Web集群实现共享存储的架构演变及MogileFS

车皮

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；
===================================================================
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
===================================================================


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

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)

服务器规划

服务安装及启动
数据库授权
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)


# 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
[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
[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)
[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)
[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() NONE3.6 配置前端代理Nginx
重新编译安装nginx，添加nginx-mogilefs-module-master模块
[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
[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
[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
[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

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


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！