它通过数据库来保存元数据信息，包括站点domain、class、host等；

  • mogstored是存储节点(store node)，它其实是个WebDAV服务，默认监听在7500端口，接受客户端的文件存储请求。

Utils（工具集）：主要是MogileFS的一些管理工具，例如mogadm等；

  • 在MogileFS安装完后，要运行mogadm工具将所有的store node注册到mogilefsd的数据库里，mogilefsd会对这些节点进行管理和监控；

客户端API：MogileFS的客户端API很多，例如Perl、PHP、Java、Python等，用这个模块可以编写客户端程序，实现文件的备份管理功能等；

3.4 服务安装及启动

基本架构(在LNMT架构的基础上改进)

wKioL1N5jryCLxbNAAcokoPHoI8707.jpg

服务器规划

wKiom1N5jv6RaOl_AALC6DaRAQg067.jpg

服务安装及启动

数据库授权

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MariaDB [(none)]> grant all on *.* to  'root' @ '192.168.%.%'  identified by  'magedu' ;
Query OK, 0 rows affected (0.01 sec)
MariaDB [(none)]> grant all on mogdb.* to  'moguser' @ '192.168.%.%'  identified by  'mogpass' ;
Query OK, 0 rows affected (0.02 sec)
MariaDB [(none)]> flush privileges;
Query OK, 0 rows affected (0.00 sec)
MariaDB [(none)]>
grant all on *.* to  'root' @ '192.168.%.%'  identified by  'magedu' ;
grant all on mogdb.* to  'moguser' @ '192.168.%.%'  identified by  'mogpass' ;
flush privileges;

主机192.168.0.45(mogilefs+mogilestored)


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# 所需程序包
[root@mysql mogilefs] # ls
MogileFS-Server-2.46-2.el6.noarch.rpm            perl-MogileFS-Client-1.14-1.el6.noarch.rpm
MogileFS-Server-mogilefsd-2.46-2.el6.noarch.rpm  perl-Net-Netmask-1.9015-8.el6.noarch.rpm
MogileFS-Server-mogstored-2.46-2.el6.noarch.rpm  perl-Perlbal-1.78-1.el6.noarch.rpm
MogileFS-Utils-2.19-1.el6.noarch.rpm
[root@mysql mogilefs] # yum install -y *.rpm perl-IO-AIO
# 修改配置文件
[root@mysql mogdata] # vi /etc/mogilefs/mogilefsd.conf # 调度器tracker的配置文件
     # Enable daemon mode to work in background and use syslog 
     daemonize = 1
     # Where to store the pid of the daemon (must be the same in the init script)
     pidfile =  /var/run/mogilefsd/mogilefsd .pid
     # Database connection information
     db_dsn = DBI:mysql:mogdb:host=192.168.0.45:3406     # 存储元数据的数据库信息，包括数据库mogdb及连接地址192.168.0.45:3406
     db_user = moguser      # 数据库用户名
     db_pass = mogpass      # 数据库登录密码
     # IP:PORT to listen on for mogilefs client requests
     listen = 192.168.0.45:7001
[root@mysql mogdata] # vi /etc/mogilefs/mogstored.conf # 存储节点mogstored的配置文件
     maxconns = 10000      # 最大连接数
     httplisten = 0.0.0.0:7500  # http请求监听的地址和端口
     mgmtlisten = 0.0.0.0:7501
     docroot =  /var/mogdata  # 存储设备挂载目录，可修改
# 准备存储设备
[root@mysql mogdata] # fdisk /dev/sda # 新建分区sda4，大小10G(实际生产环境中，此为整块磁盘，而非分区)
[root@mysql mogdata] # kpartx -af /dev/sda
[root@mysql mogdata] # partx -a /dev/sda
[root@mysql mogdata] # cat /proc/partitions # 验证分区已创建成功
[root@mysql mogdata] # mke2fs -t ext4 /dev/sda4 # 初始化分区
[root@mysql mogdata] # mkdir /var/mogdata
[root@mysql mogdata] # mount -t ext4 /dev/sda4 /var/mogdata/ # 挂载分区
[root@mysql mogdata] # mkdir /var/mogdata/dev1 # 创建存储设备dev1(注：在192.168.0.46上，此为dev2)
[root@mysql mogdata] # chown -R mogilefs.mogilefs /var/mogdata/
# 初始化数据库
[root@mysql mogdata] # mogdbsetup --dbhost=192.168.0.45 --dbport=3406 --dbrootuser=root --dbrootpass=magedu --dbuser=moguser --dbpass=mogpass --dbname=mogdb --yes
# 初始化数据库执行一次即可，故在主机192.168.0.46上无需执行此步骤
# 启动服务
[root@mysql mogilefs] # service mogilefsd start
Starting mogilefsd                                         [  OK  ]
[root@mysql mogilefs] # service mogstored start
Starting mogstored                                         [  OK  ]

主机192.168.0.46(mogilefs+mogilestored)

同上，直至mogilefsd和mogstored服务都正常启动

3.5 配置部署(任意一个tracker节点上配置即可，如192.168.0.45)

添加节点

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[root@mysql mogdata] # echo "trackers = 192.168.0.45:7001" > /etc/mogilefs/mogilefs.conf # 管理程序mogadm的配置文件
[root@mysql mogdata] # mogadm host add 192.168.0.45 --ip=192.168.0.45 --status=alive # 添加节点1
[root@mysql mogdata] # mogadm host add 192.168.0.46 --ip=192.168.0.46 --status=alive # 添加节点2
[root@mysql mogilefs] # mogadm host list # 查看已添加节点
192.168.0.45 [1]: alive
   IP:       192.168.0.45:7500
192.168.0.46 [2]: alive
   IP:       192.168.0.46:7500

添加设备

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[root@mysql mogdata] # mogadm device add 192.168.0.45 1 # 添加存储设备1，设备编号需与/var/mogdata目录下的dev1目录保持一致
[root@mysql mogdata] # mogadm device add 192.168.0.46 2 # 添加存储设备2，设备编号需与/var/mogdata目录下的dev2目录保持一致
[root@mysql mogdata] # mogadm device list # 查看已添加设备
192.168.0.45 [1]: alive
                     used(G)     free (G)   total(G)  weight(%)
    dev1:   alive      0.146      9.200      9.347        100
192.168.0.46 [2]: alive
                     used(G)     free (G)   total(G)  weight(%)
    dev2:   alive      0.146      9.199      9.346        100

添加domain(域)

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[root@mysql mogdata] # mogadm domain add images
[root@mysql mogdata] # mogadm domain add text
[root@mysql mogdata] # mogadm domain list
  domain               class                mindevcount   replpolicy   hashtype
-------------------- -------------------- ------------- ------------ -------
  images               default                   2        MultipleHosts() NONE
  text                 default                   2        MultipleHosts() NONE

添加class(文件类别)

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[root@mysql mogdata] # mogadm class add images class1 --mindevcount=2 # 在域images中添加类别class1和class2，最小文件复制份数为2
[root@mysql mogdata] # mogadm class add images class2 --mindevcount=2
[root@mysql mogdata] # mogadm class add text class1 --mindevcount=2 # 在域text中添加类别class1和class2，最小文件复制份数为2
[root@mysql mogdata] # mogadm class add text class2 --mindevcount=2
[root@mysql mogdata] # mogadm class list
  domain               class                mindevcount   replpolicy   hashtype
-------------------- -------------------- ------------- ------------ -------
  images               class1                    2        MultipleHosts() NONE
  images               class2                    2        MultipleHosts() NONE
  images               default                   2        MultipleHosts() NONE
  text                 class1                    2        MultipleHosts() NONE
  text                 class2                    2        MultipleHosts() NONE
  text                 default                   2        MultipleHosts() NONE

3.6 配置前端代理Nginx

重新编译安装nginx，添加nginx-mogilefs-module-master模块

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[root@nginx1  tar ] # cd /home/software/src/nginx-1.4.7/
[root@nginx1 nginx-1.4.7] # ./configure \
>   --prefix= /usr  \
>   --sbin-path= /usr/sbin/nginx  \
>   --conf-path= /etc/nginx/nginx .conf \
>   --error-log-path= /var/log/nginx/error .log \
>   --http-log-path= /var/log/nginx/access .log \
>   --pid-path= /var/run/nginx/nginx .pid  \
>   --lock-path= /var/lock/nginx .lock \
>   --user=nginx \
>   --group=nginx \
>   --with-http_ssl_module \
>   --with-http_flv_module \
>   --with-http_stub_status_module \
>   --with-http_gzip_static_module \
>   --http-client-body-temp-path= /var/tmp/nginx/client/  \
>   --http-proxy-temp-path= /var/tmp/nginx/proxy/  \
>   --http-fastcgi-temp-path= /var/tmp/nginx/fcgi/  \
>   --http-uwsgi-temp-path= /var/tmp/nginx/uwsgi  \
>   --http-scgi-temp-path= /var/tmp/nginx/scgi  \
>   --with-pcre \
>   --with-debug \
>   --add-module= /home/software/tar/nginx-mogilefs-module-master
[root@nginx1 nginx-1.4.7] # make && make install

配置Nginx，将静态文件和图片的访问都转发至后端MogileFS即可

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[root@nginx1 nginx] # cat /etc/nginx/nginx.conf
worker_processes  2;
error_log   /var/log/nginx/nginx .error.log;
pid         /var/run/nginx .pid;
events {
     worker_connections  1024;
}
http {
     include       mime.types;
     default_type  application /octet-stream ;
     log_format  main   '$remote_addr - $remote_user [$time_local] "$request" '
                       '$status $body_bytes_sent "$http_referer" '
                       '"$http_user_agent" "$http_x_forwarded_for"' ;
     sendfile        on;
     keepalive_timeout  65;
     fastcgi_cache_path  /www/cache  levels=1:2 keys_zone=fcgicache:10m inactive=5m;
     upstream mogfs_cluster {  # 定义后端mogilefs集群
         server 192.168.0.45:7001;
         server 192.168.0.46:7001;
     }
     server {
         listen       4040;
         server_name  xxrenzhe.lnmmp.com;
         access_log   /var/log/nginx/nginx-img .access.log  main;
         root  /www/lnmmp .com;
         valid_referers none blocked xxrenzhe.lnmmp.com *.lnmmp.com;
         if  ($invalid_referer) {
             rewrite ^/ http: //xxrenzhe .lnmmp.com /404 .html
         }
         location ~* ^( /images/ .*)$ {     # 图片访问直接转发至后端mogilefs集群
             mogilefs_tracker mogfs_cluster;
             mogilefs_domain images;     # 指定images域
             mogilefs_noverify on;
             mogilefs_pass $1 {     # 传输访问的全路径(/images/.*)
                 proxy_pass $mogilefs_path;
                 proxy_hide_header Content=Type;
                 proxy_buffering off;
             }
         }
     }
     server {
         listen       80;
         server_name  xxrenzhe.lnmmp.com;
         access_log   /var/log/nginx/nginx-static .access.log  main;
         location / {
             root    /www/lnmmp .com;
             index  index.php index.html index.htm;
         }
         location ~* ^( /text/ .*)$ {     # 文本访问直接转发至后端mogilefs集群
             mogilefs_tracker mogfs_cluster;
             mogilefs_domain text;     # 指定text域
             mogilefs_noverify on;
             mogilefs_pass $1 {     # 传输访问的全路径(/text/.*)
                proxy_pass $mogilefs_path;
                proxy_hide_header Content=Type;
                proxy_buffering off;
             }
         }
         gzip  on;
         gzip_comp_level 6;
         gzip_buffers 16 8k;
         gzip_http_version 1.1;
         gzip_types text /plain  text /css  application /x-javascript  text /xml  application /xml ;
         gzip_disable msie6;
     }
     server {
         listen       8080;
         server_name  xxrenzhe.lnmmp.com;
         access_log   /var/log/nginx/nginx-php .access.log  main;
         location / {
             root    /www/lnmmp .com;
             index  index.php index.html index.htm;
         }
         error_page  404               /404 .html;
         error_page  500 502 503 504   /50x .html;
         location =  /50x .html {
             root    /www/lnmmp .com;
         }
         location ~ \.php$ {
             root            /www/lnmmp .com;
             fastcgi_pass   127.0.0.1:9000;
           fastcgi_cache  fcgicache;
           fastcgi_cache_valid 200 302 1h;
           fastcgi_cache_valid 301 1d;
           fastcgi_cache_valid any 1m;
           fastcgi_cache_min_uses 1;
           fastcgi_cache_key $request_method: // $host$request_uri;
           fastcgi_cache_use_stale error timeout invalid_header http_500;
             fastcgi_index  index.php;
             fastcgi_param  SCRIPT_FILENAME  $document_root$fastcgi_script_name;
             include        fastcgi_params;
         }
     }
}

启动nginx服务

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[root@nginx1 nginx] # service nginx start
Starting nginx:                                            [  OK  ]

3.7 访问验证

上传文件测试分布式文件系统MogileFS的功能

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[root@mysql mogdata] # mogupload --domain=images --key='/images/fish.jpg' --file="/images/fish.jpg" # 上传图片文件，选择images域
[root@mysql mogdata] # mogupload --domain=text --key='/text/index.html' --file="/text/index.html" # 上传文本文件，选择text域
[root@mysql mogdata] # moglistkeys --domain=images # 列出已添加的key
/images/fish .jpg
[root@mysql mogdata] # moglistkeys --domain=text
/text/index .html
[root@mysql mogdata] # mogfileinfo --domain=images --key='/images/fish.jpg' # 查看已添加文件的具体信息，包括实际可访问地址
-  file :  /images/fish .jpg
      class:              default
   devcount:                    2
     domain:               images
        fid:                    9
        key:      /images/fish .jpg
     length:                 3225
  - http: //192 .168.0.45:7500 /dev1/0/000/000/0000000009 .fid
  - http: //192 .168.0.46:7500 /dev2/0/000/000/0000000009 .fid
[root@mysql mogdata] # mogfileinfo --domain=text --key='/text/index.html'
-  file :  /text/index .html
      class:              default
   devcount:                    2
     domain:                 text
        fid:                    8
        key:      /text/index .html
     length:                   15
  - http: //192 .168.0.46:7500 /dev2/0/000/000/0000000008 .fid
  - http: //192 .168.0.45:7500 /dev1/0/000/000/0000000008 .fid

wKioL1N5kDKSm8M5AAIFP5jSOZ4098.jpg

wKioL1N5kEfyHb5GAAHQ2SleL4s408.jpg

说明：直接访问mogilefs提供的文件存储路径，访问正常；

结合Nginx，从前端访问测试

wKioL1N5kHqRsxb9AAG1O1WVluU610.jpg

wKioL1N5kI-Rfe30AAFcrLcKYOM853.jpg

说明：通过前端Nginx访问图片和文本文件一切正常，实现了对前端访问的透明性；

3.8 后续扩展

结合LNMT的架构，再通过Haproxy进行前端调度，就可以使用MogileFS这个分布式存储系统完全替代NFS，实现对图片文件和文本文件的存储和读写；

鉴于MogileFS的无目录性，无法直接挂载使用，故向mogilefs集群中添加文件则需要程序通过API调用上传(upload)文件，虽然对于运维人员有点不方便，但也保证了一定的高效性；

如果想体验直接挂载使用分布式文件系统的乐趣，则可以尝试使用MooseFS，在此就不多说了！










本文转自 xxrenzhe11 51CTO博客，原文链接：http://blog.51cto.com/xxrenzhe/1413521，如需转载请自行联系原作者
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