Ceph基础概述
Ceph是一个对象式存储系统,所谓对象式存储是指它把每一个待管理的数据流(比如一个文件)切分成一到多个固定大小的对象数据,并以其为原子单元完成数据的存取;对象数据的底层存储服务由多个主机组成的存储集群;该集群被称之为RADOS(Reliable Automatic Distributed Object Store)集群;翻译成中文就是可靠的、自动化分布式对象存储系统;
Ceph架构
提示:librados是RADOS存储集群的API,它支持C、C++、java、python和php等变成语言;RADOSGW、RBD、CEPHFS都是RADOS存储服务的客户接口;它们分别把rados存储服务接口librados从不同角度做了进一步的抽象,因而各自适用于不同的应用场景;RADOSGW是将底层rados存储服务抽象为以RESTful风格接口提供对象存储服务,适用于存取对象数据的接口,比如web服务;RBD是将底层RADOS存储服务抽象为块设备的存储设备;主要用于虚拟化,比如给虚拟机提供硬盘;CEPHFS是将底层RADOS抽象为一个文件系统接口,供其他主机使用;
提示:RADOS集群主要由Monitors、Managers、Ceph OSDs、Ceph MDSs这几个组件组成;其中Monitor主要作用是监控整个集群的状态,健康与否等;它拥有整个集群的运行图(monitor map、manager map、OSD map、和CRUSH map);除此之外,它还负责维护集群各组件之间以及客户端接入RADOS集群存取数据时的认证信息和实行认证;简单讲mon组件就是管理和维护其他组件状态以及接入RADOS集群的认证信息并实行认证,一旦mon组件所在主机宕机,那么整个集群将不可用;有点类似k8s里的etcd;所以为实现冗余和高可用性,通常在集群我们部署大于1的奇数个mon(因为它使用Paxos协议,为防止网络分区等原因,保证服务的正常可用);manager组件主要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等,Ceph集群信息,包括基于web的Ceph管理器仪表板和REST API。高可用性通常需要至少两个mgr组件。OSD组件是存储数据,处理数据复制、恢复、再平衡,并提供一些监视信息的组件;Ceph通过检查其他Ceph OSD进程来监控和管理心跳;通常为了高可用和冗余,至少需要3个ceph osd(即3块硬盘,ceph为了每一个osd能够被单独使用和管理,每一个osd都会有一个单独的守护进程ceph-osd来管理,即服务器上有多少个osd,就会有多少个ceph-osd进程,一个ceph-osd进程就对应一个osd,一个osd就对应一块磁盘设备);MDS是ceph元数据服务组件,主要实现分布式文件系统的控制层面,数据和元数据的存取依然由RADOS负责,即用户使用cephfs文件系统存取数据,用户存储的文件的元数据该怎么存放、怎么管理等都由MDS组件负责;当然如果我们没有使用cephfs文件系统的必要,对应mds组件也可以不用部署;所以mds组件不是必须组件;
Ceph数据抽象接口(客户端中间层)
Ceph存储集群提供了基础的对象数据存储服务,客户端可基于RADOS协议和librados API直接与存储系统交互进行对象数据存取; librados提供了访问RADOS存储集群支持异步通信的API接口,支持对集群中对象数据的直接并行访问,用户可通过支持的编程语言开发自定义客户端程序通过RADOS协议与存储系统进行交互;客户端应用程序必须与librados绑定方可连接到RADOS存储集群,因此,用户必须事先安装librados及其依赖后才能编写使用librados的应用程序; librados API本身是用C ++编写的,它额外支持C、Python、Java和PHP等开发接口;当然,并非所有用户都有能力自定义开发接口以接入RADOS存储集群的需要,为此,Ceph也原生提供了几个较高级别的客户端接口,它们分别是RADOS GateWay(RGW)、ReliableBlock Device(RBD)和MDS(MetaData Server),分别为用户提供RESTful、块和POSIX文件系统接口;
Ceph文件系统
不同于传统文件系统的地方是,CephFS MDS在设计的初衷之一即高度可扩展的能力,其实现机制中,数据由客户端以分布式方式通过多路OSD直接存储于RADOS系统,而元数据则由MDS组织管理后仍然存储于RADOS系统之上; MDS仅是实现了分布式文件系统的控制平面,数据和元数据的存取依然由RADOS负责;CephFS依赖于独立运行的守护进程ceph-mds向客户端提供服务;
Ceph块设备
存储领域中,“块(block)”是进行数据存取的主要形式,块设备也于是成为了主流的设备形式,因此,RBD虚拟块设备也就成了Ceph之上广为人知及非常受欢迎的访问接口;RBD的服务接口无须依赖于特定的守护进程,只要客户端主机有对应内核模块librbd,就可以通过ceph RBD 接口使用;
Ceph对象网关
Ceph对象网关是一个建立在librados之上的对象存储接口为应用程序提供的Ceph存储集群的RESTful网关。Ceph对象存储支持两个接口s3和Swift;Ceph对象存储使用Ceph对象网关守护进程(radosgw),它是一个HTTP服务器,用于与Ceph存储集群交互;RGW依赖于在RADOS集群基础上独立运行的守护进程(ceph-radosgw)基于http或https协议提供相关的API服务,不过,通常仅在需要以REST对象形式存取数据时才部署RGW;
管理节点(admin host)
Ceph的常用管理接口是一组命令行工具程序,例如rados、ceph、rbd等命令,管理员可以从某个特定的MON节点执行管理操作,但也有人更倾向于使用专用的管理节点;事实上,专用的管理节点有助于在Ceph相关的程序升级或硬件维护期间为管理员提供一个完整的、独立的并隔离于存储集群之外的操作环境,从而避免因重启或意外中断而导致维护操作异常中断;
存储池、PG(Placement Group)和OSD(Object Store Device)之间的关系
提示:存储在Ceph存储系统之上的数据,都会先由Ceph将对应数据切分等额大小的对象数据,然后将这些数据存储到对应的存储池中;存储池主要作用是向外界展示集群的逻辑分区;对于每个存储池,我们可以定义一组规则,比如每个对象数据需要有多少个副本存在;PG是Placement Group的缩写,归置组;它是一个虚拟的概念,主要作用是用于将对象数据映射到osd上而存在的,对象数据具体通过那个pg存放在那个osd上,这个是根据ceph的crush算法动态映射的;我们可以理解为根据存储池中PG的数量,结合一致性hash将对象数据动态映射至PG上,然后PG根据osd数量结合一致性hash动态映射到不同的磁盘上;我们在创建存储池的时候就必须指定一定数量的PG;如上图所示,我们将数据存储到存储池B中,那么对应数据就会根据存储池B中的规则进行存储,即3个副本;在存储池B中只有2个归置组,两个归置组分别对应了不同的OSD;如果将数据存储到PG3上,那么对应数据就会在osd2\6\7分别存储一份以做备份;如果将数据存储到PG4上,这对应数据就会被分发到osd3\4\9上进行存储;
File Store 和 Blue Store
什么是file store呢?file store是传统ceph存储对象的方法,它依赖于xfs文件系统(ext4有bug和缺陷,会导致数据丢失,所以ceph只支持xfs上使用file store);通过上述的描述,我们知道ceph不管是什么客户端提交的对象数据,最终都会存储到osd所在主机的硬盘上;那么问题来了,osd所在主机的磁盘是怎么被osd管理的呢?传统ceph是将对应磁盘格式化分区挂载在osd所在主机的文件系统,被osd所在主机以一个目录的形式表示;即用户存储的对象数据,最后会被存放为一个文件的形式存放在osd所在主机的磁盘上;这也意味着我们需要存放文件本身的元数据和数据;除此之外对象本身也有数据和元数据,那么对象本身的数据和元数据是怎么存放的呢?file store是是将对象的元数据存放在leveldb(早期ceph版本)中,数据存放在文件系统的数据区;简单讲file store就是将对象的元数据存放在leveldb中,数据存放在osd所在主机的文件系统的数据区中,中间有文件系统做转换的过程;而blue store将osd所在主机的磁盘不格式化分区,而是直接用裸设备硬盘被osd识别和管理;在osd所在主机对应osd进程会将自己管理的磁盘中一小部分格式化为bluefs文件系统,用于安装使用rocksdb;即客户端提交的对象数据,对象本身的元数据会被存放在rocksdb中,数据会被直接存放在磁盘上(由osd进程直接管理数据格式等,不会存放为文件);rocksdb为了管理它自己本身的数据持久化,它也会维护一个日志文件,类似redis的aof;这样一来blue store的方式存储对象数据,在磁盘上就会存在三种数据,第一种是对象本身的数据,第二种是对象的元数据,第三种就是rocksdb的日志文件;ceph为了使存储的数据更高效,它支持将blue store方式的三种数据分别存放不同的磁盘,如下图
提示:如果是单块硬盘,那没得说三种数据直接存入到一块磁盘上;如果是两块磁盘,我们可以将blue store的日志数据和对象元数据存放在一个高性能的磁盘上,如nvme,ssd上,将对象数据存放在一个大的机械硬盘上;当然也可以将blue store的日志文件存放在高性能磁盘上,对象的元数据和数据存放在机械硬盘上;如果有三块硬盘,我们可以将blue store的日志数据存放在高性能磁盘上,比如512M的nvme的磁盘;使用1G或2G的ssd来存储对象的元数据;用机械硬盘来存储对象数据;
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