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FastDFS架构

FastDFS是一个开源的高性能分布式文件系统（DFS）。 它的主要功能包括：文件存储，文件同步和文件访问，以及高容量和负载平衡。主要解决了海量数据存储问题，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，比如图⽚分享和视频分享⽹站。

FastDFS 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)。

（1）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，并保存周期性心跳。 tracker根据strorage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strorage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 都接收Stroage的心跳信息，生成元数据信息来提供读写服务

（2）Storage Server：存储服务器（存储节点），主要提供容量和备份；

• 为了支持大容量，storage采用了分卷（或分组group）的组织方式。
  • 存储系统由一个或多个group组成。
  • ⼀个group内包含多台storage机器，数据之间互为备份（即同组内服务器上的文件是完全相同的）。同一组内的storage server之间是对等的， 文件上传、 删除等操作可以在任意一台storage server上进行
  • group与group之间的文件是相互独立的，所有group的文件容量累加就是整个存储系统中的文件容量。每一个group的存储空间以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。
  • 可以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
• group内每个storage的存储依赖于本地文件系统，storage可以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，则可以将这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，然后将⽂件数据直接作为⼀个本地⽂件存储到该⽬录中。
• 在group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。
• 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）；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内的其他机器，使得恢复时间很长。

（3）Client：客户端，上传/下载数据的服务器，也就是我们自己的项目部署所在的服务器。

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

Tracker相当于FastDFS的大脑，不论是上传还是下载都是通过tracker来分配资源；客户端一般可以使用ngnix等静态服务器来调用或者做一部分的缓存；存储服务器内部分为卷（或者叫做组），卷于卷之间是平行的关系，可以根据资源的使用情况随时增加，卷内服务器文件相互同步备份，以达到容灾的目的。

github地址：

FastDFS各功能逻辑分析

首先客户端请求Tracker服务获取到存储服务器的ip地址和端口，然后客户端根据返回的IP地址和端口号请求上传文件，存储服务器接收到请求后生产文件，并且将文件内容写入磁盘并返回给客户端file_id、路径信息、文件名等信息，客户端保存相关信息上传完毕。

upload file原理

• 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tracker

（2）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。支持如下选择规则：
  • Round robin：所有的group间轮询
  • Specified group：指定某一个确定的group
  • Load balance：选择最大剩余空间的组上次文件

（3）选择storage server

• 当选定group后，tracker会在group内选择一个storage server给客户端。支持如下选择规则：
  • Round robin：在group内的所有storage间轮询
  • First server ordered by ip：按ip排序
  • First server ordered by priority：按优先级排序（优先级在storage上配置）

（4）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。支持如下选择规则：
  • Round robin：多个存储目录间轮询
  • 剩余存储空间最多的优先

（5）生成Field

• 选定存储目录后，storage会为文件生成一个field，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

（6）选择两级目录

• 当选定存储目录后，storage会为文件分配一个field，每个存储目录下有两级256*256的子目录，storage会按文件field进行两次hash（猜测），路由到其中一个子目录，然后将文件以field为文件名存储到该子目录下。

（7）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。

• ⽂件名规则：

  • storage_id（ip的数值型）源storage server ID或IP地址
  • timestamp（⽂件创建时间戳）
  • file_size（若原始值为32位则前⾯加⼊⼀个随机值填充，最终为64位） （引⼊随机数的⽬的是防⽌⽣成重名⽂件）
  • crc32（⽂件内容的检验码）
  • 校验值

• 举个例子。文件ID：group1/M00/00/00/rBEOeF5SfVeABqdKAADOcMloCIM691.jpg

• 可以看出文件索引信息包 括：组名，虚拟磁盘路径，数据两级目录，文件名。
  • 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
  • 文件名：由存储服务器根据特定信息生成

同步机制

为什么会有同步机制：

• 同⼀组内storage server之间是对等的，⽂件上传、下载、删除等操作可以在任意⼀台storage server上进⾏；
• 值得注意的是：⽂件同步只在同组内的storage server之间进⾏，采⽤push⽅式，即源服务器同步给⽬标服务器；

具体同步过程：

• 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经完成了同步。
  
• 写文件时，客户端将文件写到group内一个storage 即认为写文件成功。storage写完文件后，会由后台将文件同步到同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记录，所以最好能保证集群内所有的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，tracker在选择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，A向C同步到进度为T1(T1以前写的文件都同步到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。

download file逻辑

客户端upload file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。

具体过程：

（1）选择tracker server

• 跟upload file⼀样，在download file时客户端可以选择任意tracker server。

（2）快递定位文件

• tracker发送download请求给某个tracker，必须带上文件名信息，
• tracker解析接收到的文件名，快速定位文件：
  • 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；
  • 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。

• 由于group内的文件同步时在后台是异步执行的，所以有可能出现读的时候，文件还没有同步到某些storage server上。为了尽量避免访问到这样的storage，tracker按照如下规则选择group内可读的storage。
  • 该⽂件上传到的源头storage - 源头storage只要存活着，肯定包含这个⽂件，源头的地址被编码在⽂件名中。
  • ⽂件创建时间戳==storage被同步到的时间戳 且(当前时间-⽂件创建时间戳) > ⽂件同步最⼤时间（如5分钟) - ⽂件创建后，认为经过最⼤同步时间后，肯定已经同步到其他storage了。

HTTP下载逻辑

FastDFS⾃带的http服务已经弃⽤，需要通过nginx + fastdfs-nginx-module的⽅式去实现下载。

学习资源

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