从谷歌 GFS 架构设计聊开去

伟人说：“人多力量大。”

尼古拉斯赵四说：“没有什么事，是一顿饭解决不了的！！！如果有，那就两顿。”

研发说：“需求太多，人手不够。”

专家说：“人手不够，那就协调资源，攒人头。”

释义：一人拾柴火不旺，众人拾柴火焰高。一人难挑千斤担，众人能移万座山。

运维说：“一台机器不够；一个服务扛不住压力。”

专家说：“一台机器不够，那就多申请几台；一个服务扛不住压力，那就多部署几个。”

释义：一箭易断，十箭难折。一根线容易断，万根线能拉船。

从事互联网开发时间久了，参加大大小小的会议，时不时总会讨论或争执类似“人手不够、机器不够、服务扛不住”等一类的资源问题，但是到最后解决方案，貌似都是进行资源协调。如果人手不够，就协调资源攒人头；如果机器不够，就协调资源加几台；如果一个服务扛不住压力，那就协调资源多部署几个。

所有的一切都离不开：攒、加 ... ... ，总之就是考虑如何从 1 到 N 。

拜读 GFS 的论文，熟读 N 篇系列文章，静下来想想 GFS 架构设计，多少都透了着一丝“众人拾柴火焰高、人多就是力量大”的想法，接下来就一起对 GFS 认识认识。

认识

到底是个啥？GFS 是一个把大量廉价的普通机器，聚在一起，充分让每台廉价的机器发挥光和热，具有高可用、高性能、高可靠、可扩展的分布式文件系统。

解剖

善于发现美。如上图所示，GFS 架构的参与角色，主要分为 GFS master（主服务器）、GFS chunkserver（块存储服务器）、GFS client（客户端）。

我们姑且认为 GFS master 是古代的皇上，统筹全局，运筹帷幄。主要负责掌控管理所有的文件系统的元数据，包括文件和块的命名空间，从文件到块的映射，每个块所在的节点位置（说白了，要维护哪个文件存在哪些文件服务器上的元数据信息）；并且定期通过心跳机制与每一个 GFS chunkserver 通信，向其发送指令并收集其状态。

我们姑且认为 GFS chunkserver 是宰相，因为宰相肚子里面能撑船，主要提供 chunks 数据块的存储服务，以文件的形式存储于 chunkserver 上，能够海纳百川，有容乃大。

我们姑且认为 GFS client 是使者，对外提供一套类似传统文件系统的 API 接口，对内主要与皇帝通信来获取元数据；然后直接和宰相交互来进行所有的数据操作。

好奇

背后如何运转？懵懂 GFS 架构设计的参与角色主要有皇上、诸多宰相、诸多使者构成，但是他们之间是如何协作运转的呢？

 

我要写入一个文件，GFS 架构背后流转是咋回事？如上图所示，主要分为 7 大步骤进行。

第一步：GFS client 向 GFS master 查询待写入的 chunk 的 GFS chunkserver（宰相）信息；

释义：使者请求皇上要发起写数据操作，皇上会告诉使者找哪几个宰相去办理。

第二步：GFS master 返回 GFS chunkserver 列表，其中返回的 chunkserver 分为 1 主 2 从；

释义：皇上告诉使者去找  Primary 主宰相 + AB 两个从宰相（主宰相有话语权，从宰相听从主宰相的命令）。

第三步：GFS client 将数据发送至 GFS chunkserver，chunkserver 会缓存这些数据，此时数据并不落盘；

释义：使者把数据发送给所有宰相，宰相先把数据缓存一下，并不塞到肚子里。

第四步：GFS client 向主 GFS chunkserver 发起同步写入请求；

释义：使者告诉 Primary 主宰相可以把数据吞到肚子里了；

第五步：主 GFS chunkserver 将数据写入本地磁盘并通知其他从 GFS chunkserver 将数据数据落盘；

释义：Primary 主宰相开始把数据吞到肚子里，并通知 AB 两个从宰相将数据吞到肚子里；

第六步：主 GFS chunkserver 等待所有从 GFS chunkserver 的数据处理响应；

释义：Primary 主宰相等待 AB 两个从宰相数据处理响应结果；

第七步：主 GFS chunkserver 给 GFS 客户端返回数据写入成功响应。

释义：Primary 主宰相告诉使者本次的数据写入成功了。

结论：想要谁存找皇上；数据存储找宰相；1主两从存三份。

 

我要读取一个文件，GFS 架构背后又是怎么流转的呢？懵懂了写文件的运转流程，那读文件的流转就相对简单了不少。

第一步：GFS client 从本地缓存，看文件存储在哪些 chunk-server 上；

使者从自己缓存中找找文件是由哪些宰相负责；

第二步：如果 GFS client 本地缓存没有找到，就向 GFS master 查询文件所在位置；

使者从自己缓存中找不到文件是由哪些宰相负责，就请求皇上查询有哪些宰相负责存储；

第三步：GFS master 返回 GFS chunkserver 列表给 GFS client；

皇上返回存储文件的宰相列表给使者；

第四步：从返回的 chunk-server 里读文件，返回给 GFS client。

使者找离自己最近的宰相发出读请求，然后宰相内容返回给使者。

结论：要最快查缓存；缓存没有找皇上；数据就找近宰相。

反思

架构这么设计为什么？是不是在耍流氓！

GFS master 为什么是单点？简单就是美！

GFS chunk 块大小为什么选择 64M 呢？

GFS 的高可用、高性能、高可靠是怎么保证的？

最后，再多说两句。谷哥“三驾马车”的出现，才真正把我们带入了大数据时代，而 GFS 作为其中一架宝车，能够把大量廉价的普通机器，聚在一起，充分让每台廉价的机器发挥光和热，不但降低了运营成本，而且经受了业界实际生产的考验，本次只是 GFS 管中窥豹，只见得其中一斑，GFS 背后还有很多值得我们学习的地方，慢慢去体会。

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