Ceph 分布式存储

一、Ceph分布式存储
1.1、Ceph文件系统简述

诞生于2006年的Ceph，是私有云事实上的标准-OpenStack的默认存储后端。

Ceph是一种软件定义存储，可以运行在几乎所有主流的Linux发行版（比如CentOS和Ubuntu）和其它类UNIX操作系统（典型如FreeBSD）。

Ceph的分布式基因使其可以轻易管理成百上千个节点、PB级及以上存储容量的大规模集群，同时基于计算的扁平寻址设计使得Ceph客户端可以直接和服务端的任意节点通信，从而避免因为存在访问热点而导致性能瓶颈。

Ceph是一个统一存储系统，即支持传统的块、文件存储协议，例如SAN和NAS；也支持对象存储协议，例如S3和Swift。

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。

Ceph项目最早起源于Sage就读博士期间的工作（最早的成果于2004年发表），并随后贡献给开源社区。在经过了数年的发展之后，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。

1.2、Ceph的优点
高性能
a. 摒弃了传统的集中式存储元数据寻址的方案，采用CRUSH算法，数据分布均衡，并行度高。
b.考虑了容灾域的隔离，能够实现各类负载的副本放置规则，例如跨机房、机架感知等。
c. 能够支持上千个存储节点的规模，支持TB到PB级的数据。
高可用性
a. 副本数可以灵活控制。
b. 支持故障域分隔，数据强一致性。
c. 多种故障场景自动进行修复自愈。
d. 没有单点故障，自动管理。
高可扩展性
a. 去中心化。
b. 扩展灵活。
c. 随着节点增加而线性增长。
特性丰富
a. 支持三种存储接口：块存储、文件存储、对象存储。
b. 支持自定义接口，支持多种语言驱动。

二、Ceph架构和名称解释
2.1、Ceph架构

2.2、Ceph核心组件及概念介绍
Monitor
一个Ceph集群需要多个Monitor组成的小集群，它们通过Paxos同步数据，用来保存OSD的元数据。

OSD
OSD全称Object Storage Device，也就是负责响应客户端请求返回具体数据的进程。一个Ceph集群一般都有很多个OSD。

MDS
MDS全称Ceph Metadata Server，是CephFS服务依赖的元数据服务。

Object
Ceph最底层的存储单元是Object对象，每个Object包含元数据和原始数据。

PG
PG全称Placement Grouops，是一个逻辑的概念，一个PG包含多个OSD。引入PG这一层其实是为了更好的分配数据和定位数据。

RADOS
RADOS全称Reliable Autonomic Distributed Object Store，是Ceph集群的精华，用户实现数据分配、Failover等集群操作。

Libradio
Librados是Rados提供库，因为RADOS是协议很难直接访问，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、C和C++支持。

CRUSH
CRUSH是Ceph使用的数据分布算法，类似一致性哈希，让数据分配到预期的地方。

RBD
RBD全称RADOS block device，是Ceph对外提供的块设备服务。

RGW
RGW全称RADOS gateway，是Ceph对外提供的对象存储服务，接口与S3和Swift兼容。

CephFS
CephFS全称Ceph File System，是Ceph对外提供的文件系统服务。

三、Ceph的存储过程
CEPH集群在存储数据时，都是进行扁平化处理，Object作为集群最小的存储单位。

ceph在对象存储的基础上提供了更加高级的思想。当对象数量达到了百万级以上，原生的对象存储在索引对象时消耗的性能非常大。ceph因此引入了placement group (pg) 的概念。一个PG就是一组对象的集合。

3.1、Ceph IO流程及数据分布

3.2、正常IO流程图

步骤：

client 创建cluster handler。
client 读取配置文件。
client 连接上monitor，获取集群map信息。
client 读写io 根据crushmap 算法请求对应的主osd数据节点。
主osd数据节点同时写入另外两个副本节点数据。
等待主节点以及另外两个副本节点写完数据状态。
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。

3.3、Ceph IO算法流程

File用户需要读写的文件。File->Object映射：
a. ino (File的元数据，File的唯一id)。
b. ono(File切分产生的某个object的序号，默认以4M切分一个块大小)。
c. oid(object 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：
a. hash(oid) & mask-> pgid 。
b. 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：
a. CRUSH(pgid)->(osd1,osd2,osd3) 。

3.4、Ceph RBD IO流程

步骤：

客户端创建一个pool，需要为这个pool指定pg的数量。
创建pool/image rbd设备进行挂载。
用户写入的数据进行切块，每个块的大小默认为4M，并且每个块都有一个名字，名字就是object+序号。
将每个object通过pg进行副本位置的分配。
pg根据cursh算法会寻找3个osd，把这个object分别保存在这三个osd上。
osd上实际是把底层的disk进行了格式化操作，一般部署工具会将它格式化为xfs文件系统。
object的存储就变成了存储一个文rbd0.object1.file。

3.5、Ceph RBD IO框架图

客户端写数据osd过程：

采用的是librbd的形式，使用librbd创建一个块设备，向这个块设备中写入数据。
在客户端本地同过调用librados接口，然后经过pool，rbd，object、pg进行层层映射,在PG这一层中，可以知道数据保存在哪3个OSD上，这3个OSD分为主从的关系。
客户端与primay OSD建立SOCKET 通信，将要写入的数据传给primary OSD，由primary OSD再将数据发送给其他replica OSD数据节点。

四、Ceph搭建过程
4.1、环境准备
1.准备三台centos7虚拟机。
2.每台虚拟机安装两块网卡，一块仅主机模式，一块nat模式。
3.准备两块硬盘，一块系统盘，另一块作为ceph使用大小1024G。

配置IP地址

主机    VM1    NAT
ceph01    192.168.158.9    192.168.100.9
ceph02    192.168.158.11    192.168.100.11
ceph03    192.168.158.12    192.168.100.70
4.2、搭建集群前的配置
每个节点都要操作，步骤一样
1、每个节点的修改主机名，和hosts文件

vi /etc/hosts
192.168.100.9   ceph01
192.168.100.11  ceph02
192.168.100.70  ceph03
 
2、关闭UseDNS，用CRT连接可以快一点

vi /etc/ssh/sshd_config
115/UseDNS no    
 
3、关闭防火墙和核心防护

systemctl stop firewalld
systemctl disable firewalld
setenforce 0
vi /etc/selinux/config
SELINUX =disabled
 
4、三个节点创建免交互

ssh-keygen
ssh-copy-id root@ceph01
ssh-copy-id root@ceph02
ssh-copy-id root@ceph03
 
5、配置YUM源

cd /etc/yum.repos.d/
mkdir backup
mv C* backup

//安装wget命令，方便下载新的yum源。
yum install wget -y

//用wget命令下载新的yum源。
wget -O /etc/yum.repos.d/CentOS-Base.repo http://mirrors.aliyun.com/repo/Centos-7.repo
wget -O /etc/yum.repos.d/epel.repo http://mirrors.aliyun.com/repo/epel-7.repo

//配置ceph源
vi /etc/yum.repos.d/ceph.repo
[ceph]
name=Ceph packages for
baseurl=https://mirrors.aliyun.com/ceph/rpm-mimic/el7/$basearch
enabled=1
gpgcheck=1
type=rpm-md
gpgkey=https://mirrors.aliyun.com/ceph/keys/release.asc
priority=1

[ceph-noarch]
name=Ceph noarch packages 
baseurl=https://mirrors.aliyun.com/ceph/rpm-mimic/el7/noarch/
enabled=1
gpgcheck=1
type=rpm-md
gpgkey=https://mirrors.aliyun.com/ceph/keys/release.asc
priority=1

[ceph-source]
name=Ceph source packages 
baseurl=https://mirrors.aliyun.com/ceph/rpm-mimic/el7/SRPMS/
enabled=1
gpgcheck=1
type=rpm-md
gpgkey=https://mirrors.aliyun.com/ceph/keys/release.asc
priority=1
 
4.3、安装ceph集群
1.首先安装好相应的工具

//ceph01节点
yum install ceph-deploy ceph python-setuptools -y

//ceph02、ceph03节点
yum install ceph python-setuptools -y

//每个节点都创建目录
mkdir /etc/ceph
 
管理节点创建mon并初始化，收集秘钥

[root@ceph01 yum.repos.d]# cd /etc/ceph
[root@ceph01 ceph]# ceph-deploy new ceph01 ceph02     '//创建mon'
[root@ceph01 ceph]# ceph-deploy mon create-initial    '//初始化，收集秘钥'
 
查看集群状态

[root@ceph01 ceph]# ceph -s
 
创建osd

[root@ceph01 ceph]# ceph-deploy osd create --data /dev/sdb ceph01
[root@ceph01 ceph]# ceph-deploy osd create --data /dev/sdb ceph02
[root@ceph01 ceph]# ceph -s    '//查看集群状态会发现有两个osd加入进来了'
[root@ceph01 ceph]# ceph osd tree    '//查看osd目录树'
ID CLASS WEIGHT  TYPE NAME       STATUS REWEIGHT PRI-AFF 
-1       1.99799 root default                            
-3       0.99899     host ceph01                         
 0   hdd 0.99899         osd.0       up  1.00000 1.00000 
-5       0.99899     host ceph02                         
 1   hdd 0.99899         osd.1       up  1.00000 1.00000 
[root@ceph01 ceph]# ceph osd stat    '//查看osd状态'
2 osds: 2 up, 2 in; epoch: e9
 
将配置文件和admin秘钥下发到节点并给秘钥增加权限

[root@ceph01 ceph]# ceph-deploy admin ceph01 ceph02
[root@ceph01 ceph]# chmod +r ceph.client.admin.keyring 
[root@ceph02 ceph]# chmod +r ceph.client.admin.keyring 
 
2.3.3：扩容操作
扩容ceph03节点的osd和mon

[root@ceph01 ceph]# ceph-deploy osd create --data /dev/sdb ceph03
[root@ceph01 ceph]# ceph -s    '//已经有三个osd了'
[root@ceph01 ceph]# vi ceph.conf 
[global]
fsid = b175fb1a-fdd6-4c57-a41f-b2d964dff248
mon_initial_members = ceph01, ceph02, ceph03    '//添加ceph03'
mon_host = mon_host = 192.168.100.9,192.168.100.11,192.168.100.70
'//添加ceph03IP地址'
auth_cluster_required = cephx
auth_service_required = cephx
auth_client_required = cephx
public network = 192.168.100.0/24    '//添加内部通信网段'
[root@ceph01 ceph]# ceph-deploy mon add ceph03    '//添加mon'
 
重新下发秘钥和配置文件
[root@ceph01 ceph]# ceph-deploy --overwrite-conf config push ceph01 ceph02 ceph03
[root@ceph01 ceph]# systemctl list-unit-files |grep mon    '//查看已启动的含mon列表'
ceph-mon@.service                             enabled        
lvm2-monitor.service                          enabled        
ceph-mon.target                               enabled   
 
三台主机重启mon服务

[root@ceph01 ceph]# systemctl restart ceph-mon.target
[root@ceph01 ceph]# ceph -s
 
4.5、模拟故障osd恢复
1、首先模拟故障，将一个osd从集群中移除

移除osd，删除osd，删除osd认证
ceph osd out osd.2
ceph osd crush remove osd.2
ceph auth del osd.2   

#重启所有节点osd服务，osd.2就down掉了
systemctl restart ceph-osd.target
 

2、恢复osd到集群中

//在ceph03节点，查看ceph位置信息
df -hT
显示位置信息：
tmpfs          tmpfs     910M   52K  910M    1% /var/lib/ceph/osd/ceph-2

//查看/var/lib/ceph/osd/ceph-2的fsid
[root@ceph03 ~]# cd /var/lib/ceph/osd/ceph-2
[root@ceph03 ceph-2]# more fsid
57df2d3e-2f53-4143-9c3f-5e98d0ae619b

//重新添加osd进入集群
[root@ceph03 ceph-2]# ceph osd create 57df2d3e-2f53-4143-9c3f-5e98d0ae619b

//重新添加认证权限
[root@ceph03 ceph-2]#  ceph auth add osd.2 osd 'allow *' mon 'allow rwx' -i /var/lib/ceph/osd/ceph-2/keyring

//设置ceph03的权重，ceph osd crush add osdID号 权重 host=主机名
[root@ceph03 ceph-2]# ceph osd crush add 2 0.99899 host=ceph03

//将osd加入集群
[root@ceph03 ceph-2]# ceph osd in osd.2

//重启所有节点的osd服务
systemctl restart ceph-osd.target
 
通过ceph osd tree查看，ceph03的osd节点已经恢复了

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