【Ceph】基于ceph-deploy部署Ceph集群详解

1. 存储基础

1.1 单机存储设备

DAS（直接附加存储，是直接接到计算机主板总线上的存储）
IDE、SATA、SCSI、SAS、USB接口的磁盘
所谓接口就是一种存储设备驱动下的磁盘设备，提供块级别的存储

NAS（网络附加存储，是通过网络附加到当前主机文件系统之上的存储）
NFS、CIFS、FTP
文件系统级别的存储，本身就是一个做好的文件系统，通过nfs接口在用户空间输出后，客户端基于内核模块与远程主机进行网络通信，把它转为好像本地文件系统一样来使用，这种存储服务没办法对它再一次格式化，创建文件系统块

SAN（存储区域网络）
SCSI协议（只是用来传输数据的存取操作，物理层使用SCSI线缆来传输）、FCSAN（物理层使用光纤来传输）、iSCSI（物理层使用以太网来传输）
也是一种网络存储，但不同之处在于SAN提供给客户端主机使用的接口是块级别的存储

1.1.1 单机存储的问题

存储处理能力不足
传统IDE的IO值是100次/秒，SATA固态磁盘500次/秒，固态硬盘达到2000-4000次/秒。即使磁盘的IO能力再大数十倍，也不够抗住网站访问高峰期数十万、数百万甚至上亿用户的同时访问，这同时还要受到主机网络IO能力的限制。

存储空间能力不足
单块磁盘的容量再大，也无法满足用户的正常访问,所需的数据容量限制。

单点故障问题
单机存储数据存在单点故障问题

1.1.2 商业存储解决方案

EMC、NetAPP、IBM、DELL、华为、浪潮

1.2 分布式存储（软件定义的存储SDS）

Ceph、TFS、FastDFS、MooseFS（MFS）、HDFS、GlusterFS（GFS）
存储机制会把数据分散存储到多个节点上，具有高扩展性、高性能、高可用性等优点。

1.2.1 分布式存储的类型

块存储
例如硬盘，一般是一个存储被一个服务器挂载使用，适用于容器或虚拟机存储卷分配、日志存储、文件存储。就是一个裸设备，用于提供没有被组织过的存储空间，底层以分块的方式来存储数据

文件存储
例如NFS，解决块存储无法共享问题，可以一个存储被多个服务器同时挂载，适用于目录结构的存储、日志存储。是一种数据组织存放接口，一般是建立在块级别的存储结构之上，以文件形式来存储数据，而文件的元数据和实际数据是分开存储的。

对象存储
例如OSS，一个存储可以被多服务同时访问，具备块存储的高速读写能力，也具备文件存储共享的特性，适用图片存储、视频存储。基于API接口提供的文件存储，每一个文件都是一个对象，且文件大小各不相同，文件的元数据和实际数据是存放在一起的。

2. Ceph简介

Ceph使用C++语言开发，是一个开放、自我修复和自我管理的开源分布式存储系统。具有高扩展性、高性能、高可靠性的优点。
Ceph目前已得到众多云计算厂商的支持并被广泛应用。RedHat及OpenStack，Kubernetes都可与Ceph整合,以支持虚拟机镜像的后端存储。
粗略估计，我国70%—80%的云平台都将Ceph作为底层的存储平台，由此可见Ceph俨然成为了开源云平台的标配。目前国内使用Ceph搭建分布式存储系统较为成功的企业有华为、阿里、中兴、华三、浪潮、中国移动、网易、乐视、360、星辰天合存储、杉岩数据等。

2.1 Ceph优势

• 高扩展性：去中心化，支持使用普通X86服务器，支持上千个存储节点的规模，支持TB到EB级的扩展。
• 高可靠性：没有单点故障，多数据副本，自动管理，自动修复。
• 高性能：摒弃了传统的集中式存储元数据寻址方案，采用CRUSH算法，数据分布均衡，并行度高。
• 功能强大：Ceph是个大一统的存储系统，集块存储接口（RBD）、文件存储接口（CephFS）、对象存储接口（RadosGW）于一身，因而适用于不同的应用场景。

2.2 Ceph架构

自下向上，可以将Ceph系统分为四个层次:

RADOS基础存储系统（Reliable，Autonomic，Distributed Object Store，即可靠的、自动化的、分布式的对象存储）
RADOS是Ceph最底层的功能模块，是一个无限可扩容的对象存储服务，能将文件拆解成无数个对象（碎片）存放在硬盘中，大大提高了数据的稳定性。它主要由OSD和Monitor两个组件组成，OSD和Monitor都可以部署在多台服务器中，这就是ceph分布式和高扩展性的由来。

LIBRADOS基础库
Librados提供了与RADOS进行交互的方式，并向上层应用提供Ceph服务的API接口，因此上层的RBD、RGW和CephFS都是通过Librados访问的，目前提供PHP、Ruby、Java、Python、Go、C和C++支持，以便直接基于RADOS（而不是整个Ceph）进行客户端应用开发。

2.2.1 高层应用接口

包括了三个部分:

（1）对象存储接口RGW（RADOS Gateway）
网关接口，基于Librados开发的对象存储系统，提供S3和Swift兼容的RESTful API接口。

（2）块存储接口RBD（Reliable Block Device）
基于Librados提供块设备接口，主要用于Host/VM。

（3）文件存储接口CephFS（Ceph File System）
Ceph文件系统，提供了一个符合POSIX标准的文件系统，它使用Ceph存储集群,在文件系统上存储用户数据。基于Librados提供的分布式文件系统接口。

应用层：基于高层接口或者基础库Librados开发出来的各种APP，或者Host、VM等诸多客户端.

2.3 Ceph核心组件

Ceph是一个对象式存储系统，它把每一个待管理的数据流（如文件等数据）切分为一到多个固定大小（默认4兆）的对象数据（Object），并以其为原子单元（原子是构成元素的最小单元）完成数据的读写。

OSD（Object Storage Daemon，守护进程ceph-osd）
是负责物理存储的进程，一般配置成和磁盘一一对应，一块磁盘启动一个OSD进程。主要功能是存储数据、复制数据、平衡数据、恢复数据，以及与其它OSD间进行心跳检查，负责响应客户端请求，返回具体数据的进程等。通常至少需要3个OSD来实现冗余和高可用性。

PG（Placement Group归置组）
PG是一个虚拟的概念而已，物理上不真实存在。它在数据寻址时类似于数据库中的索引：Ceph先将每个对象数据，通过HASH算法固定映射到一个PG中，然后将PG通过CRUSH算法映射到OSD。

Pool
Pool是存储对象的逻辑分区，它起到namespace的作用。每个Pool包含一定数量（可配置）的PG。Pool可以做故障隔离域，根据不同的用户场景统一进行隔离。

2.3.1 Pool中数据保存方式支持的两种类型

• 多副本（replicated）：类似raid1，一个对象数据默认保存3个副本，放在不同的OSD。
• 纠删码（Erasure Code）：类似raid5，对CPU消耗稍大，但是节约磁盘空间，对象数据保存只有1个副本。由于Ceph部分功能不支持纠删码池，此类型存储池使用不多。

2.3.2 Pool、PG和OSD的关系

一个Pool里有很多个PG；一个PG里包含一堆对象，一个对象只能属于一个PG；PG有主从之分，一个PG分布在不同的OSD上（针对多副本类型）

Monitor（守护进程ceph-mon）
用来保存OSD的元数据。负责维护集群状态的映射视图（Cluster Map：OSD Map、Monitor Map、PG Map和CRUSH Map），维护展示集群状态的各种图表， 管理集群客户端认证与授权。一个Ceph集群通常至少需要3或5个（奇数个）Monitor节点才能实现冗余和高可用性，它们通过Paxos协议,实现节点间的同步数据。

Manager（守护进程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。为外部监视和管理系统提供额外的监视和接口，例如zabbix、prometheus、 cephmetrics等。一个Ceph集群通常至少需要2个mgr节点实现高可用性，基于raft协议实现节点间的信息同步。

MDS（Metadata Server，守护进程ceph-mds）
是CephFS服务依赖的元数据服务。负责保存文件系统的元数据，管理目录结构。对象存储和块设备存储不需要元数据服务；如果不使用CephFS可以不安装。

2.4 OSD存储后端

OSD有两种方式管理它们存储的数据。在Luminous 12.2.z及以后的发行版中，默认（也是推荐的）后端是BlueStore。在Luminous发布之前， 默认是FileStore， 也是唯一的选项。

Filestore
FileStore是在Ceph中存储对象的一个遗留方法。它依赖于一个标准文件系统（只能是XFS)，并结合一个键/值数据库（传统上是LevelDB，现在BlueStore是RocksDB），用于保存和管理元数据。
FileStore经过了良好的测试，在生产中得到了广泛的应用。然而，由于它的总体设计和对传统文件系统的依赖，使得它在性能上存在许多不足。

Bluestore
BlueStore是一个特殊用途的存储后端，专门为OSD工作负载管理磁盘上的数据而设计。BlueStore的设计是基于十年来支持和管理Filestore的经验。BlueStore相较于Filestore，具有更好的读写性能和安全性。

2.4.1 BlueStore的主要功能包括

（1）BlueStore直接管理存储设备，即直接使用原始块设备或分区管理磁盘上的数据。这样就避免了抽象层的介入（例如本地文件系统，如XFS)，因为抽象层会限制性能或增加复杂性。
（2）BlueStore使用RocksDB进行元数据管理。RocksDB的键/值数据库是嵌入式的，以便管理内部元数据，包括将对象名称映射到磁盘上的块位置。
（3）写入BlueStore的所有数据和元数据都受一个或多个校验和的保护。未经验证，不会从磁盘读取或返回给用户任何数据或元数据。
（4）支持内联压缩。数据在写入磁盘之前,可以选择性地进行压缩。
（5）支持多设备元数据分层。BlueStore允许将其内部日志（WAL预写日志）写入单独的高速设备（如SSD、NVMe或NVDIMM)，