【Linux存储系列教程】ceph的架构和原理

一、ceph的介绍

  • Ceph是一个统一的分布式存储系统，设计初衷是提供较好的性能、可靠性和可扩展性。
  • 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。

二、ceph的特性

  • 高性能
    • 采用CRUSH算法实现数据均衡分布
    • 支持上千存储节点，支持TB到PB级的数据
  • 高可用性
  • 高可扩展性
  • 特性丰富
    • 支持三种存储接口：块存储、文件系统存储、对象存储
    • 支持多种语言驱动

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三、ceph的核心概念

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1. Monitor

一个ceph集群需要多个monitor集群，它们通过paxos同步数据
用于保存OSD元数据

2. OSD

Object Storage Device对象存储设备
**负责响应客户端请求、返回具体数据的进程 **
一个ceph集群一般都存在多个OSD

3. MDS

Ceph Metadata Server是cephFS依赖的元数据服务

4. Object

ceph最底层的存储单元
每个object包含元数据和原始数据

5. PG

Placement Groups一个PG包含多个OSD
为了更好地分配、定位数据

6. RADOS

Reliable Automatic Distributed Object Store实现数据分配、Failover等集群操作

7. Libradio

访问RADIO的库
提供PHP、Ruby、Java、Python、C和C++支持

8. CRUSH

**ceph使用的数据分布式算法 **

9. RBD

RADOS Block device
ceph对外提供的块设备服务

10. RGW

RADOS gateway
ceph对外提供对象存储服务

11. cephFS

ceph file system
ceph对外提供的文件系统服务

四、ceph IO流程

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1.正常IO流程

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  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

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？

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  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。

3.ceph IO算法流程

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File用户需要读写的文件File->Object映射：

  1. inoFile的元数据，File的唯一id
  2. onoFile切分产生的某个object的序号，默认以4M切分一个块大小
  3. oidobject id: ino + ono

Object是RADOS需要的对象。Ceph指定一个静态hash函数计算oid的值，将oid映射成一个近似均匀分布的伪随机值，然后和mask按位相与，得到pgid Object->PG映射：

  1. hash(oid) & mask-> pgid
  2. mask = PG总数m(m为2的整数幂)-1

PG(Placement Group),用途是对object的存储进行组织和位置映射, (类似于redis cluster里面的slot的概念) 一个PG里面会有很多object。采用CRUSH算法，将pgid代入其中，然后得到一组OSD。PG->OSD映射：

  1. CRUSH(pgid)->(osd1,osd2,osd3) 。

五、ceph心跳机制

1.OSD节点监听端口

  • OSD节点会监听public、cluster、front和back四个端口
    • public端口，监听来自Monitor和Client的连接
    • cluster端口，监听来自OSD peer的连接
    • front端口，供客户端连接集群使用的网卡，临时给集群内部间进行心跳
    • back端口，供集群内部使用的端口，用于集群内部间进行心跳
    • hbclient端口，发送ping心跳的message

2.OSD之间的心跳

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  • 同一个PG内OSD互相心跳，他们互相发送PING/PONG信息。
  • 每隔6s检测一次(实际会在这个基础上加一个随机时间来避免峰值)。
  • 20s没有检测到心跳回复，加入failure队列。

3.OSD与Monitor间的心跳

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  • OSD有事件发生时（比如故障、PG变更）。
  • 自身启动5秒内。
  • OSD周期性的上报给Monitor
    • OSD检查failure_queue中的伙伴OSD失败信息。
    • 向Monitor发送失效报告，并将失败信息加入failure_pending队列，然后将其从failure_queue移除。
    • 收到来自failure_queue或者failure_pending中的OSD的心跳时，将其从两个队列中移除，并告知Monitor取消之前的失效报告。
    • 当发生与Monitor网络重连时，会将failure_pending中的错误报告加回到failure_queue中，并再次发送给Monitor。
  • Monitor统计下线OSD
    • Monitor集来自OSD的伙伴失效报告。
    • 当错误报告指向的OSD失效超过一定阈值，且有足够多的OSD报告其失效时，将该OSD下线。