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分布式存储ceph——(6)ceph 讲解

2019-04-17  印度阿三17

一、Ceph简介:

        Ceph是一种为优秀的性能、可靠性和可扩展性而设计的统一的、分布式文件系统。ceph 的统一体现在可以提供文件系统、块存储和对象存储,分布式体现在可以动态扩展。在国内一些公司的云环境中,通常会采用 ceph 作为openstack 的唯一后端存储来提高数据转发效率。
       Ceph项目最早起源于Sage就读博士期间的工作(最早的成果于2004年发表),并随后贡献给开源社区。在经过了数年的发展之后,目前已得到众多云计算厂商的支持并被广泛应用。RedHat及OpenStack都可与Ceph整合以支持虚拟机镜像的后端存储。

       官网:https://ceph.com/

       官方文档:http://docs.ceph.com/docs/master/#

二、Ceph特点:

高性能:
   a. 摒弃了传统的集中式存储元数据寻址的方案,采用CRUSH算法,数据分布均衡,  
        并行度高。
    b.考虑了容灾域的隔离,能够实现各类负载的副本放置规则,例如跨机房、机架  
        感知等。
    c. 能够支持上千个存储节点的规模,支持TB到PB级的数据。

高可用性:
    a. 副本数可以灵活控制。
    b. 支持故障域分隔,数据强一致性。
    c. 多种故障场景自动进行修复自愈。
    d. 没有单点故障,自动管理。

高可扩展性:
    a. 去中心化。
    b. 扩展灵活。
    c. 随着节点增加而线性增长。

特性丰富:
    a. 支持三种存储接口:块存储、文件存储、对象存储。
    b. 支持自定义接口,支持多种语言驱动。

三、Ceph应用场景:

  Ceph可以提供对象存储、块设备存储和文件系统服务,其对象存储可以对接网盘(owncloud)应用业务等;其块设备存储可以对接(IaaS),当前主流的IaaS运平台软件,如:OpenStack、CloudStack、Zstack、Eucalyptus等以及kvm等。

  Ceph是一个高性能、可扩容的分布式存储系统,它提供三大功能:
     对象存储(RADOSGW):提供RESTful接口,也提供多种编程语言绑定。兼容S3、Swift;
     块存储(RDB):由RBD提供,可以直接作为磁盘挂载,内置了容灾机制;
     文件系统(CephFS):提供POSIX兼容的网络文件系统CephFS,专注于高性能、大容量存储;

什么是块存储/对象存储/文件系统存储?
1.对象存储:
    也就是通常意义的键值存储,其接口就是简单的GET、PUT、DEL 和其他扩展,代表主要有 Swift 、S3 以及 Gluster 等;
2.块存储:
    这种接口通常以 QEMU Driver 或者 Kernel Module 的方式存在,这种接口需要实现 Linux 的 Block Device 的接口或者 QEMU 提供的 Block Driver 接口,如 Sheepdog,AWS 的 EBS,青云的云硬盘和阿里云的盘古系统,还有 Ceph 的 RBD(RBD是Ceph面向块存储的接口)。在常见的存储中 DAS、SAN 提供的也是块存储;
3.文件系统存储:
     通常意义是支持 POSIX 接口,它跟传统的文件系统如 Ext4 是一个类型的,但区别在于分布式存储提供了并行化的能力,如 Ceph 的 CephFS (CephFS是Ceph面向文件存储的接口),但是有时候又会把 GlusterFS ,HDFS 这种非POSIX接口的类文件存储接口归入此类。当然 NFS、NAS也是属于文件系统存储;

四、Ceph核心组件:

(1)Monitors:监视器,维护集群状态的多种映射,同时提供认证和日志记录服务,包括有关monitor 节点端到端的信息,其中包括 Ceph 集群ID,监控主机名和IP以及端口。并且存储当前版本信息以及最新更改信息,通过 "ceph mon dump"查看 monitor map。

(2)MDS(Metadata Server):Ceph 元数据,主要保存的是Ceph文件系统的元数据。注意:ceph的块存储和ceph对象存储都不需要MDS。

(3)OSD:即对象存储守护程序,但是它并非针对对象存储。是物理磁盘驱动器,将数据以对象的形式存储到集群中的每个节点的物理磁盘上。OSD负责存储数据、处理数据复制、恢复、回(Backfilling)、再平衡。完成存储数据的工作绝大多数是由 OSD daemon 进程实现。在构建 Ceph OSD的时候,建议采用SSD 磁盘以及xfs文件系统来格式化分区。此外OSD还对其它OSD进行心跳检测,检测结果汇报给Monitor

(4)RADOS:Reliable Autonomic Distributed Object Store。RADOS是ceph存储集群的基础。在ceph中,所有数据都以对象的形式存储,并且无论什么数据类型,RADOS对象存储都将负责保存这些对象。RADOS层可以确保数据始终保持一致。

(5)librados:librados库,为应用程度提供访问接口。同时也为块存储、对象存储、文件系统提供原生的接口。

(6)RADOSGW:网关接口,提供对象存储服务。它使用librgw和librados来实现允许应用程序与Ceph对象存储建立连接。并且提供S3 和 Swift 兼容的RESTful API接口。

(7)RBD:块设备,它能够自动精简配置并可调整大小,而且将数据分散存储在多个OSD上。

(8)CephFS:Ceph文件系统,与POSIX兼容的文件系统,基于librados封装原生接口。

五、Ceph存储系统的逻辑层次结构:

六、RADOS的系统逻辑结构:

七、Ceph 数据存储过程:

  无论使用哪种存储方式(对象、块、文件系统),存储的数据都会被切分成Objects。Objects size大小可以由管理员调整,通常为2M或4M。每个对象都会有一个唯一的OID,由ino与ono生成,虽然这些名词看上去很复杂,其实相当简单。

ino:即是文件的File ID,用于在全局唯一标识每一个文件
ono:则是分片的编号

  比如:一个文件FileID为A,它被切成了两个对象,一个对象编号0,另一个编号1,那么这两个文件的oid则为A0与A1。
  File —— 此处的file就是用户需要存储或者访问的文件。对于一个基于Ceph开发的对象存储应用而言,这个file也就对应于应用中的“对象”,也就是用户直接操作的“对象”。
  Ojbect —— 此处的object是RADOS所看到的“对象”。Object与上面提到的file的区别是,object的最大size由RADOS限定(通常为2MB或4MB),以便实现底层存储的组织管理。因此,当上层应用向RADOS存入size很大的file时,需要将file切分成统一大小的一系列object(最后一个的大小可以不同)进行存储。为避免混淆,在本文中将尽量避免使用中文的“对象”这一名词,而直接使用file或object进行说明。
  PG(Placement Group)—— 顾名思义,PG的用途是对object的存储进行组织和位置映射。具体而言,一个PG负责组织若干个object(可以为数千个甚至更多),但一个object只能被映射到一个PG中,即,PG和object之间是“一对多”映射关系。同时,一个PG会被映射到n个OSD上,而每个OSD上都会承载大量的PG,即,PG和OSD之间是“多对多”映射关系。在实践当中,n至少为2,如果用于生产环境,则至少为3。一个OSD上的PG则可达到数百个。事实上,PG数量的设置牵扯到数据分布的均匀性问题。关于这一点,下文还将有所展开。
  OSD —— 即object storage device,前文已经详细介绍,此处不再展开。唯一需要说明的是,OSD的数量事实上也关系到系统的数据分布均匀性,因此其数量不应太少。在实践当中,至少也应该是数十上百个的量级才有助于Ceph系统的设计发挥其应有的优势。

基于上述定义,便可以对寻址流程进行解释了。具体而言, Ceph中的寻址至少要经历以下三次映射:
(1)File -> object映射
(2)Object -> PG映射,hash(oid) & mask -> pgid
(3)PG -> OSD映射,CRUSH算法
  CRUSH,Controlled Replication Under Scalable Hashing,它表示数据存储的分布式选择算法, ceph 的高性能/高可用就是采用这种算法实现。CRUSH 算法取代了在元数据表中为每个客户端请求进行查找,它通过计算系统中数据应该被写入或读出的位置。CRUSH能够感知基础架构,能够理解基础设施各个部件之间的关系。并CRUSH保存数据的多个副本,这样即使一个故障域的几个组件都出现故障,数据依然可用。CRUSH 算是使得 ceph 实现了自我管理和自我修复。

RADOS 分布式存储相较于传统分布式存储的优势在于:
  1. 将文件映射到object后,利用Cluster Map 通过CRUSH 计算而不是查找表方式定位文件数据存储到存储设备的具体位置。优化了传统文件到块的映射和Block MAp的管理。
  2. RADOS充分利用OSD的智能特点,将部分任务授权给OSD,最大程度地实现可扩展

八、Ceph IO流程及数据分布:

(1)正常IO流程图:


  步骤:
    1. client 创建cluster handler。
    2. client 读取配置文件。
    3. client 连接上monitor,获取集群map信息。
    4. client 读写io 根据crshmap 算法请求对应的主osd数据节点。
    5. 主osd数据节点同时写入另外两个副本节点数据。
    6. 等待主节点以及另外两个副本节点写完数据状态。
    7. 主节点及副本节点写入状态都成功后,返回给client,io写入完成。

(2)新主IO流程图:

说明:如果新加入的OSD1取代了原有的 OSD4成为 Primary OSD, 由于 OSD1 上未创建 PG , 不存在数据,那么 PG 上的 I/O 无法进行,怎样工作的呢?
  新主IO流程步骤:
    1. client连接monitor获取集群map信息。
    2. 同时新主osd1由于没有pg数据会主动上报monitor告知让osd2临时接替为主。
    3. 临时主osd2会把数据全量同步给新主osd1。
    4. client IO读写直接连接临时主osd2进行读写。
    5. osd2收到读写io,同时写入另外两副本节点。
    6. 等待osd2以及另外两副本写入成功。
    7. osd2三份数据都写入成功返回给client, 此时client io读写完毕。
    8. 如果osd1数据同步完毕,临时主osd2会交出主角色。
    9. osd1成为主节点,osd2变成副本。

九、Ceph Pool和PG分布情况:

pool:是ceph存储数据时的逻辑分区,它起到namespace的作用。每个pool包含一定数量(可配置) 的PG。PG里的对象被映射到不同的Object上。pool是分布到整个集群的。 pool可以做故障隔离域,根据不同的用户场景不统一进行隔离。

 

来源:http://www.icode9.com/content-4-166651.html

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