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ceph存储

news 来源：原创 2024/9/20 9:24:54

1 存储简介

存储的三种方式包括：块存储、文件存储、对象存储1。此外，还有内存存储、硬盘存储和闪存存储2。

内存存储：临时性数据存储方式，存储速度快，容量有限，通常用来存储正在使用的程序和数据。
硬盘存储：永久性数据存储方式，存储速度相对较慢，容量较大，通常用来存储操作系统、应用程序、文档、图片、音频和视频等大容量数据。
闪存存储：固态存储器，存储速度相对较快，容量较大，通常用来制作U盘、存储卡等移动设备。

2、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。RedHat及OpenStack，Kubernetes都可与Ceph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。

3、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，因而适用于不同的应用场景。

4、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（Reliab1e，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。它主要由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API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

5、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统一进行隔离。

#Pool中数据保存方式支持两种类型：
●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
●纠删码（Erasure 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 Map 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 CephFS 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 CephFS 可以不安装。

6、OSD 存储引擎

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。
●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。

●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。

BlueStore 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。

7、Ceph 数据的存储过程

1）客户端从 mon 获取最新的 Cluster Map

2）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 与 ono 组成：
●ino ：即是文件的 FileID，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。
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。

3）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

4）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。

8、Ceph 版本发行生命周期

Ceph从Nautilus版本（14.2.0）开始，每年都会有一个新的稳定版发行，预计是每年的3月份发布，每年的新版本都会起一个新的名称（例如，“Mimic”）和一个主版本号（例如，13代表Mimic，因为“M”是字母表的第13个字母）。

版本号的格式为 x.y.z，x 表示发布周期（例如，13 代表 Mimic，17 代表 Quincy），y 表示发布版本类型，即
● x.0.z ：y等于 0，表示开发版本
● x.1.z ：y等于 1，表示发布候选版本（用于测试集群）
● x.2.z ：y等于 2，表示稳定/错误修复版本（针对用户）