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20.15.高可用性存储（HAST）

高可用性是商业应用的主要要求之一，而高可用性存储是这种环境下的一个关键组成部分。在 FreeBSD 中，高可用性存储（HAST）框架允许在由 TCP/IP 网络连接的几台物理上分离的机器上透明地存储相同的数据。HAST 可以被理解为基于网络的 RAID1（镜像），并且类似于 GNU/Linux® 平台中使用的 DRBD® 存储系统。与 FreeBSD 的其他高可用性功能（如 CARP）相结合，HAST 使得建立一个高可用性的存储集群成为可能，它可以抵抗硬件故障的发生。

以下是 HAST 的主要特点：

  • 可以用来掩盖本地硬盘上的 I/O 错误。

  • 文件系统无关，因为它可以与 FreeBSD 支持的任何文件系统一起工作。

  • 高效和快速的重新同步机制，只有在一个节点停机期间被修改的块才会被同步。

  • 可以在已经部署的环境中使用，以增加额外的冗余。

  • 与 CARP 、 Heartbeat 或其他工具一起，它可以用来建立一个健壮而可靠的存储系统。

读完本节后，你会了解：

  • 什么是 HAST，它是如何工作的，以及它提供哪些功能。

  • 如何在 FreeBSD 上设置和使用 HAST。

  • 如何整合 CARP 和 devd(8) 来建立一个强大的存储系统。

在阅读本节之前，你应该：

  • 了解 UNIX® 和 FreeBSD 的基础知识 (FreeBSD 基础)。

  • 知道如何配置网络接口和其他核心的 FreeBSD 子系统（配置与优化）。

  • 对 FreeBSD 网络有一个很好的理解（网络通信）

HAST 项目由 FreeBSD 基金会赞助，并得到了 http://www.omc.net/ 和 http://www.transip.nl/ 的支持。

20.15.1. HAST 操作

HAST 在两台物理机之间提供同步的块级复制：主（primary）节点和 次（secondary）节点。这两台机器一起被称为一个集群。

由于 HAST 在主—次配置中工作，它只允许集群节点中的一个在任何特定时间处于活动状态。主节点，也叫 活动 节点，是一个将处理所有 I/O 请求的 HAST 管理的设备。次节点是自动从主要节点同步的。

HAST 系统的物理组件是主节点上的本地磁盘，以及远程的次要节点上的磁盘。

HAST 在块级上同步运行，使它对文件系统和应用程序透明。HAST 在 /dev/hast/ 中提供了标准的 GEOM 工具，供其他工具或应用程序使用。使用 HAST 提供的设备和普通磁盘或分区之间没有区别。

每个写入、删除或刷新操作都通过 TCP/IP 发送到本地磁盘和远程磁盘。每个读操作都是从本地磁盘提供的，除非本地磁盘不是最新的或发生 I/O 错误。在这种情况下，读取操作被发送到辅助节点。

HAST 试图提供快速的故障恢复。出于这个原因，在一个节点的故障后减少同步时间是很重要的。为了提供快速的同步，HAST 管理一个磁盘上的脏区映射表，并且只在常规的同步过程中同步这些表，但初始同步除外。

有许多方法来处理同步问题。HAST 实现了几种复制模式来处理不同的同步方法：

  • memsync ：这种模式下，当本地写操作完成，远程节点确认数据到达时，但在实际存储数据之前，报告写操作完成。远程节点上的数据将在发送确认后直接存储。这种模式旨在减少延迟，但仍然提供良好的可靠性。这种模式是默认的。

  • fullsync ：当本地写和远程写都完成时，这种模式报告写操作已经完成。这是最安全和最慢的复制模式。

  • async ：这种模式在本地写操作完成后报告为完成。这是最快速和最危险的复制模式。它只应该在复制到远方节点时使用，因为其他模式的延迟太高。

20.15.2.配置 HAST

HAST 框架由几个部分组成:

  • hastd(8) 守护进程，提供数据同步。当这个守护进程被启动时，它将自动加载geom_gate.ko。

  • 用户区管理工具——hastctl(8)。

  • 配置文件 hast.conf(5)。这个文件在启动 HAST 之前必须存在。

如果用户希望在内核中静态地编译 GEOM_GATE 支持，则应在定制内核配置文件中加入这一行，然后按照配置 FreeBSD 内核 的说明重建内核:

options	GEOM_GATE

下面的例子示范了如何在主-次操作中配置两个节点，使用 HAST 在两者之间复制数据。一个节点将被称为 hasta，其 IP 地址为 172.16.0.1；另一个是 hastb，其 IP 地址为 172.16.0.2。两个节点将有一个相同大小的专用硬盘 /dev/ad6 用于 HAST 操作。HAST 池，有时被称为资源或 /dev/hast/ 中的 GEOM 设备，将被称为 test。

HAST 的配置是使用 /etc/hast.conf 完成的。这个文件在两个节点上应该是相同的。最简单的配置是：

resource test {
	on hasta {
		local /dev/ad6
		remote 172.16.0.2
	}
	on hastb {
		local /dev/ad6
		remote 172.16.0.1
	}
}

更多高级配置请参考 hast.conf(5)。

技巧

如果在 /etc/hosts 或本地 DNS 中定义的主机是可解析的，也可以在远程语句中使用主机名。

如果配置存在于两个节点上，就可以创建 HAST 池。在两个节点上运行这些命令，将初始元数据放到本地磁盘上并启动 hastd(8):

# hastctl create test
# service hastd onestart

注意

不 可能使用已经包含文件系统的 GEOM 设备来创建存储池，也不可能将现有的存储转换为 HAST 管理的池。这个程序需要在设备上存储一些元数据，而在现有的设备上没有足够的所需空间可用。

HAST 节点的主或次角色是由管理员或像 Heartbeat 这样的工具通过 hastctl(8) 来选择的。

在主节点 hasta 上执行这个命令：

# hastctl role primary test

在次节点 hastb 上执行这个命令：

# hastctl role secondary test

通过在每个节点上运行 hastctl 来验证结果：

# hastctl status test

检查输出中的 status 行。如果它显示 degraded，说明配置文件出了问题。它应该在每个节点上显示 complete，即意味着节点之间的同步已经开始。当 hastctl status 报告说有 0 byte 的 脏区 映射时，同步就完成了。

下一步是在 GEOM 设备上创建一个文件系统并挂载它。这必须在主节点上完成。创建文件系统可能需要几分钟时间，这取决于硬盘的大小。这个例子在 /dev/hast/test 上创建了一个 UFS 文件系统:

# newfs -U /dev/hast/test
# mkdir /hast/test
# mount /dev/hast/test /hast/test

如果 HAST 框架被正确配置，最后一步是确保 HAST 在系统启动时自动启动。添加这一行到 /etc/rc.conf 即可：

hastd_enable="YES"

20.15.2.1.故障转移配置

这个例子的目标是建立一个强大的存储系统，它可以抵御任何特定节点的故障。如果主节点发生故障，副节点就会被无缝地接管，检查和挂载文件系统，并继续工作，不会丢失任何一点数据。

为了完成这项任务，共用地址冗余协议（CARP）被用来在 IP 层提供自动故障转移。CARP 允许同一网段的多个主机共享一个 IP 地址。根据“共用地址冗余协议（CARP）”中提供的文档，在集群的两个节点上设置 CARP。在这个例子中，每个节点将有自己的管理 IP 地址和 172.16.0.254 的共享 IP 地址。集群的主要 HAST 节点必须是主要的 CARP 节点。

在上一节中创建的 HAST 池现在已经准备好被导出到网络上的其他主机。这可以通过 NFS 或 Samba 导出，使用共享 IP 地址 172.16.0.254 来完成。唯一没有解决的问题是在主节点发生故障时的自动故障转移。

在 CARP 接口开启或关闭时，FreeBSD 操作系统会生成 devd(8) 事件，从而可以观察 CARP 接口的状态变化。CARP 接口上的状态变化表明其中一个节点失败或重新上线了。这些状态变化事件使运行一个脚本成为可能，该脚本将自动处理 HAST 故障切换。

为了捕捉 CARP 接口上的状态变化，在每个节点上的 /etc/devd.conf 中添加这个配置：

notify 30 {
	match "system" "IFNET";
	match "subsystem" "carp0";
	match "type" "LINK_UP";
	action "/usr/local/sbin/carp-hast-switch primary";
};

notify 30 {
	match "system" "IFNET";
	match "subsystem" "carp0";
	match "type" "LINK_DOWN";
	action "/usr/local/sbin/carp-hast-switch secondary";
};

注意

如果系统运行的是 FreeBSD 10 及更高版本，把 CARP 配置的接口名称替换 carp0。

在两个节点上重新启动 devd(8) 以使新配置生效：

# service devd restart

当指定的接口状态因开启或关闭而改变时，系统会产生一个通知，允许 devd(8) 子系统运行指定的自动故障切换脚本，/usr/local/sbin/carp-hast-switch。关于这个配置的进一步说明，请参考 devd.conf(5)。

下面是一个自动故障转移脚本的例子：

#!/bin/sh

# Original script by Freddie Cash <fjwcash@gmail.com>
# Modified by Michael W. Lucas <mwlucas@BlackHelicopters.org>
# and Viktor Petersson <vpetersson@wireload.net>

# The names of the HAST resources, as listed in /etc/hast.conf
resources="test"

# delay in mounting HAST resource after becoming primary
# make your best guess
delay=3

# logging
log="local0.debug"
name="carp-hast"

# end of user configurable stuff

case "$1" in
	primary)
		logger -p $log -t $name "Switching to primary provider for ${resources}."
		sleep ${delay}

		# Wait for any "hastd secondary" processes to stop
		for disk in ${resources}; do
			while $( pgrep -lf "hastd: ${disk} \(secondary\)" > /dev/null 2>&1 ); do
				sleep 1
			done

			# Switch role for each disk
			hastctl role primary ${disk}
			if [ $? -ne 0 ]; then
				logger -p $log -t $name "Unable to change role to primary for resource ${disk}."
				exit 1
			fi
		done

		# Wait for the /dev/hast/* devices to appear
		for disk in ${resources}; do
			for I in $( jot 60 ); do
				[ -c "/dev/hast/${disk}" ] && break
				sleep 0.5
			done

			if [ ! -c "/dev/hast/${disk}" ]; then
				logger -p $log -t $name "GEOM provider /dev/hast/${disk} did not appear."
				exit 1
			fi
		done

		logger -p $log -t $name "Role for HAST resources ${resources} switched to primary."

		logger -p $log -t $name "Mounting disks."
		for disk in ${resources}; do
			mkdir -p /hast/${disk}
			fsck -p -y -t ufs /dev/hast/${disk}
			mount /dev/hast/${disk} /hast/${disk}
		done

	;;

	secondary)
		logger -p $log -t $name "Switching to secondary provider for ${resources}."

		# Switch roles for the HAST resources
		for disk in ${resources}; do
			if ! mount | grep -q "^/dev/hast/${disk} on "
			then
			else
				umount -f /hast/${disk}
			fi
			sleep $delay
			hastctl role secondary ${disk} 2>&1
			if [ $? -ne 0 ]; then
				logger -p $log -t $name "Unable to switch role to secondary for resource ${disk}."
				exit 1
			fi
			logger -p $log -t $name "Role switched to secondary for resource ${disk}."
		done
	;;
esac

简而言之，当一个节点成为主节点时，脚本会采取这些行动：

  • 将另一个节点上的 HAST 池提升为主池。

  • 检查 HAST 池下的文件系统。

  • 挂载该池。

当一个节点成为次节点时：

  • 解除 HAST 池的挂载。

  • 将 HAST 池降级为次级。

当心

这只是一个作为概念证明的脚本例子。它并不能处理所有可能的情况，可以以任何方式对其进行扩展或改变，例如，启动或停止所需的服务。

技巧

在这个例子中，使用了基础的 UFS 文件系统。为了减少恢复所需的时间，可以使用带日志支持的 UFS 或 ZFS 文件系统来代替。

更详细的信息和更多的例子可以在以下网站找到： http://wiki.FreeBSD.org/HAST。

20.15.3.故障排除

HAST 的工作一般应该没有问题。然而，就像任何其他软件产品一样，可能有的时候它不能像预期的那样工作。问题的来源可能是不同的，但经验法则是确保集群的节点之间的时间是同步的。

当排除 HAST 的故障时，应通过 hastd -d 来增加 hastd(8) 的调试级别。这个参数可以指定多次以进一步提高调试级别。也可以考虑使用 -F，它将在前台启动 hastd。

20.15.3.1.从“大脑分裂”中恢复过来

当集群的节点无法相互通信，而两个节点都被配置为主节点时，就会出现 大脑分裂。这是一个危险的情况，因为它允许两个节点对数据进行不兼容的修改。必须由系统管理员手动纠正这个问题。

管理员必须决定哪个节点含有更重要的变化（或者手动执行合并改动）。然后，让 HAST 对有破损数据的节点执行完全同步。要做到这一点，在需要重新同步的节点上执行这些命令：

# hastctl role init test
# hastctl create test
# hastctl role secondary test
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