FastDFS原理详解

FastDFS原理

FastDFS是一个开源的轻量级分布式文件系统，纯C实现，目前提供了C、Java和PHP API。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。特别适合以中小文件（建议范围：4KB < file_size <500MB）为载体的在线服务。

Fast DFS系统有三个角色：跟踪服务器(Tracker Server)、存储服务器(Storage Server)和客户端(Client)。client请求Tracker server 进行文件上传、下载，通过Tracker server调度最终由Storage server完成文件上传和下载，在底层存储上通过逻辑的分组概念，使得通过在同组内配置多个Storage，从而实现软RAID10。

• Tracker server：跟踪服务器，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，tracker根据storage的心跳信息，建立group==>[storage server list]的映射表。
• Storage server：存储服务器，主要提供容量和备份服务；以group为单位，每个group内部可以有多台storage server，数据互为备份。客户端上传的文件最终存储在storage服务器上，Storage server没有实现自己的文件系统，而是利用操作系统的文件系统来管理文件，可以将storage称为存储服务器。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。
• Client：客户端，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。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

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跟踪服务器和存储节点都可以由一台或多台服务器构成，跟踪服务器和存储节点均可以随时增加或者下线不会影响线上服务，其中跟踪服务器中所有服务器是对 等，可以根据服务器压力情况随时增加或减少

文件的上传

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Storage server会连接集群中所有的Tracker server，定时向他们报告自己的状态，包括磁盘剩余空间、文件同步状况、文件上传下载次数等统计信息。

上传的内部机制如下：

• 选择tracker server

  当集群中不止一个tracker server时，由于tracker之间是完全对等无状态的关系，当集群中不止一个tracker server时，由于tracker之间是完全对等的关系，客户端在upload文件时可以任意选择一个trakcer。 选择存储的group 当tracker接收到upload file的请求时，会为该文件分配一个可以存储该文件的group，支持如下选择group的规则：

  1. Round robin，所有的group间轮询

  2. Specified group，指定某一个确定的group

  3. Load balance，剩余存储空间多多group优先

• 选择storage server

  当选定group后，tracker会在group内选择一个storage server给客户端，支持如下选择storage的规则：

  1. Round robin，在group内的所有storage间轮询

  2. First server ordered by ip，按ip排序

  3. First server ordered by priority，按优先级排序（优先级在storage上配置）

• 选择storage path

  当分配好storage server后，客户端将向storage发送写文件请求，storage将会为文件分配一个数据存储目录，支持如下规则：

  1. Round robin，多个存储目录间轮询
  2. 剩余存储空间最多的优先

• 生成Fileid

  选定存储目录之后，storage会为文件生一个Fileid，由storage server ip、文件创建时间、文件大小、文件crc32和一个随机数拼接而成，然后将这个二进制串进行base64编码，转换为可打印的字符串。 选择两级目录 当选定存储目录之后，storage会为文件分配一个fileid，每个存储目录下有两级256*256的子目录，storage会按文件fileid进行两次hash（猜测），路由到其中一个子目录，然后将文件以fileid为文件名存储到该子目录下

• 生成文件名

  当文件存储到某个子目录后，即认为该文件存储成功，接下来会为该文件生成一个文件名，文件名由group、存储目录、两级子目录、fileid、文件后缀名（由客户端指定，主要用于区分文件类型）拼接而成

文件的下载

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跟upload file一样，在download file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。

定位文件：客户端上传文件后存储服务器将文件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。

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• 组名：文件上传后所在的storage组名称，在文件上传成功后有storage服务器返回，需要客户端自行保存。
• 虚拟磁盘路径：storage配置的虚拟路径，与磁盘选项store_path*对应。如果配置了store_path0则是M00，如果配置了store_path1则是M01，以此类推。
• 数据两级目录：storage服务器在每个虚拟磁盘路径下创建的两级目录，用于存储数据文件。
• 文件名：与文件上传时不同。是由存储服务器根据特定信息生成，文件名包含：源存储服务器IP地址、文件创建时间戳、文件大小、随机数和文件拓展名等信息。

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知道FastDFS FID的组成后，我们来看看FastDFS是如何通过这个精巧的FID定位到需要访问的文件：

1. 通过组名tracker能够很快的定位到客户端需要访问的存储服务器组，并将选择合适的存储服务器提供客户端访问
2. 存储服务器根据“文件存储虚拟磁盘路径”和“数据文件两级目录”可以很快定位到文件所在目录，并根据文件名找到客户端需要访问的文件

同步时间管理

当一个文件上传成功后，客户端马上发起对该文件下载请求（或删除请求）时，tracker是如何选定一个适用的存储服务器呢？ 其实每个存储服务器都需要定时将自身的信息上报给tracker，这些信息就包括了本地同步时间（即，同步到的最新文件的时间戳）。而tracker根据各个存储服务器的上报情况，就能够知道刚刚上传的文件，在该存储组中是否已完成了同步。同步信息上报如下图：

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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。 比如一个group内有A、B、C三个storage server，A向C同步到进度为T1 (T1以前写的文件都已经同步到B上了），B向C同步到时间戳为T2（T2 > T1)，tracker接收到这些同步进度信息时，就会进行整理，将最小的那个做为C的同步时间戳，本例中T1即为C的同步时间戳为T1（即所有T1以前写的数据都已经同步到C上了）；同理，根据上述规则，tracker会为A、B生成一个同步时间戳。

集成Nginx

FastDFS通过Tracker服务器,将文件放在Storage服务器存储，但是同组存储服务器之间需要进入文件复制，有同步延迟的问题。

假设Tracker服务器将文件上传到了192.168.4.125，上传成功后文件ID已经返回给客户端。此时FastDFS存储集群机制会将这个文件同步到同组存储192.168.4.126，在文件还没有复制完成的情况下，客户端如果用这个文件ID在192.168.4.126上取文件,就会出现文件无法访问的错误。

而fastdfs-nginx-module可以重定向文件连接到文件上传时的源服务器取文件,避免客户端由于复制延迟导致的文件无法访问错误。

另外，使用nginx反向代理后，后端可以以HTTP请求的方式来访问文件资源。访问nginx反向代理+上传文件时的ID

MooseFS原理

MooseFS 是一款具有冗余容错功能的分布式文件系统。它把数据分散在多台服务器上，确保一份数据多个备份副本，对外提供统一的结构。对于标准的文件操作，MooseFS 表现与其他类Unix文件系统一致。 支持的通过文件系统特性：

• 层次结构（目录树）

• 兼容 POSIX 文件属性

• 支持特殊文件

• 符号链接和硬链接

• 基于 IP 地址和密码的访问控制

• 高可靠性(数据的多个副本存储在不同服务器)

• 容量动态扩展（添加新硬盘或者服务器）

• 可以回收在制定时间内删除的文件，类似回收站功能

• 可以对整个文件甚至是正在被写入的文件创建文件快照

MooseFS架构中的四种角色

• 管理服务器（Master Server）：也称为元数据服务器，负责管理各个数据存储服务器，调度文件读写，回收文件空间以及恢复多节点拷贝。目前MFS只支持一个元数据服务器master，这是一个单点故障，需要一个性能稳定的服务器来充当
• 元数据日志服务器（Metalogger Server）：负责备份管理服务器的变化日志文件，文件类型为changelog_ml.*.mfs，以便于在管理服务器出问题时接替其进行工作。元数据日志服务器是mfs 1.6以后版本新增的服务，可以把元数据日志保留在管理服务器中，也可以单独存储在一台服务器中。为保证数据的安全性和可靠性，建议单独用一台服务器来存放元数据日志。需要注意的是，元数据日志守护进程跟管理服务器在同一个服务器上，备份元数据日志服务器作为它的客户端，从管理服务器取得日志文件进行备份
• 数据存储服务器（Chunk Server）：数据存储服务器是真正存储用户数据的服务器，负责连接管理服务器，听从管理服务器调度，提供存储空间，并为客户提供数据传输。在存储文件时，首先把文件分成块，然后将这些块在数据存储服务器之间互相复制
• 客户端（Client）：通过FUSE内核接口挂载远程管理服务器上所管理的数据存储服务器，使共享的文件系统和使用本地文件系统的效果看起来是一样的

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读机制

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1. 首先客户端（Client）访问主服务器（Master），获取文件实体的位置等相关信息
2. 主服务器（Master）查询缓存记录，把文件实体的位置等相关信息发给客户端（Client）
3. 客户端（Client）根据拿到的信息去访问对应的存储实体数据的服务器（Chunk Server）
4. 存储实体数据的服务器（Chunk Server）把对应的数据返回给客户端（Client）

写机制

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1. 客户端（Client）访问主服务器（Master），请求写入数据
2. 主服务器（Master）查询缓存记录，如果是新文件，则联系后面的数据服务器（Chunk Server）创建对应的chunk对象准备存放文件
3. 数据服务器（Chunk Server）返回创建chunk对象成功的消息给主服务器（Master）
4. 主服务器（Master）把文件实体的位置等相关信息发给客户端（Client）
5. 客户端（Client）访问对应的数据服务器（Chunk Server）写数据
6. 数据服务器（Chunk Server）之间进行数据同步，互相确认成功
7. 数据服务器（Chunk Server）返回成功写入信息给客户端（Client）
8. 客户端（Client）回报给主服务器（Master）写入结束

MooseFS VS FastDFS

对比说明 / 文件系统	FastDFS	MooseFS
开发语言	C	perl
性能	很高	相对较差
易用性	安装简单，社区相对活跃，不需要二次开发即可直接使用	安装简单，官方文档多，且提供Web界面的方式进行管理与监控
适用场景	单集群的中小文件	单集群的大中文件
在线扩容	支持	支持
冗余备份	支持	支持
单点故障	不存在	存在
跨集群同步	部分支持	不支持
数据存储方式	文件/块	块
FUSE挂载	不支持	支持
访问接口	不支持POSIX	支持POSIX

• FUSE挂载：fuse解决了文件系统必须在内核态的的难题。实现了一个对文件系统访问的回调，它使无特权的用户能够无需编辑内核代码而创建自己的文件系统

• POSIX：表示可移植操作系统接口（Portable Operating System Interface of UNIX，缩写为 POSIX ），也就是Unix下应用程序共同遵循的一种规范。支持POSIX的应用程序意味着在各个Unix系统间提供了跨平台运行的支持。

例如：#include <pthread.h> //在Linux下编写多线程程序需要包含的头文件

POSIX线程（POSIX threads），简称Pthreads，是线程的POSIX标准。该标准定义了创建和操纵线程的一整套API。在类Unix操作系统（Unix、Linux、Mac OS X等）中，都使用Pthreads作为操作系统的线程。Windows操作系统也有其移植版pthreads-win32。