Ceph学习——Librbd块存储库与RBD读写流程源码分析

最新推荐文章于 2025-06-19 14:47:02 发布

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#Ceph源码 #Librbd #RBD读写流程 #RBD实现原理

本文深入探讨Ceph的Librbd库，解析RBD块存储的元数据管理和读写流程。通过Librbd，Ceph实现了基于librados的块存储接口。RBD的创建涉及元数据设置，数据读写通过ImageRequestWQ、ImageRequest和ObjectRequest处理，将块拆分为对象进行操作。文中还介绍了Cls扩展模块和RBD的元数据结构。

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Librbd是Ceph提供块存储的库，它实现了RBD接口，基于LIbrados实现了对RBD的基本操作。Librbd对于元数据的相关操作是通过cls_rbd实现的。cls_rbd是Cls的一个扩展模块，Cls允许用户自定义对象的操作接口和实现方法，为用户提供了一种比较直接的接口扩展方式。Librbd的数据读写相关操作则是通过直接Librados来直接访问。

Librbd 包含了rbd的相关操作，并发送给ImageRequestWQ类处理（队列），而后该类将其中的的请求发送给ImageRequest处理，ImageRequest将Image进行分片（将一个块分解成对象进行处理，Ceph的底层本质还是对象存储） 等操作后，将各个对象调用ObjectRequest类进行处理，每个ObjectRequest请求分别处理。ImageRequest和ObjectRequest下面都包含很多相关操作的子类，用子类实现了具体的接口。关于RBD的读写流程用了函数调用的流程图表示，思路更加清晰，并且最新版本函数、类的名字都改变了。
结构如图：

ClsCeph的扩展模块
Librbd 库

Cls——Ceph的扩展模块

cls_rbd是Cls的一个扩展模块，Cls允许用户自定义对象的操作接口和实现方法，为用户提供了一种比较直接的接口扩展方式。
该模块下包含几个文件：

1）cls_rbd_types 主要是注册了rbd模块，以及自定义的一些方法

...
...
...
//对应的方法
int create(cls_method_context_t hctx, bufferlist *in, bufferlist *out)
{
  string object_prefix;
  uint64_t features, size;
  uint8_t order;
  int64_t data_pool_id = -1;

  try {
    bufferlist::iterator iter = in->begin();
    ::decode(size, iter);
    ::decode(order, iter);
    ::decode(features, iter);
    ::decode(object_prefix, iter);
    if (!iter.end()) {
      ::decode(data_pool_id, iter);
    }
  } catch (const buffer::error &err) {
    return -EINVAL;
  }
  ...
  ...
  ...
  //注册模块以及方法
  cls_register("rbd", &h_class);
  cls_register_cxx_method(h_class, "create",
              CLS_METHOD_RD | CLS_METHOD_WR,
              create, &h_create);
 ...
 ...
 ...

2）cls_rbd_client 定义了客户端访问rbd函数。调用模块和客户端的读写操作流程类似，都是通过ioctx->ecex 函数，封装操作并发送给对应的OSD处理。见（超链接留空）

Librbd 库

RBD是ceph中提供块存储的客户端服务，之所以说是客户端服务是相对于RADOS而言，RBD是基于librados API开发的一个块存储服务。Ceph底层的实现是对象存储，通过librbd实现了块存储的接口，对外提供块存储的服务。
所以，块存储在客户端也会被拆成n个对象来存储处理。

下面摘取
麦子迈：解析Ceph: Librbd–块存储库中的基础名词介绍。

Image: 对应于LVM的Logical Volume，是能被attach/detach到VM的载体。在RBD中，Image的数据有多个Object组成。（image 镜像可以作是块存储的呈现形式）
Snapshot: Image的某一个特定时刻的状态，只能读不能写但是可以将Image回滚到某一个Snapshot状态。Snapshot必定属于某一个Image。
Clone: 为Image的某一个Snapshot的状态复制变成一个Image。如ImageA有一个Snapshot-1，clone是根据ImageA的Snapshot-1克隆得到ImageB。ImageB此时的状态与Snapshot-1完全一致，区别在于ImageB此时可写，并且拥有Image的相应能力。

关于块存储原理的一些东西，可以操作集群实际看看：Ceph介绍之RBD实现原理

RBD元数据

当在一个pool里面创建一个RBD对象的时候，会对应的生成其它的对象以及相关的元数据用于管理rbd。

rbd _dircetory对象：该对象在每一个Pool都存储在，用来保存该pool下的所有的RBD的目录信息。当创建RBD设备的时候，会首先检查该对象的存在，如无则创建。该对象中包含了 Ceph中专门用于存储元数据的结构omap。该omap属性里保存了所有RBD设备的名字和ID信息。在omap属性中保存这key-value键值对，key为 “name”+设备名字，value为”_id“+RBD的ID 。
另外还会创建id_obj对象：对象名字为 rbd_id. ，内容为RBD的ID信息。
head_obj对象：其中的omap保存了RBD相关的元数据。
rbd_object_map. :保存其对象和父image对象的映射信息。

另外还会创建数据对象，用于存储数据，因为Ceph存储的本质就对象存储，所以即使提供的块存储也要拆分成对象来管理。

源码目录简单介绍

librbd 模块下的源代码现在文件比较多。根据网上别人的总结。。。。
http://blog.youkuaiyun.com/scaleqiao/article/details/51165598

1）operation，这个目录里实现了关于image的主要操作，包括flatten、resize、trim、snapshot create、snapshot remove、snapshot protect、snapshot unprotect、snapshot rename、snapshot rollback

2）librbd.cc，这个文件里并没有具体实现所有的接口，而其实大部分接口的具体实现是在internal.cc，除了I/O相关的接口，read/write。

3） ImageCtx.h和ImageCtx.cc，定义了image的上下文，包括image layout的初始化、卷/snap相关元数据的获取接口以及后来引入的rbd mirror的相关元数据结构（object map、journal 等）的创建。

4）AioImageRequestWQ.h/AioImageRequestWQ.cc、AioImageRequest.h/AioImageRequest.cc，实现了aio相关的I/O接口，进入rbd的read请求会转变成一个AioImageRead的实例，而write请求会变成一个AioImageWrite的对象。而这些对象最终会分别调到AioImageRead.send_request()和AbstractAioImageWrite::send_request()这两个函数，来处理IO请求（其中主路径中关于journal的部分可以先略过去）。

5) AioObjectRequest.h/AioObjectRequest.cc，I/O请求会通过Striper::file_to_extents()被影射成针对某个/某些对象的操作，这些操作都被定义/实现在这两个文件中

6) AioCompletion.h/AioCompletion.cc，这两个文件实现了Aio的回调处理逻辑。上层应用可以通过rbd_aio_create_completion()创建一个AioCompletion的对象，并传入自己的回调函数。这样当具体操作结束之后，AioCompletion对象会调用上层应用的回调函数

7) LibrbdWriteback.h/LibrbdWriteback.cc，这两个文件主要是通过现有的ObjectCacher机制，在librbd中支持Writeback这种I/O方式

8) ImageWatcher.h/ImageWatcher.cc，这是后来引入的watch/notify机制，用于增加了管理image exlusive lock的支持

9) 日志 Journal*，这些文件主要实现rbd mirror的功能

10）CopyupRequest.h/CopyupRequest.cc，这个主要用于处理clone卷的逻辑

看完思路清晰不少。但是目前最新的版本而言，改动了一些，主要是名字的AIo都没了。 但是跳转的处理逻辑依然还是差不多集中在 ImageRequestWQ、ImageRequest、ObjectRequest之中。

RBD的创建

rbd有很多个创建函数。根据传入的参数不同来调用不同的函数。其过程比较简单，都是调用librbd::create来设置相应的参数。RBD的创建过程，其本质是调用Cls的RBD模块设置相关的元数据信息。相关的元数据的操作函数也一样。

 int RBD::create(IoCtx& io_ctx, const char *name, uint64_t size, int *order)
  {
    TracepointProvider::initialize<tracepoint_traits>(get_cct(io_ctx));
    tracepoint(librbd, create_enter, io_ctx.get_pool_name().c_str(), io_ctx.get_id(), name, size, *order);
    int r = librbd::create(io_ctx, name, size, order);//设置参数
    tracepoint(librbd, create_exit, r, *order);
    return r;
  }

 ...
 ...
 ...

  int RBD::create4(IoCtx& io_ctx, const char *name, uint64_t size,
           ImageOptions& opt