【Distributed】分布式Ceph存储系统-Toy模板网

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一、存储基础

1. 单机存储设备

单机存储设备大致分为三类，分别是DAS、NAS、SAN。

1.1 DAS

DAS （直接附加存储，是直接接到计算机的主板总线上去的存储）

例如 IDE、SATA、SCSI、SAS、USB 接口的磁盘。所谓接口就是一种存储设备驱动下的磁盘设备，提供块级别的存储。

1.2 NAS

NAS （网络附在存储，是通过网络附加到当前主机文件系统之上的存储）

例如 NFS、CIFS、FTP。文件系统级别的存储，本身就是一个做好的文件系统，通过nfs接口在用户空间输出后，客户端基于内核模块与远程主机进行网络通信，把它转为好像本地文件系统一样来快用，这种存储服务是没办法对它再一次格式化创建文件系统块的。

1.3 SAN

SAN（存储区域网络）

例如 SCSI协议（只是用来传输数据的存取操作，物理层使用SCSI线缆来传输）、FCSAN（物理层使用光纤来传输）、iSCSI（物理层使用以太网来传输）。SAN也是一种网络存储，但不同之处在于 SAN 提供给客户端主机使用的接口是块级别的存储。

1.4 单机存储的问题

存储处理能力不足

传统的 IDE 的 IO 值是100次/秒，SATA 固态磁盘500次/秒，固态硬盘达到2000~4000次/秒。即使磁盘的 IO能力再大数十倍，也不妨抗住网站访向高峰期数十万、数百万甚至上亿用户的同时访问，这同时还要受到主机网络IO 能力的限制。

存储空间能力不足

单块磁盘的容量再大，也无法满足用户的正常访问所需的数据容量限制。

单点问题

单机存储数据存在单点故障问题。

1.5 商业存储解决方案

EMC、NetAPP、IBM、DELL、华为、浪潮

2. 分布式存储（软件定义的存储 SDS ）

常见的分布式存储：Ceph、TFS、FastDFS、MooseFs (MFS) 、HDFS、GlusterFS（GFS）。存储机制会把数据分散存储到多个节点上，具有高扩展性、高性能、高可用性等优点。

对比说明/文件系统	TFS	FastDFS	MogileFS	MooseFS	GlusterFS	Ceph
开发语言	C++	C	Perl	C	C	C++
开源协议	GPL V2	GPL V3	GPL	GPL V3	GPL V3	LGPL
数据存储方式	块	文件/Trunk	文件	块	文件/块	对象/文件/块
集群节点通信协议	私有协议（TCP）	私有协议（TCP）	HTTP	私有协议（TCP）	私有协议（TCP）/RDAM（远程直接访问内存）	私有协议（TCP）
专用元数据存储点	占用NS	无	占用DB	占用MFS	无	占用MDS
在线扩容	支持	支持	支持	支持	支持	支持
冗余备份	支持	支持	-	支持	支持	支持

分布式存储的类型

块存储（例如硬盘，一般是一个存储被一个服务器挂载使用，适用于容器或虚拟机存储卷分配、日志存储、文件存储）就是一个裸设备，用于提供没有被组织过的存储空间，底层以分块的方式来存储数据。

文件存储（例如NFS，解决块存储无法共享问题，可以一个存储被多个服务器同时挂载，适用于目录结构的存储、日志存储）是一种数据的组织存放接口，一般是建立在块级别的存储结构之上，以文件形式来存储数据，而文件的元数据和实际数据是分开存储的

对象存储（例如OSS，一个存储可以被多服务同时访问，具备块存储的高速读写能力，也具备文件存储共享的特性，适用图片存储、视频存储）基于API接口提供的文件存储，每一个文件都是一个对象，且文件大小各不相同的，文件的元数据和实际数据是存放在一起的。

总结：块存储只能一对一，以分块形式存储；文件存储可以一对多，建立在块存储之上，以文件形式存储；对象存储可以一对多，通过应用API接口进行访问。

3. Ceph 简介

Ceph使用c++语言开发，是一个开放、自我修复和自我管理的开源分布式存储系统。具有高扩展性、高性能、高可靠性的优点。

Ceph目前已得到众多云计算厂商的支持并被广泛应用。RedFlat 及 OpenStack，Kubernetes 都可与Cegh整合以支持虚拟机镜像的后端存储。

粗略估计，我国70%~80%的云平台都将Ceph作为底层的存储平台，由此可见Ceph俨然成为了开源云平台的标配。目前国内使用Ceph搭建分布式存储系统较为成功的企业有华为、阿里、中兴、华三、浪潮、中国移动、网易、乐视、360、星辰天合存储、杉岩数据等。

4. Ceph 优势

高扩展性:：去中心化，支持使用普通X86服务器，支持上千个存储节点的规模，支持TB到EB级的扩展。
高可靠性：没有单点故障，多数据副本，自动管理，自动修复。
高性能：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。
功能强大：Ceph是个大一统的存储系统，集块存储接口（RBD）、文件存储接口（CephFS）、对象存储接口（RadosGW）于一身，因而适用于同的应用场景。

5. Ceph 架构

自下向上，可以将Ceph系统分为四个层次：

RADOS基础存储系统（Reliable，Autonomic，Distributed object store，即可靠的、自动化的、分布式的对象存储）

RADOS是Ceph最底层的功能模块，是一个无限可扩容的对象存储服务，能将文件拆解成无数个对象（碎片）存放在硬盘中，大大提高了数据的稳定性。它主要的OSD和Monitor两个组件组成OSD和Monitor都可以部署在多台服务器中，这就是Ceph分布式的由来，高扩展性的由来。

LIBRADOS基础库

LIBRADOS提供了与RADOS进行交互的方式，并向上层应用提供Ceph服务的AT接口，因此上层的RBD、RGW和CephFS都是通过Librados访问的，目前提供PHP 、Ruby、Java、Python、Go、C和C++支持，以便直接基于RADOS（而不是整个Ceph）进行客户端应用开发。

高层应用接口：包括了三个部分

（1）对象存储接口RGW（RADOS Gateway ）

网关接口，基于Librados开发的对象存储系统，提供S3和Swift兼容的RESTful API接口。

（2）块存储接口RBD （Reliable Block Device）

基于Librados提供块设备接口，主要用于Host/ VM。

（3）文件存储接口 CephFS ( Ceph File System)

Ceph文件系统，提供了一个符合POSIX标准的文件系统，它使用Ceph存储集群在文件系统上存储用户数据。基于Librados提供的分布式文件系统接口。

应用层

基于高层接口或者基础库Librados开发出来的各种APP，或者Host、VM等诸多客户端。

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6. Ceph 核心组件

Ceph 是一个对象式存储系统，它把每一个待管理的数据流（如文件等数据）切分为一到多个固定大小（默认4兆）的对象数据（Object），并以其为原子单元（原子是构成元素的最小单元）完成数据的读写。

OSD （Object Storage Daemon，守护进程 ceph-osd）

是负责物理存储的进程，一般配置成和磁盘一一对应，一块磁盘启动一个OSD进程。主要功能是存储数据、复制数据、平衡数据、恢复数据，以及与其它OSD间进行心跳检查，负责响应客户端请求返回具体数据的进程等。通常至少需要3个OSD来实现冗余和高可用性。

PG（ Placement Group归置组）

PG是一个虚拟的概念而已，物理上不真实存在。它在数据寻址时类似于数据库中的索引：Ceph先将每个对象数据通过HASH算法固定映射到一个 PG 中，然后将 PG 通过CRUSH算法映射到 OSD。

Pool

Pool是存储对象的逻辑分区，它起到 namespace 的作用。每个 Pool 包含一定数量（可配置）的 PG。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。

Pool中数据保存方式支持两种类型：

（1）多副本（replicated）：类似 raid1，一个对象数据默认保存3个副本，放在不同的 OSD；

（2）纠删码（Brasure Code）：类似 raid5，对 CPU 消耗稍大，但是节约磁盘空间，对象数据保存只有1个副本。由于Ceph 部分功能不支持纠删码池，此类型存储池使用不多。

Pool、 PG 和 OSD的关系：

一个Pool里有很多个PG；一个PG里包含一堆对象，一个对象只能属于一个PG；PG有主从之分，一个PG分布在不同的OSD上（针对多副本类型）。

Monitor (守护进程 ceph-mon )

用来保存OSD的元数据。负责维护集群状态的映射视图（Cluster Map：OSD Map、Monitor Map、PG Nap和 CRUSH Map），维护展示集群状态的各种图表，管理集群客户端认证与授权。一个Ceph集群通常至少需要 3 或 5 个（奇数个） Monitor 节点才能实现冗余和高可用性，它们通过Paxos 协议实现节点间的同步数据。

Manager（守护进程 ceph-mgr ）

负责跟踪运行时指标和 Ceph 集群的当前状态，包括存储利用率、当前性能指标和系统负载。为外部监视和管理系统提供额外的监视和接口，例如 zabbix、 prometheus、cephmetrics 等。一个 ceph 集群通常至少需要 2 个 mgr 节点实现高可用性，基于 raft 协议实现节点间的信息同步。

MDS （Metadata server，守护进程 ceph-mds ）

是 CephES 服务依赖的元数据服务。负责保存文件系统的元数据，管理目录结构。对象存储和块设备存储不需要元数据服务；如果不使用 CepFS 可以不安装。

7. OSD 存储后端

OSD 有两种方式管理它们存储的数据。在 Luminous 12.2.z 及以后的发行版中，默认（也是推荐的）后端是 BlueStore。在 Luminous 发布之前，默认是 FileStore，也是唯一的选项。

7.1 Filestore

FileStore是在Ceph中存储对象的一个遗留方法。它依赖于一个标准文件系统（只能是XFS)，并结合一个键/值数据库（传统上是LevelDB，现在BlueStore是RocksDB），用于保存和管理元数据。

FileStore经过了良好的测试，在生产中得到了广泛的应用。然而，由于它的总体设计和对传统文件系统的依赖，使得它在性能上存在许多不足。

7.2 Bluestore

从 Ceph 12.2.0 （Luminous）版本开始的。在 Luminous版本中，BlueStore 被引入作为一种新的
高性能的 OSD 存储引擎，以替代旧的 Filestore 引擎。

在 Ceph 中， BlueStore 可以提供更快的响应时间和更高的数据吞吐量，同时也具有更好的可靠性和稳定性。相比之下，旧的 FileStore 存储引擎通常需要更多的CPU和内存资源，对 IO 延迟的敏感度也较高。

FileStore 将对象存储为块设备基础上的文件系统（通常是 XFS）中的文件。

Elustore将对象直接存储在原始块设备上，免除了对文件系统层的需要，提高了读写操作速度,通过直接操作底层块设备来管理数据，而不是传统的文件系统。

这种方法提供了更好的性能和可靠性，因为可以将数据划分为较小的块并使用校验和来检测错误。此外，BlueStore可以直接与Solid State Drive（SSD）交互，并利用其快速读写速度。

BlueStore还具有可扩展性，可以处理数百万个物理盘和千亿个对象。它实现了动态负载平衡和自动恢复机制，以确保高可用性和数据可靠性。

8. Ceph 数据的存储过程

客户端从 mon 获取最新的 Cluster Map。
在 Ceph 中，一切皆对象。Ceph 存储的数据都会被切分成为一到多个固定大小的对象（Object）。Object 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 （即是文件的 FileID，用于在全局唯一标识每一个文件）与 ono（则是分片的编号）组成。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。

OID 的好处是可以唯一标示每个不同的对象，并且存储了对象与文件的从属关系。由于 Ceph 的所有数据都虚拟成了整齐划一的对象，所以在读写时效率都会比较高。

通过对 OID 使用 HASH 算法得到一个16进制的特征码，用特征码与 Pool 中的 PG 总数取余，得到的序号则是 PGID 。即 Pool_ID + HASH(OID) % PG_NUM 得到 PGID。
PG 会根据设置的副本数量进行复制，通过对 PGID 使用 CRUSH 算法算出 PG 中目标主和次 OSD 的 ID，存储到不同的 OSD 节点上（其实是把 PG 中的所有对象存储到 OSD 上）。即通过 CRUSH(PGID) 得到将 PG 中的数据存储到各个 OSD 组中。

CRUSH 是 Ceph 使用的数据分布算法，类似一致性哈希，让数据分配到预期的地方。

总结：先将文件切边成数据对象（默认大小为4M），然后对oid使用hash算法得到一个数值再除以PG总数取余得到数据对象的pgid，接着对pgid使用CRUSH算法得到PG对应的OSD的ID（如果有多副本则是主从的OSD的ID），最后将数据对象存储到对应的OSD上。