SSD固态盘应用于Ceph集群的四种典型使用场景

在虚拟化及云计算技术大规模应用于企业数据中心的科技潮流中，存储性能无疑是企业核心应用是否虚拟化、云化的关键指标之一。传统的做法是升级存储设备，但这没解决根本问题，性能和容量不能兼顾，并且解决不好设备利旧问题。因此，企业迫切需要一种大规模分布式存储管理软件，能充分利用已有硬件资源，在可控成本范围内提供最佳的存储性能，并能根据业务需求变化，从容量和性能两方面同时快速横向扩展。这就是Server SAN兴起的现实基础。

Ceph作为Server SAN的最典型代表，可对外提供块、对象、文件服务的分布式统一存储系统，不可避免成为关注热点，越来越多的企业在生产环境部署和使用Ceph集群，截止今年4月份为止，云计算提供商DreamHost、欧洲核子研究中心CERN等企业已有3PB规模数据量的Ceph生产环境。

Ceph先进的架构，加上SSD固态盘，特别是高速PCIe SSD带来的高性能，无疑将成为Ceph部署的典型场景。同时，由于SSD相对昂贵的价格及企业已有设备的利旧考虑，如何控制成本，利用少量的SSD盘来达到关键业务（如电信计费系统的数据库业务等）对性能的要求，做到性能和成本的最佳平衡点，是用好Ceph的关键。下面讨论Ceph集群中SSD盘四种典型使用场景：

1. 作为OSD的日志盘

Ceph使用日志来提高性能及保证数据一致性。使用快速的SSD作为OSD的日志盘来提高集群性能是SSD应用于Ceph环境中最常见的使用场景。由于OSD日志读写的特点，在选择SSD盘时，除了关注IOPS性能外，要重点注意以下3个方面：

1）写密集场景

OSD日志是大量小数据块、随机IO写操作。选购SSD作为日志盘，需要重点关注随机、小块数据、写操作的吞吐量及IOPS；当一块SSD作为多个OSD的日志盘时，因为涉及到多个OSD同时往SSD盘写数据，要重点关注顺序写的带宽。

2）分区对齐

在对SSD分区时，使用Parted进行分区并保证4KB分区对齐，避免分区不当带来的性能下降。

3）O_DIRECT和O_DSYNC写模式及写缓存

由Ceph源码可知(ceph/src/os/FileJournal.cc)，OSD在写日志文件时，使用的flags是：

1. flags |= O_DIRECT | O_DSYNC

O_DIRECT表示不使用Linux内核Page Cache; O_DSYNC表示数据在写入到磁盘后才返回。

由于磁盘控制器也同样存在缓存，而Linux操作系统不负责管理设备缓存，O_DSYNC在到达磁盘控制器缓存之后会立即返回给调用者，并无法保证数据真正写入到磁盘中，Ceph致力于数据的安全性，对用来作为日志盘的设备，应禁用其写缓存。(# hdparm -W 0 /dev/hda 0)

使用工具测试SSD性能时，应添加对应的flag：dd … oflag=direct,dsync; fio … —direct=1, —sync=1…

2. 与SATA、SAS硬盘混用，但独立组成全SSD的Pool

基本思路是编辑CRUSH MAP，先标示出散落在各存储服务器的SSD OSD以及硬盘OSD(host元素)，再把这两种类型的OSD聚合起来形成两种不同的数据根(root元素)，然后针对两种不同的数据源分别编写数据存取规则(rule元素)，最后，创建SSD Pool，并指定其数据存取操作都在SSD OSD上进行。

在该场景下，同一个Ceph集群里存在传统机械盘组成的存储池，以及SSD组成的快速存储池，可把对读写性能要求高的数据存放在SSD池，而把备份数据存放在普通存储池。

对应于Ceph作为OpenStack里统一存储后端，各组件所使用的四个存储池：Glance Pool存放镜像及虚拟机快照、Nova Pool存放虚拟机系统盘、Cinder Volume Pool存放云硬盘及云硬盘快照、Cinder Backup Pool存放云硬盘备份，可以判断出，Nova及Cinder Volume存储池对IO性能有相对较高的要求，并且大部分都是热数据，可存放在SSD Pool；而Glance和Cinder Backup存储池作为备份冷数据池，对性能要求相对较低，可存放在普通存储池。

这种使用场景，SSD Pool里的主备数据都是在SSD里，但正常情况下，Ceph客户端直接读写的只有主数据，这对相对昂贵的SSD来说存在一定程度上的浪费。这就引出了下一个使用场景—配置CRUSH数据读写规则，使主备数据中的主数据落在SSD的OSD上。

Ceph里的命令操作不详细叙述，简单步骤示例如下：

1）标示各服务器上的SSD与硬盘OSD

1. # SAS HDD OSD
2. host ceph-server1-sas {
3. id -2
4. alg straw
5. hash 0
6. item osd.0 weight 1.000
7. item osd.1 weight 1.000
8. …
9. }
10. # SSD OSD
11. host ceph-server1-ssd {
12. id -2
13. alg straw
14. hash 0
15. item osd.2 weight 1.000
16. …
17. }

2) 聚合OSD，创建数据根

1. root sas {
2. id -1
3. alg straw
4. hash 0
5. item ceph-server1-sas
6. …
7. item ceph-servern-sas
8. }
9. root ssd {
10. id -1
11. alg straw
12. hash 0
13. item ceph-server1-ssd
14. …
15. item ceph-servern-ssd
16. }

3）创建存取规则

1. rule sas {
2. ruleset 0
3. type replicated
4. …
5. step take sas
6. step chooseleaf firstn 0 type host
7. step emit
8. }
9. rule ssd {
10. ruleset 1
11. type replicated
12. …
13. step take ssd
14. step chooseleaf firstn 0 type host
15. step emit
16. }

4）编译及使用新的CRUSH MAP

1. # crushtool -c ssd_sas_map.txt -o ssd_sas_map
2. # ceph osd setcrushmap -i ssd_sas_map

5）创建Pool并指定存取规则

1. # ceph osd pool create ssd 4096 4096
2. # ceph osd pool set ssd crush_ruleset 1

3. 配置CRUSH数据读写规则，使主备数据中的主数据落在SSD的OSD上

该场景基本思路和第二种类似，SATA/SAS机械盘和SSD混用，但SSD的OSD节点不用来组成独立的存储池，而是配置CURSH读取规则，让所有数据的主备份落在SSD OSD上。Ceph集群内部的数据备份从SSD的主OSD往非SSD的副OSD写数据。

这样，所有的Ceph客户端直接读写的都是SSD OSD 节点，既提高了性能又节约了对OSD容量的要求。

配置重点是CRUSH读写规则的设置，关键点如下：

1. rule ssd-primary {
2. ruleset 1
3. …
4. step take ssd
5. step chooseleaf firstn 1 type host #从SSD根节点下取1个OSD存主数据
6. step emit
7. step take sas
8. step chooseleaf firstn -1 type host #从SAS根节点下取其它OSD节点存副本数据
9. step emit
10. }

4. 作为Ceph Cache Tiering技术中的Cache层

Cache Tiering的基本思想是冷热数据分离，用相对快速/昂贵的存储设备如SSD盘，组成一个Pool来作为Cache层，后端用相对慢速/廉价的设备来组建冷数据存储池。

Ceph Cache Tiering Agent处理缓存层和存储层的数据的自动迁移，对客户端透明操作透明。Cahe层有两种典型使用模式：

1）Writeback模式

Ceph客户端直接往Cache层写数据，写完立即返回，Agent再及时把数据迁移到冷数据池。当客户端取不在Cache层的冷数据时，Agent负责把冷数据迁移到Cache层。也就是说，Ceph客户端直接在Cache层上进行IO读写操作，不会与相对慢速的冷数据池进行数据交换。

这种模式适用于可变数据的操作，如照片/视频编辑、电商交易数据等等。

2）只读模式

Ceph客户端在写操作时往后端冷数据池直接写，读数据时，Ceph把数据从后端读取到Cache层。

这种模式适用于不可变数据，如微博/微信上的照片/视频、DNA数据、X射线影像等。

CRUSH算法是Ceph集群的核心，在深刻理解CRUSH算法的基础上，利用SSD的高性能，可利用较少的成本增加，满足企业关键应用对存储性能的高要求。

附. 名词解释：

• I. Ceph: 开源分布式统一存储（块、对象、文件）项目。
• II. Ceph OSD：Ceph Object Store Device的缩写，可以指Ceph里的一个存储单元，也可以指Ceph里的OSD管理进程。每台服务器上可运行多个OSD进程，典型的Ceph集群由奇数个Monitor节点和多个OSD节点组成。
• III. CRUSH：CRUSH算法是Ceph的核心模块，它通过计算数据存储位置来决定如何存取数据，同时也让Ceph客户端可以直接和各OSD节点通信而不是一个中心节点，这样，避免了Ceph集群的单点故障、性能瓶颈，极大增强了线性扩展能力。
• IV. SSD：Solid State Drive，固态盘，不解释。
• V. SATA/SAS/PCIe：不同数据总线接口。高端存储里大部分存储节点采用PCIe技术进行互联；PCIe接口SSD也是大势所趋。SATA和SAS，一个指令集是ATA，一个是SCSI，两者都可用来作为机械盘或固态盘的接口。
• VI. 几种写缓存模式：
• Write-through：向高速Cache写入数据时同时也往后端慢速设备写一份，两者都写完才返回。
• Write-back：向高速Cache写完数据后立即返回，数据不保证立即写入后端设备。给调用者的感觉是速度快，但需要额外的机制来防止掉电带来的数据不一致。
• none：禁用写缓存，直接往Cache后端慢速设备写数据。
• 计算机内各级存储设备都存在Cache机制（CPU寄存器->L1缓存->L2缓存->内存->设备控制器缓存->物理设备）