Ceph分布式存储详述

存储发展史

企业中使用存储按照其功能，使用场景，一直在持续发展和迭代，大体上可以分为四个阶段：

• DAS：Direct Attached Storage，即直连存储，第一代存储系统，通过SCSI总线扩展至一个外部的存储，磁带整列，作为服务器扩展的一部分；
• NAS：Network Attached Storage，即网络附加存储，通过网络协议如NFS远程获取后端文件服务器共享的存储空间，将文件存储单独分离出来；
• SAN：Storage Area Network，即存储区域网络，分为IP-SAN和FC-SAN，即通过TCP/IP协议和FC(Fiber Channel)光纤协议连接到存储服务器；
• Object Storage：即对象存储，随着大数据的发展，越来越多的图片，视频，音频静态文件存储需求，动仄PB以上的存储空间，需无限扩展。

存储的发展，根据不同的阶段诞生了不同的存储解决方案，每一种存储都有它当时的历史诞生的环境以及应用场景，解决的问题和优缺点。

区别如下

DAS 直连存储服务器使用 SCSI 或 FC 协议连接到存储阵列、通过 SCSI 总线和 FC 光纤协议类型进行数据传输；例如一块有空间大小的裸磁盘：/dev/sdb。DAS存储虽然组网简单、成本低廉但是可扩展性有限、无法多主机实现共享、目前已经很少使用了。

NAS网络存储服务器使用TCP网络协议连接至文件共享存储、常见的有NFS、CIFS协议等；通过网络的方式映射存储中的一个目录到目标主机，如/data。NAS网络存储使用简单，通过IP协议实现互相访问，多台主机可以同时共享同一个存储。但是NAS网络存储的性能有限，可靠性不是很高。

SAN存储区域网络服务器使用一个存储区域网络IP或FC连接到存储阵列、常见的SAN协议类型有IP-SAN和FC-SAN。SAN存储区域网络的性能非常好、可扩展性强；但是成本特别高、尤其是FC存储网络：因为需要用到HBA卡、FC交换机和支持FC接口的存储。

Object Storage对象存储通过网络使用API访问一个无限扩展的分布式存储系统、兼容于S3风格、原生PUT/GET等协议类型。表现形式就是可以无限使用存储空间，通过PUT/GET无限上传和下载。可扩展性极强、使用简单，但是只使用于静态不可编辑文件，无法为服务器提供块级别存储。

综上、企业中不同场景使用的存储，使用表现形式无非是这三种：磁盘（块存储设备），挂载至目录像本地文件一样使用（文件共享存储），通过API向存储系统中上传PUT和下载GET文件（对象存储）。

什么是Ceph

Ceph能够提供企业中三种常见的存储需求：块存储、文件存储和对象存储，正如Ceph官方所定义的一样“Ceph uniquely delivers object, block, and file storage in one unified system.”，Ceph在一个统一的存储系统中同时提供了对象存储、块存储和文件存储，即Ceph是一个统一存储，能够将企业企业中的三种存储需求统一汇总到一个存储系统中，并提供分布式、横向扩展，高度可靠性的存储系统，Ceph存储提供的三大存储接口：

上图详见官方文档：http://docs.ceph.org.cn/

1、CEPH OBJECT STORE对象存储，包含功能，特性如下：

• RESTful Interface RESTful风格接口；
• S3- and Swift-compliant APIs 提供兼容于S3和Swfit风格API；
• S3-style subdomains S3风格的目录风格；
• Unified S3/Swift namespace 统一扁平的S3/Swift命名空间，即所有的对象存放在同一个平面上；
• User management 提供用户管理认证接入；
• Usage tracking 使用情况追踪；
• Striped objects 对象切割，将一个大文件切割为多个小文件（objects）；
• Cloud solution integration 云计算解决方案即成，可以与Swfit对象存储即成；
• Multi-site deployment 多站点部署，保障可靠性；
• Multi-site replication 多站点复制，提供容灾方案。

2、CEPH BLOCK DEVICE块存储，包含功能，特性如下：

• Thin-provisioned 瘦分配，即先分配特定存储大小，随着使用实际使用空间的增长而占用存储空间，避免空间占用；
• Images up to 16 exabytes 耽搁景象最大能支持16EB；
• Configurable striping 可配置的切片，默认是4M；
• In-memory caching 内存缓存；
• Snapshots 支持快照，将当时某个状态记录下载；
• Copy-on-write cloning Copy-on-write克隆复制功能，即制作某个镜像实现快速克隆，子镜像依赖于母镜像；
• Kernel driver support 内核驱动支持，即rbd内核模块；
• KVM/libvirt support 支持KVM/libvirt，实现与云平台如openstack，cloudstack集成的基础；
• Back-end for cloud solutions 云计算多后端解决方案，即为openstack，kubernetes提供后端存储；
• Incremental backup 增量备份；
• Disaster recovery (multisite asynchronous replication) 灾难恢复，通过多站点异步复制，实现数据镜像拷贝。

3、CEPH FILE SYSTEM文件存储，包含功能，特性如下：

• POSIX-compliant semantics POSIX风格接口；
• Separates metadata from data 元数据metadata和数据data分开存储；
• Dynamic rebalancing 动态数据均衡；
• Subdirectory snapshots 子目录快照；
• Configurable striping 可配置切割大小；
• Kernel driver support 内核驱动支持，即CephFS；
• FUSE support 支持FUSE风格；
• NFS/CIFS deployable 支持NFS/CIFS形式部署；
• Use with Hadoop (replace HDFS) 可支持与Hadoop继承，替换HDFS存储。

通俗点讲：Ceph提供了三种存储接口：块存储RBD，对象存储RGW和文件存储CephFS，每种存储都有其相应的功能和特性。

Ceph存储架构

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 的强大足以改变贵公司的 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。

Ceph分布式集群是建立在RADOS算法之上的，RADOS是一个可扩展性，高可靠的存储服务算法，是Ceph的实现的基础。Ceph有两个重要的组件组成：Ceph Monitors（Ceph监视器）和Ceph OSDs（Ceph OSD 守护进程）。

其中Ceph Monitor作为集群中的控制中心，拥有整个集群的状态信息，各个组件如OSDs将自己的状态信息报告给Ceph Monitor这个总司令，由此可以可知，Ceph Monitor这个总司令肩负起整个集群协调工作；同时Ceph Monitor还负责将集群的指挥工作，将集群的状态同步给客户端，客户端根据Ceph Monitor发送的集群状态信息可以获取到集群的状态，当集群状态有变化如OSD增加或故障时，Ceph Monitor会负责更新集群状态并下发给客户端。Ceph Monitor的重要不言而喻，为了保障集群的可用性，需要部署高可用，一般需要部署2n+1个节点，如3个或5个Ceph Monitor节点。

什么是集群的状态呢？ Ceph Monitor中保存的集群状态根据其功能角色的不同，分为以下几个map状态表：

• Monitor Maps，集群Ceph Monitor集群的节点状态，通过ceph mon dump可以获取；
• OSD Maps，集群数据存储节点的状态表，记录集群中OSD状态变化，通过ceph osd dump可以获取；
• PGs Maps，PGs即placement group，表示在OSD中的分布式方式，通过ceph pg dump可以获取；
• Crush Maps，Crush包含资源池pool在存储中的映射路径方式，即数据是如何分布的；
• MDS Maps，CephFS依赖的MDS管理组件，可通过ceph mds dump获取，用于追踪MDS状态。

除了Ceph Monitor之外，还有一个重要的组件是OSD，集群中通常有多个OSD组成，OSD即Object Storage Daemon，负责Ceph集群中真正数据存储的功能，也就是我们的数据最终都会写入到OSD中。除了Monitor之外，根据Ceph提供的不同功能，还有其他组件，包括：

• Ceph Monitors（ceph-mon）；Ceph OSDs（ceph-osd）；
• Ceph MDS（ceph-mds），用于提供CephFS文件存储，提供文件存储所需元数据管理；
• Ceph RGW（ceph-rgw），用于提供Ceph对象存储网关，提供存储网关接入；
• Ceph Manager（ceph-mgr），提供集群状态监控和性能监控。

注：Ceph Monitor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 Monitor 监视器索取集群运行图的最新副本。而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。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。

Ceph数据的存储

从一个最基本的的概念入手：Ceph中一切皆对象，不管是RBD块存储接口，RGW对象存储接口还是文件存储CephFS接口，其存储如到Ceph中的数据均可以看作是一个对象，一个文件需要切割为多个对象（object），然后将object存储到OSD中，如下图：

注：Ceph 存储集群从 Ceph 客户端接收数据——不管是来自 Ceph 块设备、 Ceph 对象存储、 Ceph 文件系统、还是基于 librados 的自定义实现——并存储为对象。每个对象是文件系统中的一个文件，它们存储在对象存储设备上。由 Ceph OSD 守护进程处理存储设备上的读/写操作。

那么，这些切割后的object怎么选择到对应的OSD存储节点呢，这需要依赖于Ceph的智能调度算法CRUSH，通过CRUSH算法将object调度到合适的OSD节点上，不管是客户端还是OSD，均使用CRUSH算法来计算object在集群中OSD的位置信息，同时保障object的副本能落到合适的OSD节点上。

Ceph OSD 在扁平的命名空间内把所有数据存储为对象（也就是没有目录层次）。对象包含一个标识符、二进制数据、和由名字/值对组成的元数据，元数据语义完全取决于 Ceph 客户端。例如， CephFS 用元数据存储文件属性，如文件所有者、创建日期、最后修改日期等等。

object调度到OSD节点上，如果一个文件发生了变动或OSD出现了异常，以一个100G的文件为例，每个object默认为4M，将会切割为25600个object，如果Ceph集群需要正对每个object都进行调度的话，可想而知，在一个大规模集群中，crush的调度将会变得异常的繁重。因此，Ceph引入了另外一个概念PG，PG是Place Group即放置组，可以简单理解为一个装载object的容器，object将映射到PG中，PG最终会调度到某个具体的OSD上，因此CRUSH由object调度转为PG的调度，而PG的数量是相对固定的，因此集群分布时调度相对没有那么繁重，同时，当某个OSD异常时，CRUSH调度算法只需将其上的PG调度至其他OSD上（而不是将其上的object进行调度）。Ceph的整个数据调度写入流程如下图：

• 一个文件将会切割为多个object（如1G文件每个object为4M将切割为256个），每个object会由一个由innode(ino)和object编号(ono)组成oid，即object id，oid是真个集群唯一，唯一标识object对象；
• 针对object id做hash并做取模运算，从而获取到pgid，即place group id，通过hash+mask获取到PGs ID，PG是存储object的容器；
• Ceph通过CRUSH算法，将pgid进行运算，找到当前集群最适合存储PG的OSD节点，如osd1和osd2（假设为2个副本）；
• PG的数据最终写入到OSD节点，完成数据的写入过程，当然这里会涉及到多副本，一份数据写多副本。