FastDFS分布式存储原理和集群部署

一、分布式文件系统介绍

分布式文件系统：Distributed file system, DFS，又叫做网络文件系统：Network File System。一种允许文件通过网络在多台主机上分享的文件系统，可让多机器上的多用户分享文件和存储空间。

特点：在一个分享的磁盘文件系统中，所有节点对数据存储区块都有相同的访问权，在这样的系统中，访问权限就必须由客户端程序来控制。分布式文件系统可能包含的功能有：透通的数据复制与容错。
分布式文件系统是被设计用在局域网。而分布式数据存储，则是泛指应用分布式运算技术的文件和数据库等提供数据存储服务的系统。

决定因素：数据的存储方式、数据的读取速率、数据的安全机制。

发展历史：大致分为三个发展阶段，网络文件系统(1980s)、共享SAN文件系统(1990s)、面向对象的并行文件系统(2000s)。

二、FastDFS分布式系统架构介绍

FastDFS：是一个开源的轻量级分布式文件系统，功能包括：文件存储、文件同步、文件访问（文件上传、文件下载）等，解决了大容量存储和负载均衡的问题。特别适合中小文件（建议范围：4KB < file_size <500MB），对以文件为载体的在线服务，如相册网站、视频网站等。

FastDFS是为互联网应用量身定做的分布式文件系统，充分考虑了冗余备份、负载均衡、线性扩容等机制，并注重高可用、高性能等指标。和现有的类Google FS分布式文件系统相比，FastDFS的架构和设计理念有其独到之处，主要体现在轻量级、分组方式和对等结构三个方面。

FastDFS架构图

FastDFS服务端有两个角色：跟踪器（tracker）和存储节点（storage）。跟踪器主要做调度工作，在访问上起负载均衡的作用。

FastDFS模块介绍

1）tracker server：跟踪服务器，用来调度来自客户端的请求，且在内存中记录所有存储组和存储服务器的信息状态。
2）storage server：存储服务器，用来存储文件(data)和文件属性(metadata)。
3）client：客户端，业务请求发起方，通过专用接口基于TCP协议与tracker server和storage server进行交互。
4）group：组，也可称为卷，同组内上的文件是完全相同的。
5）文件标识：包括两部分，组名（group）和文件名（含路径）
6）文件相关属性：键值对(Key Value Pair)方式
7）文件名：与原文件名并不相同。由storage server根据特定信息生成，并且可逆，文件名包含：源存储服务器的IP地址、文件创建时间戳、文件大小、随机数和文件扩展名等。

FastDFS由跟踪服务器(Tracker Server)、存储服务器(Storage Server)和客户端(Client)构成

跟踪服务器Tracker Server

主要做调度工作，起到均衡的作用；负责管理所有的 storage server和 group，每个 storage 在启动后会连接 Tracker，告知自己所属 group 等信息，并保持周期性心跳。tracker根据storage的心跳信息，建立group==>[storage serverlist]的映射表。

Tracker需要管理的元信息很少，会全部存储在内存中；另外tracker上的元信息都是由storage汇报的信息生成的，本身不需要持久化任何数据，这样使得tracker非常容易扩展，直接增加tracker机器即可扩展为tracker cluster来服务，cluster里每个tracker之间是完全对等的，所有的tracker都接受stroage的心跳信息，生成元数据信息来提供读写服务。

存储服务器Storage Server

主要提供容量和备份服务；以 group 为单位，每个 group 内可以有多台 storage server，数据互为备份。以group为单位组织存储能方便的进行应用隔离、负载均衡、副本数定制（group内storage server数量即为该group的副本数），比如将不同应用数据存到不同的group就能隔离应用数据，同时还可根据应用的访问特性来将应用分配到不同的group来做负载均衡；缺点是group的容量受单机存储容量的限制，同时当group内有机器坏掉时，数据恢复只能依赖group内地其他机器，使得恢复时间会很长。

group内每个storage的存储依赖于本地文件系统，storage可配置多个数据存储目录，比如有10块磁盘，分别挂载在/data/disk1-/data/disk10，则可将这10个目录都配置为storage的数据存储目录。storage接受到写文件请求时，会根据配置好的规则选择其中一个存储目录来存储文件。为了避免单个目录下的文件数太多，在storage第一次启动时，会在每个数据存储目录里创建2级子目录，每级256个，总共65536个文件，新写的文件会以hash的方式被路由到其中某个子目录下，然后将文件数据作为本地文件存储到该目录中。

客户端Client
主要是上传下载数据的服务器，也就是我们自己的项目所部署在的服务器。每个客户端服务器都需要安装Nginx

基本架构如下图所示。

FastDFS的存储策略

为了支持大容量，存储节点（服务器）采用了分卷（或分组）的组织方式。存储系统由一个或多个卷组成，卷与卷之间的文件是相互独立的，所有卷的文件容量累加就是整个存储系统中的文件容量。一个卷可以由一台或多台存储服务器组成，一个卷下的存储服务器中的文件都是相同的，卷中的多台存储服务器起到了冗余备份和负载均衡的作用。

在卷中增加服务器时，同步已有的文件由系统自动完成，同步完成后，系统自动将新增服务器切换到线上提供服务。当存储空间不足或即将耗尽时，可以动态添加卷。只需要增加一台或多台服务器，并将它们配置为一个新的卷，这样就扩大了存储系统的容量。

FastDFS的上传过程

FastDFS向使用者提供基本文件访问接口，比如upload、download、append、delete等，以客户端库的方式提供给用户使用。

Storage Server会定期的向Tracker Server发送自己的存储信息。当Tracker Server Cluster中的Tracker Server不止一个时，各个Tracker之间的关系是对等的，所以客户端上传时可以选择任意一个Tracker。

当Tracker收到客户端上传文件的请求时，会为该文件分配一个可以存储文件的group，当选定了group后就要决定给客户端分配group中的哪一个storage server。当分配好storage server后，客户端向storage发送写文件请求，storage将会为文件分配一个数据存储目录。然后为文件分配一个fileid，最后根据以上的信息生成文件名存储文件。文件名的格式如下：

FastDFS的文件同步

写文件时，客户端将文件写至group内一个storage server即认为写文件成功，storage server写完文件后，会由后台线程将文件同步至同group内其他的storage server。

每个storage写文件后，同时会写一份binlog，binlog里不包含文件数据，只包含文件名等元信息，这份binlog用于后台同步，storage会记录向group内其他storage同步的进度，以便重启后能接上次的进度继续同步；进度以时间戳的方式进行记录，所以最好能保证集群内所有server的时钟保持同步。
storage的同步进度会作为元数据的一部分汇报到tracker上，tracke在选择读storage的时候会以同步进度作为参考。

客户端上传文件后存储与服务器将文件ID返回给客户端，此文件ID用于以后访问该文件的索引信息。文件索引信息包括：组名，虚拟磁盘路径，数据两级目录，文件名。

路径格式：

FastDFS的文件下载

客户端uploadfile成功后，会拿到一个storage生成的文件名，接下来客户端根据这个文件名即可访问到该文件。

跟upload file一样，在downloadfile时客户端可以选择任意tracker server。tracker发送download请求给某个tracker，必须带上文件名信息，tracke从文件名中解析出文件的group、大小、创建时间等信息，然后为该请求选择一个storage用来服务读请求。

FastDFS性能方案

三、Centos下部署FastDFS分布式存储操作记录