负载均衡文件存储
背景介绍
在现代的计算环境中，分布式存储系统已经成为了大规模数据存储和处理的事实标准，随着大数据时代的到来，分布式存储系统的应用越来越广泛，如何有效地管理和分配这些系统中的资源，成为了一个关键问题，负载均衡技术正是为了解决这个问题而诞生的，它的主要目标是将请求在多个节点之间分布，使得各个节点的负载得到均衡，从而提高系统性能和稳定性。
概念与原理
全局域名
客户端通过访问全局域名接入存储集群，使用集群提供的文件存储服务，全局域名由NAS组组名和用户配置的负载均衡域名拼接组成，每个NAS组对应一个全局域名，全局域名解析后的IP地址为该域名对应的NAS组的动态业务IP地址。
DNS服务器
用来解析全局域名的域名解析服务器，提供全局域名到NAS组动态业务IP地址的转换服务，所有NAS服务器默认均为DNS服务器，其中一个为主DNS服务器，提供DNS域名解析服务，其他为备DNS服务器，当主DNS服务器出现故障后，备DNS服务器接替原主DNS服务器的DNS IP，成为新的主DNS服务器，继续提供域名解析服务。
主备DNS服务器角色由NAS服务器的优先级决定，优先级最高的为主DNS服务器，其余为备DNS服务器，NAS服务器的优先级由系统内部决定，用户无法干预。
负载均衡DNS IP
分配给主DNS服务器的动态IP地址，当原主DNS服务器出现故障时，该地址将自动迁移到新主DNS服务器上，对于不同网段的客户端连接请求，需要相应配置不同网段的DNS IP来分别对应处理。
负载均衡策略
客户端通过全局域名访问集群文件存储服务时，主DNS服务器会根据对应NAS组的负载均衡策略进行决策，选择符合策略的NAS服务器来处理本次请求，当前支持的负载均衡策略如下（实际可使用的负载均衡策略会依License版本而定）：
轮询：根据本地缓存记录的顺序，依次选择NAS服务器处理客户端请求。
CPU使用率：对CPU使用率最低的几个NAS服务器进行轮询，依次选择NAS服务器处理客户端请求，每隔5秒重新获取CPU使用率最低的几个NAS服务器的信息。
剩余内存容量：选择当前剩余内存容量最大的NAS服务器处理客户端请求。
客户端连接数：选择当前客户端连接数最少的NAS服务器处理客户端请求。
网络吞吐量：选择当前网络吞吐量最少的NAS服务器处理客户端请求。
综合负载：对用CPU使用率和网络吞吐量计算出来的综合负载加权值进行轮询，从小到大选择NAS服务器处理客户端请求，一段时间后重新计算综合负载。
核心算法原理和具体操作步骤以及数学模型公式详细讲解
在分布式存储系统中，常见的负载均衡算法有以下几种：
基于哈希的负载均衡算法
哈希算法是一种常用的负载均衡算法，它通过对请求的哈希值进行计算，将请求分发到不同的节点上，哈希算法的原理是将请求的关键字(如IP地址、端口号等)作为哈希算法的输入，计算出哈希值，然后将哈希值取模或者与节点数量进行其他运算，得到请求应该分发到哪个节点上。
具体操作步骤如下：
1、将请求的关键字(如IP地址、端口号等)作为哈希算法的输入。
2、计算出哈希值。
3、将哈希值取模或者与节点数量进行其他运算，得到请求应该分发到哪个节点上。
4、数学模型公式为：$h(x) = x \mod n$，$h(x)$是哈希值，$x$是请求的关键字，$n$是节点数量。
基于轮询的负载均衡算法
轮询算法是一种简单的负载均衡算法，它通过将请求按照顺序分发到不同的节点上，具体操作步骤如下：
1、将请求按照顺序分发到各个节点上。
2、当某个节点处理完请求后，将下一个请求分发到该节点上。
3、数学模型公式为：$i = (i + 1) \mod n$，$i$是请求的序号，$n$是节点数量。
基于随机的负载均衡算法
随机算法是一种简单的负载均衡算法，它通过将请求按照随机方式分发到不同的节点上，具体操作步骤如下：
1、生成一个随机数。
2、将随机数与节点数量进行取模运算，得到请求应该分发到哪个节点上。
3、数学模型公式为：$j = rand() \mod n$，$j$是请求应该分发到哪个节点上的索引，$n$是节点数量，$rand()$是生成随机数的函数。
基于权重的负载均衡算法
权重算法是一种根据节点的性能、资源等因素设置权重值的负载均衡算法，具体操作步骤如下：
1、为各个节点设置权重值。
2、将请求的关键字(如IP地址、端口号等)与各个节点的权重值进行比较，将请求分发到权重值最高的节点上。
3、数学模型公式为：$wi = \frac{ri}{\sum{j=1}^{n} rj}$，$i = \arg \max_{j} wj$，$wi$是节点$i$的权重值，$ri$是节点$i$的资源或性能指标，$n$是节点数量，$i$是请求应该分发到哪个节点上的索引。
文件上传原理和负载均衡方法
文件上传原理
1、选择tracker server：高可用，通过冗余的方式提供服务，当集群中不止一个tracker服务时，由于tracker之间是对等的关系，客户端在上传文件时可以任意选择一个tracker。
2、选择存储的group及其负载均衡算法：当tracker接收到上传文件的请求时，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：
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 间的组上传文件。
3、选择storage server及其负载均衡算法：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：
Round robin，在group内的所有storage间轮询。
First server ordered by ip，按IP排序，也会轮询。
First server ordered by priority，按优先级排序（优先级在storage上配置）；可以理解为权重的方式，权重高的优先选择，storage 1为100M的带宽和storage 2为500M带宽，上传文件时优先使用500M带宽的storage。
4、选择storage path及其负载均衡算法：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：
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、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。
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。
下载文件逻辑
客户端upload file成功后，会拿到一个storage生成的文件名，接下来客户端可以根据这个文件名即可访问到该文件，跟upload file一样，在download file时客户端可以选择任意tracker server，client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，由于group内的文件同步时在后台异步进行的，所以有可能出现在读到时候，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，只要源头storage还存活着，肯定包含这个文件，源头的地址被编码在文件名中。
文件创建时间戳也是storage被同步到的时间戳。
(当前时间-文件创建时间戳) > 已设定的最大同步时间（如5分钟）。
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