Ceph简介与体系架构

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对象存储 OSS,20GB 3个月
对象存储 OSS,内容安全 1000次 1年
对象存储 OSS,恶意文件检测 1000次 1年
简介: Ceph简介与体系架构

Ceph简介

Ceph 独一无二地用统一的系统提供了对象、块、和文件存储功能,它可靠性高、管理简便、并且是自由软件。 Ceph 的强大足以改变互联网公司的 IT 基础架构、和管理海量数据的能力。Ceph 可提供极大的伸缩性——供成千用户访问 PB 乃至 EB 级的数据。 Ceph 节点 以普通硬件和智能守护进程作为支撑点, Ceph 存储集群 组织起了大量节点,它们之间靠相互通讯来复制数据、并动态地重分布数据。

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ceph是一种开源的分布式的存储系统 包含以下几种存储类型:

  • 块存储(rbd)
  • 对象存储(RADOS Gateway),
  • 文件系统(cephfs)

分布式存储优点:

  • 高可靠: 既满足存储读取不丢失,还要保证数据长期存储。 在保证部分硬件损坏后依然可以保证数据安
  • 高性能: 读写速度快
  • 可扩展: 分布式存储的优势就是“分布式”,所谓的“分布式”就是能够将多个物理节点整合在一起形成共享的存储池,节点可以线性扩充,这样可以源源不断的通过扩充节点提升性能和扩大容量,这是传统存储阵列无法做到的

块存储(RBD):

块是一个字节序列(例如,512字节的数据块)。 基于块的存储接口是使用旋转介质(如硬盘,CD,软盘甚至传统的9轨磁带)存储数据的最常用方法。Ceph块设备是精简配置,可调整大小并存储在Ceph集群中多个OSD条带化的数据。 Ceph块设备利用 RADOS 功能,如快照,复制和一致性。 Ceph的RADOS块设备(RBD)使用内核模块或librados库与OSD进行交互,Ceph的块设备为内核模块或QVM等KVM以及依赖libvirt和QEMU与Ceph块设备集成的OpenStack和CloudStack等基于云的计算系统提供高性能和无限可扩展性。 可以使用同一个集群同时运行Ceph RADOS Gateway,CephFS文件系统和Ceph块设备。

linux系统中,ls /dev/下有很多块设备文件,这些文件就是我们添加硬盘时识别出来的; rbd就是由Ceph集群提供出来的块设备。可以这样理解,sda是通过数据线连接到了真实的硬盘,而rbd是通过网络连接到了Ceph集群中的一块存储区域,往rbd设备文件写入数据,最终会被存储到Ceph集群的这块区域中; 总结:块设备可理解成一块硬盘,用户可以直接使用不含文件系统的块设备,也可以将其格式化成特定的文件系统,由文件系统来组织管理存储空间,从而为用户提供丰富而友好的数据操作支持。

文件系统cephfs

Ceph文件系统(CephFS)是一个符合POSIX标准的文件系统,它使用Ceph集群来存储其数据。 Ceph文件系统使用与Ceph块设备相同的Ceph存储集群系统。

用户可以在块设备上创建xfs文件系统,也可以创建ext4等其他文件系统,Ceph集群实现了自己的文件系统来组织管理集群的存储空间,用户可以直接将Ceph集群的文件系统挂载到用户机上使用

Ceph有了块设备接口,在块设备上完全可以构建一个文件系统,那么Ceph为什么还需要文件系统接口呢?

主要是因为应用场景的不同,Ceph的块设备具有优异的读写性能,但不能多处挂载同时读写,目前主要用在OpenStack上作为虚拟磁盘,而Ceph的文件系统接口读写性能较块设备接口差,但具有优异的共享性。

对象存储

Ceph对象存储使用Ceph对象网关守护进程(radosgw),它是一个用于与Ceph存储集群交互的HTTP服务器。由于它提供与OpenStack Swift和Amazon S3兼容的接口,因此Ceph对象网关具有自己的用户管理。 Ceph对象网关可以将数据存储在用于存储来自Ceph文件系统客户端或Ceph块设备客户端的数据的相同Ceph存储集群中使用方式就是通过http协议上传下载删除对象(文件即对象)。

Ceph的块设备存储具有优异的存储性能但不具有共享性,而Ceph的文件系统具有共享性然而性能较块设备存储差,为什么不权衡一下存储性能和共享性,整个具有共享性而存储性能好于文件系统存储的存储呢,对象存储就这样出现了。

Ceph核心组件介绍

在ceph集群中,不管你是想要提供对象存储,块设备存储,还是文件系统存储,所有Ceph存储集群部署都是从设置每个Ceph节点,网络和Ceph存储开始 的。 Ceph存储集群至少需要一个Ceph Monitor,Ceph Manager和Ceph OSD(对象存储守护进程)。 运行Ceph Filesystem客户端时也需要Ceph元数据服务器。

  • Mnitors:Ceph监视器(ceph-mon)维护集群状态的映射,包括监视器映射,管理器映射,OSD映射和CRUSH映射。这些映射是Ceph守护进程相互协调所需的关键集群状态。监视器还负责管理守护进程(OSD)和客户端(client)之间的身份验证。冗余和高可用性通常至少需要三个监视器。
  • Managers:Ceph Manager守护程序(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。 Ceph Manager守护进程还托管基于python的模块来管理和公开Ceph集群信息,包括基于Web的Ceph Dashboard和REST API。高可用性通常至少需要两名Managers。
  • Ceph OSD:Ceph OSD(对象存储守护进程,ceph-osd)存储数据,处理数据复制,恢复,重新平衡,并通过检查其他Ceph OSD守护进程来获取心跳,为Ceph监视器和管理器提供一些监视信息。冗余和高可用性通常至少需要3个Ceph OSD。
  • MDS:Ceph元数据服务器(MDS,ceph-mds)代表Ceph文件系统存储元数据(即,Ceph块设备和Ceph对象存储不使用MDS)。 Ceph元数据服务器允许POSIX文件系统用户执行基本命令(如ls,find等),而不会给Ceph存储集群带来巨大负担。

总结:

  1. Ceph 监视器维护着集群运行图的主副本。一个监视器集群确保了当某个监视器失效时的高可用性。存储集群客户端向 Ceph 监视器索取集群运行图的最新副本。
  2. Ceph OSD 守护进程检查自身状态、以及其它 OSD 的状态,并报告给监视器们。
  3. 存储集群的客户端和各个 Ceph OSD 守护进程使用 CRUSH 算法高效地计算数据位置,而不是依赖于一个中心化的查询表。它的高级功能包括:基于 librados的原生存储接口、和多种基于 librados 的服务接口

高可用监视器

Ceph 客户端读或写数据前必须先连接到某个 Ceph 监视器、获得最新的集群运行图副本。一个 Ceph 存储集群只需要单个监视器就能运行,但它就成了单一故障点(即如果此监视器宕机, Ceph 客户端就不能读写数据了)。

为增强可靠性和容错能力, Ceph 支持监视器集群;在一个监视器集群内,延时以及其它错误会导致一到多个监视器滞后于集群的当前状态,因此, Ceph 的各监视器例程必须就集群的当前状态达成一致。Ceph 总是使用大多数监视器(如: 1 、 2:3 、 3:5 、 4:6 等等)和

Paxos 算法就集群的当前状态达成一致。

关于配置监视器的详情,见监视器配置参考

osd智能程序支撑超大规模

在很多集群架构中,集群成员的主要目的就是让集中式接口知道它能访问哪些节点,然后此中央接口通过一个两级调度为客户端提供服务,在 PB 到 EB 级系统中这个调度系统必将成为最大的瓶颈。

Ceph 消除了此瓶颈:其 OSD 守护进程和客户端都能感知集群,比如 Ceph 客户端、各 OSD 守护进程都知道集群内其他的 OSD 守护进程,这样 OSD 就能直接和其它 OSD 守护进程和监视器通讯。另外, Ceph 客户端也能直接和 OSD 守护进程交互。

Ceph 客户端、监视器和 OSD 守护进程可以相互直接交互,这意味着 OSD 可以利用本地节点的 CPU 和内存执行那些有可能拖垮中央服务器的任务。这种设计均衡了计算资源,带来几个好处:

  1. OSD 直接服务于客户端:  由于任何网络设备都有最大并发连接上限,规模巨大时中央化的系统其物理局限性就暴露了。 Ceph 允许客户端直接和 OSD 节点联系,这在消除单故障点的同时,提升了性能和系统总容量。 Ceph 客户端可按需维护和某 OSD 的会话,而不是一中央服务器。
  2. OSD 成员和状态:  Ceph OSD 加入集群后会持续报告自己的状态。在底层, OSD 状态为 updown ,反映它是否在运行、能否提供服务。如果一 OSD 状态为 downin ,表明 OSD 守护进程可能故障了;如果一 OSD 守护进程没在运行(比如崩溃了),它就不能亲自向监视器报告自己是 down 的。 Ceph 监视器能周期性地 ping OSD 守护进程,以确保它们在运行,然而它也授权 OSD 进程去确认邻居 OSD 是否 down 了,并更新集群运行图、报告给监视器。这种机制意味着监视器还是轻量级进程。详情见监控 OSD心跳
  3. 数据清洗:  作为维护数据一致性和清洁度的一部分, OSD 能清洗归置组内的对象。就是说, Ceph OSD 能比较对象元数据与存储在其他 OSD 上的副本元数据,以捕捉 OSD 缺陷或文件系统错误(每天)。 OSD 也能做深度清洗(每周),即按位比较对象中的数据,以找出轻度清洗时未发现的硬盘坏扇区。关于清洗详细配置见数据清洗_
  4. 复制:  和 Ceph 客户端一样, OSD 也用 CRUSH 算法,但用于计算副本存到哪里(也用于重均衡)。一个典型的写情形是,一客户端用 CRUSH 算法算出对象应存到哪里,并把对象映射到存储池和归置组,然后查找 CRUSH 图来确定此归置组的主 OSD 。
    客户端把对象写入目标归置组的主 OSD ,然后这个主 OSD 再用它的 CRUSH 图副本找出用于放对象副本的第二、第三个 OSD ,并把数据复制到适当的归置组所对应的第二、第三 OSD (要多少副本就有多少 OSD ),最终,确认数据成功存储后反馈给客户端。

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有了做副本的能力, OSD 守护进程就可以减轻客户端的复制压力,同时保证了数据的高可靠性和安全性。

动态集群管理

伸缩性和高可用性一节,我们解释了 Ceph 如何用 CRUSH 、集群感知性和智能 OSD 守护进程来扩展和维护高可靠性。 Ceph 的关键设计是自治,自修复、智能的 OSD 守护进程。让我们深入了解下 CRUSH 如何运作,如何动态实现现代云存储基础设施的数据放置、重均衡、错误恢复。

关于存储池

Ceph 存储系统支持“池”概念,它是存储对象的逻辑分区。

Ceph 客户端从监视器获取一张集群运行图,并把对象写入存储池。存储池的 size 或副本数、 CRUSH 规则集和归置组数量决定着 Ceph 如何放置数据。

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存储池至少可设置以下参数:

  • 对象的所有权/访问权限;
  • 归置组数量;以及,
  • 使用的 CRUSH 规则集。

详情见调整存储池

PG 映射到 OSD

每个存储池都有很多归置组, CRUSH 动态的把它们映射到 OSD 。 Ceph 客户端要存对象时, CRUSH 将把各对象映射到某个归置组。

把对象映射到归置组在 OSD 和客户端间创建了一个间接层。由于 Ceph 集群必须能增大或缩小、并动态地重均衡。如果让客户端“知道”哪个 OSD 有哪个对象,就会导致客户端和 OSD 紧耦合;相反, CRUSH 算法把对象映射到归置组、然后再把各归置组映射到一或多个 OSD ,这一间接层可以让 Ceph 在 OSD 守护进程和底层设备上线时动态地重均衡。下列图表描述了 CRUSH 如何将对象映射到归置组、再把归置组映射到 OSD 。

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有了集群运行图副本和 CRUSH 算法,客户端就能精确地计算出到哪个 OSD 读、写某特定对象。

参考阅读

论文 RADOS - A Scalable, Reliable Storage Service for Petabyte-scale Storage Clusters

Ceph官方文档

2016Ceph中文文档

论文 CRUSH - 可控、可伸缩、分布式地归置多副本数据



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