DFS分布式文件存储系统实践

本文最后更新于 592 天前，其中的信息可能已经有所发展或是发生改变。

在早期尝试Android开发的时候，我用了一些非常拙劣的方法来传输图片，现在想起来自己都想笑。

之前我的想法很粗暴，上传图片到后端处理不用多说，肯定就是把文件上传到后端的指定目录，然后数据库内存放文件的地址。前端需要用图片的时候就从数据库里面找到地址，找到对应的文件，再传给后端，后端拿到统一资源定位符后显示图片（在Android开发的流程中，这个步骤非常复杂，特别是Google现在采用了沙箱机制，导致能操作的目录非常有限）。

（正在想办法让WordPress支持SVG格式图片，所以目前还是会有一些不清晰，用的是PNG）

这个办法一直被我沿用了大概一年左右，直到我在Web开发中也产生了类似的需求（当然只有图片的预览，不涉及保存操作，前面提到的Android客户端也不涉及到保存图片需求，仅限预览），这个方法就不好使了，总不能让浏览器先保存图片吧。不过很快我就找到了解决方案，那就是搭建一个图片服务器。

方法很简单，无非就是用一个Nginx做一个反向代理。让Nginx从相应的目录找到图片后，直接返回相应的URL，这样就舒服多了。于是我把我开发的多个Android APP也做了相应的功能更新，不过之前写的代码也不能浪费啊，索性改成保存到本地这个功能好了，真省事儿（实际上没有，因为我懒到连按钮都不想加了）。

实际上这样就已经完整可用了，毕竟咱做开发都是自娱自乐，东西除了自己用之外，就没别人的了。但实际应用中，文件的存储都不是保存在单个服务器的某个目录中的，而是通过DFS来存储。

这是一篇为了在课上演示而写的文章，所以我在这里简单介绍一下DFS系统的常见工作原理。

我们以HDFS为例。

我在这里引用一下官方的一部分介绍。

Namenode 和 Datanode
HDFS采用master/slave架构。一个HDFS集群是由一个Namenode和一定数目的Datanodes组成。Namenode是一个中心服务器，负责管理文件系统的名字空间(namespace)以及客户端对文件的访问。集群中的Datanode一般是一个节点一个，负责管理它所在节点上的存储。HDFS暴露了文件系统的名字空间，用户能够以文件的形式在上面存储数据。从内部看，一个文件其实被分成一个或多个数据块，这些块存储在一组Datanode上。Namenode执行文件系统的名字空间操作，比如打开、关闭、重命名文件或目录。它也负责确定数据块到具体Datanode节点的映射。Datanode负责处理文件系统客户端的读写请求。在Namenode的统一调度下进行数据块的创建、删除和复制。

应该没多少人看，实际上写的还挺好的。我在这里简单的解释一下。

Namenode即负责管理文件的服务器，由于服务器集群往往结构复杂，而且文件是分块存储的，每一个Datanode存放的部分不尽相同，这个时候就需要Namenode服务器做统一的管理，其管理的数据可以被称为“MetaData”，即“元数据”。数据是指文件中的实际数据，即文件的实际内容；而元数据是用来描述一个文件特征的系统数据，诸如访问权限、文件拥有者以及文件数据块的分布信息等等。如果文件是一张图片，元数据就是图片的宽，高等等。

而Datanode主要是负责存储数据和处理读写请求的。就这么简单。听着原理就知道这很分布，给你把文件都拆了。

我在实践部分介绍的是FastDFS，原理与这个大差不差，但实际上并没有把文件拆分成很多块，原因我现在来举个小例子说明一下。

在这里先提一下，在Hadoop2.X版本中，HDFS单个文件块的大小是128M。了解完这个再回过头来看我们的需求，在服务器里存图片。这个就很难办了，因为我们的图片在未拆分之前，体积大小往往远小于128M。再说另一个拆分文件带来的另一个问题，文件的拆分和合并往往会造成性能和时间的额外开销，如果我们浏览的网页存在大量的图片，加载这些图片并合并就会造成比较可观的开销。

所以在应付我们这个简单的需求时，这个分布式系统带来的缺点反而比优点多的多。FastDFS解决这个问题的方法很简单，干脆就不拆分了，直接存。当然了，我们还是将其视作一个分布式的存储系统，因为除了不拆文件外，它和其他DFS并没有太大的区别。

以FastDFS为例，讲一下实践过程。配置如下：

Java 1.8
Debian 11 on ARM64（FastDFS Server）
macOS 12.5.1（Client）
Spring Boot 2.7.1
Nginx 1.23.1
Vue 3.0

首先还是放一张架构图（来源于GitHub项目主页，非常的不清晰就对了）

Tracker集群可以看作上述HDFS的Namenode，Storage集群可以看作Datanode，具体我就不多说了。

在项目的Wiki页面有详细的安装说明，自行移步GitHub：Wiki。写的比较详细，注意一下Nginx的配置就行，最好换成新的主线版本。

由于在家实在搞不出来服务器集群，所以我直接就单机部署了。

部署完成后利用以下命令查看服务器集群情况：

/usr/bin/fdfs_monitor /etc/fdfs/storage.conf

单机部署时，Tracker和Storage实际上为同一台服务器，IP地址相同。

下面通过Java API来实现文件的上传和下载功能。

作者在Github项目主页给出了Java Client的源码以及使用方法，利用此API以及SpringBoot搭建一个简单的后端服务器，利用Vue写一个简单的单页面应用。该用例会实现图片的上传和预览功能。

下面把重点放在后端服务器的搭建上，前端自己玩去，也没几行代码，放张图，非常简陋。

首先需要把基础的环境配好，创建一个Spring Boot项目，引入Spring Web包。我在这里给出Maven依赖。也可以直接创建标准的Maven项目，然后导入依赖即可。

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<project xmlns="http://maven.apache.org/POM/4.0.0" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
         xsi:schemaLocation="http://maven.apache.org/POM/4.0.0 https://maven.apache.org/xsd/maven-4.0.0.xsd">
    <modelVersion>4.0.0</modelVersion>
    <parent>
        <groupId>org.springframework.boot</groupId>
        <artifactId>spring-boot-starter-parent</artifactId>
        <version>2.7.1</version>
        <relativePath/> <!-- lookup parent from repository -->
    </parent>
    <groupId>edu.njucm</groupId>
    <artifactId>fastdfs_java</artifactId>
    <version>0.0.1-SNAPSHOT</version>
    <name>fastdfs_java</name>
    <description>fastdfs_java</description>
    <properties>
        <java.version>1.8</java.version>
    </properties>
    <dependencies>
        <dependency>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-starter-web</artifactId>
        </dependency>

        <dependency>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-starter-test</artifactId>
            <scope>test</scope>
        </dependency>

        <!-- https://mvnrepository.com/artifact/net.oschina.zcx7878/fastdfs-client-java -->
        <dependency>
            <groupId>net.oschina.zcx7878</groupId>
            <artifactId>fastdfs-client-java</artifactId>
            <version>1.27.0.0</version>
        </dependency>

        <!-- https://mvnrepository.com/artifact/commons-io/commons-io -->
        <dependency>
            <groupId>commons-io</groupId>
            <artifactId>commons-io</artifactId>
            <version>2.11.0</version>
        </dependency>
    </dependencies>

    <build>
        <plugins>
            <plugin>
                <groupId>org.springframework.boot</groupId>
                <artifactId>spring-boot-maven-plugin</artifactId>
            </plugin>
        </plugins>
    </build>

</project>

这里需要注意的是，最关键的client依赖用的并不是作者提供的，而是第三方的，原因非常简单，作者提供的依赖无法导入。

然后我们在main目录的resources文件夹内创建一个配置文件，命名为fastdfs-client.properties，实际上这个配置文件的内容也可以在GitHub找到，我只是做了一些简单的替换，将IP地址替换为我的服务器地址。GitHub地址

fastdfs.connect_timeout_in_seconds = 5
fastdfs.network_timeout_in_seconds = 30

fastdfs.charset = UTF-8

fastdfs.http_anti_steal_token = false
fastdfs.http_secret_key = FastDFS1234567890
fastdfs.http_tracker_http_port = 80

fastdfs.tracker_servers = 192.168.31.33:22122

在这之后编写一些测试类，用作测试，当然是放在test目录。

首先编写一个合适的上传测试类，在这里我就不解释了，直接贴代码，注释有空再补。

@Test
    public void testUpload() {
        try {
            ClientGlobal.initByProperties("/Users/zhangjin/Java/IdeaProjects/FastDFS_Test/Java/fastdfs_java/src/main/resources/config/fastdfs-client.properties");
            System.out.println("network_timeout=" + ClientGlobal.g_network_timeout + "ms");
            System.out.println("charset=" + ClientGlobal.g_charset);
            TrackerClient tc = new TrackerClient();
            TrackerServer ts = tc.getConnection();
            if (ts == null) {
                System.out.println("getConnection return null");
                return; }
            StorageServer ss = tc.getStoreStorage(ts);
            if (ss == null) {
                System.out.println("getStoreStorage return null");
            }
            StorageClient1 sc1 = new StorageClient1(ts, ss);
            NameValuePair[] meta_list = null;  //new NameValuePair[0];
            String item = "/Users/zhangjin/Downloads/SpringBoot- Android传输流程.png";
            String fileid;
            fileid = sc1.upload_file1(item, "png", meta_list);
            System.out.println("Upload local file " + item + " ok, fileid=" + fileid);
        } catch (Exception ex) {
            ex.printStackTrace();
        }
    }

运行后，可以看到，我们的文件已经传输成功了！仔细看打印的日志，给出了在Linux服务器中存储的实际位置，我们可以去那边看一下。为了演示清晰，这里用VNC连接到可视化页面查看那张图片。

下面测试分布式文件系统的查询功能，看看是否可以查询出我们刚才上传的那张图片的信息，依旧只给出代码，解释的话，有空再说。

@Test
    public void testQueryFile() throws IOException, MyException {
        ClientGlobal.initByProperties("/Users/zhangjin/Java/IdeaProjects/FastDFS_Test/Java/fastdfs_java/src/main/resources/config/fastdfs-client.properties");
        TrackerClient tracker = new TrackerClient();
        TrackerServer trackerServer = tracker.getConnection();
        StorageServer storageServer = null;
        StorageClient storageClient = new StorageClient(trackerServer,storageServer);
        FileInfo fileInfo = storageClient.query_file_info("group1",
                "M00/00/00/wKgfIWMUspCAcHSdAAA2rW7tWd8845.png");
        System.out.println(fileInfo);
    }

运行结果，非常简单明了，不做解释，该有的信息都有了。

最后需要提到的是最重要的下载文件，其实还是比较好办的，看代码。

@Test
public void testDownloadFile() throws IOException, MyException {
       ClientGlobal.initByProperties("/Users/zhangjin/Java/IdeaProjects/FastDFS_Test/Java/fastdfs_java/src/main/resources/config/fastdfs-client.properties");
       TrackerClient tracker = new TrackerClient();
       TrackerServer trackerServer = tracker.getConnection();
       StorageServer storageServer = null;
       StorageClient1 storageClient1 = new StorageClient1(trackerServer,
               storageServer);
       byte[] result =
   storageClient1.download_file1("group1/M00/00/00/wKgfIWMUspCAcHSdAAA2rW7tWd8845.png");
       File file = new File("1.png");
       FileOutputStream fileOutputStream = new FileOutputStream(file);
       fileOutputStream.write(result);
       fileOutputStream.close();
}

实际运行后，我们的项目根目录就有了刚才上传的那份儿文件。

这样的话，基本的功能就测试完了。其实这部分是比较容易出问题的，测试通过后，下面与Web整合的部分就好办多了，只需要操心一下Nginx的配置问题，其他就没什么了。

写的太多了，估计课上讲不了这么多，所以我决定Web整合部分再水一篇文章，没了。

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