分布式文件系统FastDFS原理讲解

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FastDFS是一个开源的分布式文件系统,她对文件进行管理,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。特别适合以文件为载体的在线服务,如相册网站、视频网站等等。

FastDFS服务端有两个角色:跟踪器(tracker)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。

存储节点存储文件,完成文件管理的所有功能:存储、同步和提供存取接口,FastDFS同时对文件的meta data进行管理。所谓文件的meta data就是文件的相关属性,以键值对(key value pair)方式表示,如:width=1024,其中的key为width,value为1024。文件meta data是文件属性列表,可以包含多个键值对。其中value的值建议范围:4KB < file_size <500MB。

FastDFS系统结构

FastDFS系统结构图

跟踪器和存储节点都可以由一台多台服务器构成。跟踪器和存储节点中的服务器均可以随时增加或下线而不会影响线上服务。其中跟踪器中的所有服务器都是对等的,可以根据服务器的压力情况随时增加或减少。

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中的文件标识分为两个部分:卷名和文件名,二者缺一不可。

存储节点Storage server

Storage server(后简称storage)以组(卷,group或volume)为单位组织,一个group内包含多台storage机器,数据互为备份,存储空间以group内容量最小的storage为准,所以建议group内的多个storage尽量配置相同,以免造成存储空间的浪费。

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(后面会介绍),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,然后将文件数据直接作为一个本地文件存储到该目录中。

跟踪器Tracker server

Tracker是FastDFS的协调者,负责管理所有的storage server和group,每个storage在启动后会连接Tracker,告知自己所属的group等信息,并保持周期性的心跳,tracker根据storage的心跳信息,建立group==>[storage server list]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。

FastDFS上传文件交互过程

FastDFS上传文件交互过程

  1. client询问tracker上传到的storage,不需要附加参数;
  2. tracker返回一台可用的storage;
  3. client直接和storage通讯完成文件上传。 

FastDFS下载文件交互过程

FastDFS下载文件交互过程

  1. client询问tracker下载文件的storage,参数为文件标识(卷名和文件名);
  2. tracker返回一台可用的storage;
  3. client直接和storage通讯完成文件下载。

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