Linux集群文件系統GFS的研究應用

張 超

（大慶油田信息技術公司北京分公司，北京 100043）

信息時代之下，隨著網絡技術的不斷成熟，如何通過網絡來形成一個相對較大的資源池，并且進一步實現對于相關資源的優化利用，成為當前該環境下共同的關注重點。而對于存儲領域而言，同樣存在類似的發展趨勢，集群存儲技術已經成為當前發展的重要方向，并且從需求的角度看，其存在也必然會在未來煥發出獨特的生命力。

1 集群存儲技術淺析

集群存儲技術，從概念的角度看，就是由物理上分散的多個通用存儲設備通過網絡共同組成的，用于存儲的集群體系。整個集群存儲體系通過網絡保持聯系，并且由相應的管理系統展開控制，實現對于整個集群環境中整體存儲能力的提升與優化。

在實際的工作系統發展過程中，集群是作為本地存儲系統能力限制以及利用率不足同時出現的一種有效解決方案。在其應用環境中，主要價值體現在負載均衡、分布式操作以及良好的擴展彈性三個主要方面。其中負載均衡，即集群存儲通過相應的系統控制，來實現在整個體系環境中的負載均衡，通過相應的算法和策略，將來源于用戶的訪問以一種更為合理的方式分散到不同的存儲節點上，同時通過開放式的架構和后端網絡實現數據存儲的格局優化。而這一切，都需要分布式操作系統的有效支持，其負責面向整個集群存儲體系實現管理，并且考慮到需要面向分散的用戶群體提供具有針對性的服務，該種操作系統同樣選用分布式作為主要實現方式，多個節點之間并行工作，雖然在算法和同步方面會帶來額外開銷，但是性能方面卻可以得到進一步的提升。最后，在開放性特征方面，主要是考慮到當前工作環境本身都呈現出的越來越強的彈性特征，因此會要求集群存儲體系能夠支持面向存儲節點、前端網絡以及后端網絡實現多個層面的開放支持。同時這種開放特征，對于系統本身的成長而言同樣具有積極價值

依據工作原則以及系統結構的不同，集群存儲系統可以分為對稱式集群存儲體系和非對稱式集群存儲體系兩種。在對稱結構環境中，所有的存儲節點都存儲有磁盤結構的全部信息，因此每一個節點都可以獨立提供元數據的相關訪問服務，而元數據的管理和同步則通過網絡和分布式控制體系加以實現。該領域中的典范包括IBM的GPFS（General Parallel File System）以及Red Hat的GFS（Google File System）。而非對稱式集群存儲體系則是由一個或一組專用元數據服務器展開對于文件系統和磁盤結構的維護和管理，所有的服務提供只能由這樣一組服務器提供。在該領域環境中，典范產品包括Panasas的PanFS以及Lustre的Cluster FS（Cluster File System）等。

2 GFS工作體系的深入分析

在對稱結構的集群存儲系統中，GPFS由Tiger Shark發展而來，一直以來以其高性能和良好的彈性著稱于世，并且在可用性方面也有不俗表現。但是GFS作為開源的典范，同樣受到一貫的關注，其能夠對Unix語義和POSIX標準實現良好支持，能夠通過日志實現客戶節點失效的快速恢復，支持采用設備端的數據塊級的分布式鎖機制來對文件讀寫進行同步。

圖1為其框架示意圖。

圖1 GFS體系結構示意圖

進一步從軟件實現的角度看，GFS體系中的全局文件系統采用C/S方式加以實現，客戶端需要承擔操作系統與VFS層的接口實現，并且提供標準文件系統操作支持。其客戶端的邏輯結構參見圖2。

圖2 GFS客戶端邏輯結構示意圖

在客戶端，GFS的文件請求均由服務器來實現。當出現大量頻繁的數據請求的時候，為了避免數據環境中過大的系統資源開銷，文件讀寫系統會提供一個旁路緩沖標志，在該標志的指引下，數據可以不需要緩沖直接送達服務器。對應的服務器端的邏輯結構參見圖3。

圖3 GFS系統服務器端邏輯結構示意圖

在服務器端，GFS服務器中的服務線程接收用戶的文件請求，而后請求觸發硬件終端，并且由系統喚醒等待的線程來處理這個請求，并且將對應的輸出結果進行發送。

3 結論

在分布式集群存儲技術環境中，多種產品競相發展，不同的技術均具有不同的應用特征，并且在實踐的過程中呈現出對應的適用性。針對此種狀態，實際中必須針對實際情況展開全面而深入的分析，并且切實了解不同的集群存儲特征，才能實現有效選擇。

[1]Schmuck F, Haskin R. GPFS:A Shared-disk File System for Large Computing Clusters.Proc.of Conference on File and Storage Technologies, 2002-01-28.

[2]Preslan K W, Barry A, Brassow J. Scalability and Failure Recovery in a Linux Cluster File System.USENIX Association, 2000.