一、Ceph的工作原理

1、什么是Ceph

Ceph是⼀种为优秀的性能、可靠性和可扩展性⽽设计的统⼀的、分布式的存储系统。

可同时提供三种接⼝：

Object:也称为基于对象的存储，其中的文件被拆分成多个部分并散布在多个存储服务器，在对象存储中，数据会被分解为称为“对象”的离散单元，并保存在单个存储库中，而不是作为文件夹中的文件或服务器上的块来保存，对象存储需要一个简单的HTTP 应用编程接口(API)，以供大多数客户端（各种语言）使用。有原⽣的API，⽽且也兼容Swift和S3的API。
Block:需要格式化，将文件直接保存到磁盘上。⽀持精简配置、快照、克隆。
File:提供数据存储的接口，是由操作系统针对块存储的应用，即由操作系统提供存储接口，应用程序通过调用操作系统将文件保存到块存储进行持久化。Posix接⼝，⽀持快照。

2、什么是块存储/对象存储/文件系统存储？

（1）对象存储：也就是通常意义的键值存储，其接口就是简单的GET、PUT、DEL 和其他扩展，代表主要有 Swift 、S3 以及 Gluster 等。

（2）块存储：这种接口通常以 QEMU Driver 或者 Kernel Module 的方式存在，这种接口需要实现 Linux 的 Block Device 的接口或者 QEMU 提供的 Block Driver 接口，如 Sheepdog，AWS 的 EBS，青云的云硬盘和阿里云的盘古系统，还有 Ceph 的 RBD（RBD是Ceph面向块存储的接口）。在常见的存储中 DAS、SAN 提供的也是块存储。

（3）文件系统存储：通常意义是支持 POSIX 接口，它跟传统的文件系统如 Ext4 是一个类型的，但区别在于分布式存储提供了并行化的能力，如 Ceph 的 CephFS (CephFS是Ceph面向文件存储的接口)，但是有时候又会把 GlusterFS ，HDFS 这种非POSIX接口的类文件存储接口归入此类。当然 NFS、NAS也是属于文件系统存储。

3、Ceph的特点

高性能：

(1)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。
(2)考虑了容灾域的隔离，能够实现各类负载的副本放置规则，例如跨主机、跨机房、机架感知等。
(3)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:

(1)副本数可以灵活控制。
(2)⽀持故障域分隔，数据强⼀致性。
(3)多种故障场景⾃动进⾏修复⾃愈。
(4)没有单点故障，⾃动管理。

⾼可扩展性:

(1)去中⼼化。
(2)扩展灵活。
(3)随着节点增加⽽线性增⻓。

特性丰富:

(1)⽀持三种存储接⼝：块存储、⽂件存储、对象存储。
(2)⽀持⾃定义接⼝，⽀持多种语⾔驱动。

4、Ceph的组织架构

ceph 是一个对象(object)式存储系统，它把每一个待管理的数据流(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，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。 对象数据的底层存储服务是由多个存储主机(host)组成的存储集群，该集群也被称之为RADOS(reliable automatic distributed object store)存储集群，即可靠的、自动化的、分布式的对象存储系统。 librados 是RADOS 存储集群的API，支持C/C++/JAVA/python/ruby/php/go等编程语言客户端。

Ceph的逻辑架构图：

RADOS：Reliable Autonomic Distributed Object Store。RADOS是ceph存储集群的基础。在ceph中，所有数据都以对象的形式存储，并且无论什么数据类型，RADOS对象存储都将负责保存这些对象。RADOS层可以确保数据始终保持一致。

librados：librados库，为应用程度提供访问接口。同时也为块存储、对象存储、文件系统提供原生的接口。

RADOSGW：网关接口，提供对象存储服务。它使用librgw和librados来实现允许应用程序与Ceph对象存储建立连接。并且提供S3 和 Swift 兼容的RESTful API接口。

RBD：块设备，它能够自动精简配置并可调整大小，而且将数据分散存储在多个OSD上。

CephFS：Ceph文件系统，与POSIX兼容的文件系统，基于librados封装原生接口。

5、Ceph的核心组件及逻辑架构

5.1、一个ceph 集群的核心组成部分

若干的Ceph OSD（对象存储守护程序）
至少需要一个Ceph Monitors 监视器（1,3,5,7...）
两个或以上的Ceph 管理器managers，运行Ceph 文件系统客户端时
还需要高可用的Ceph Metadata Server(文件系统元数据服务器)。
RADOS cluster:由多台host 存储服务器组成的ceph 集群
OSD(Object Storage Daemon)：每台存储服务器的磁盘组成的存储空间
Mon(Monitor)：ceph 的监视器,维护OSD 和PG 的集群状态，一个ceph 集群至少要有一个mon，可以是一三五七等等这样的奇数个。
Mgr(Manager)：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。

Monitor(ceph-mon) ceph 监视器:

在一个主机上运行的一个守护进程，用于维护集群状态映射(maintains maps of the cluster state)，比如ceph 集群中有多少存储池、每个存储池有多少PG 以及存储池和PG的映射关系等， monitor map, manager map, the OSD map, the MDS map,
 and the CRUSH map，这些映射是Ceph 守护程序相互协调所需的关键群集状态，此外监视器还负责管理守护程序和客户端之间的身份验证(认证使用cephX 协议)。通常至少需要三个监视器才能实现冗余和高可用性。
监视器，维护集群状态的多种映射，同时提供认证和日志记录服务，包括有关monitor 节点端到端的信息，其中包括 Ceph 集群ID，监控主机名和IP以及端口。并且存储当前版本信息以及最新更改信息，通过 "ceph mon dump"查看 monitor map。

Managers(ceph-mgr)的功能：

在一个主机上运行的一个守护进程，Ceph Manager 守护程序（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。Ceph Manager 守护程序还托管基于python 的模块来管理和公开Ceph 集群信息，
包括基于Web的Ceph 仪表板和REST API。高可用性通常至少需要两个管理器。

Ceph OSDs(对象存储守护程序ceph-osd)

即对象存储守护程序，但是它并非针对对象存储。提供存储数据，操作系统上的一个磁盘就是一个OSD 守护程序。是物理磁盘驱动器，将数据以对象的形式存储到集群中的每个节点的物理磁盘上。OSD负责存储数据、处理数据复制、恢复、回（Backfilling）、再平衡。
完成存储数据的工作绝大多数是由 OSD daemon 进程实现。在构建 Ceph OSD的时候，建议采用SSD 磁盘以及xfs文件系统来格式化分区。此外OSD还对其它OSD进行心跳检测，检测结果汇报给Monitor。通常至少需要3 个Ceph OSD 才能实现冗余和高可用性。

MDS(ceph 元数据服务器ceph-mds)

Ceph 元数据，主要保存的是Ceph文件系统(NFS/CIFS)的元数据。注意：ceph的块存储和ceph对象存储都不需要MDS。

Ceph 的管理节点

1.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，ceph 管理员可以从某个特定的ceph-mon 节点执行管理操作
2.推荐使用部署专用的管理节点对ceph 进行配置管理、升级与后期维护，方便后期权限管理，管理节点的权限只对管理人员开放，可以避免一些不必要的误操作的发生。

5.2 Ceph的逻辑架构

pool

存储池、分区，存储池的大小取决于底层的存储空间。

　　

PG(placement group)

一个pool 内部可以有多个PG 存在，pool 和PG 都是抽象的逻辑概念，一个pool 中有多少个PG 可以通过公式计算。

OSD(Object Storage Daemon,对象存储设备)

每一块磁盘都是一个osd，一个主机由一个或多个osd 组成。

6、Ceph数据写入流程

ceph 集群部署好之后,要先创建存储池才能向ceph 写入数据，文件在向ceph 保存之前要先进行一致性hash 计算，计算后会把文件保存在某个对应的PG 的，此文件一定属于某个pool 的一个PG，在通过PG 保存在OSD 上。数据对象在写到主OSD 之后再同步对从OSD 以实现数据的高可用。

 第一步: 计算文件到对象的映射:

File放到ceph集群后，先把文件进行分割，分割为等大小的小块，小块叫object（默认为4M）

计算文件到对象的映射,假如file 为客户端要读写的文件,得到oid(object id) = ino + ono
ino:inode number (INO)，File 的元数据序列号，File 的唯一id。
ono:object number (ONO)，File 切分产生的某个object 的序号，默认以4M 切分一个块大小。
比如：一个文件FileID为A，它被切成了两个对象，一个对象编号0，另一个编号1，那么这两个文件的oid则为A0与A1。
1）由Ceph集群指定的静态Hsah函数计算Object的oid，获取到其Hash值。
2）将该Hash值与mask进行与操作，从而获得PG ID。

　　

第二步：通过hash 算法计算出文件对应的pool 中的PG:

小块跟据一定算法跟规律，算法是哈希算法，放置到PG组里。
通过一致性HASH 计算Object 到PG， Object -> PG 映射hash(oid) & mask-> pgid

第三步: 通过CRUSH 把对象映射到PG 中的OSD:

再把PG放到OSD里面。
通过CRUSH 算法计算PG 到OSD，PG -> OSD 映射：[CRUSH(pgid)->(osd1,osd2,osd3)]

第四步：PG 中的主OSD 将对象写入到硬盘。

第五步: 主OSD 将数据同步给备份OSD,并等待备份OSD 返回确认。

第六步: 备份OSD返回确认后，主OSD 将写入完成返回给客户端。

Ceph中数据写入，会有三次映射

 （1）File -> object映射
 （2）Object -> PG映射，hash(oid) & mask -> pgid
 （3）PG -> OSD映射，CRUSH算法

　　

7、CRUSH

CRUSH，Controlled Replication Under Scalable Hashing，它表示数据存储的分布式选择算法， ceph 的高性能/高可用就是采用这种算法实现。CRUSH 算法取代了在元数据表中为每个客户端请求进行查找，它通过计算系统中数据应该被写入或读出的位置。CRUSH能够感知基础架构，能够理解基础设施各个部件之间的关系。并CRUSH保存数据的多个副本，这样即使一个故障域的几个组件都出现故障，数据依然可用。CRUSH 算是使得 ceph 实现了自我管理和自我修复。

Ceph 使用CRUSH 算法来准确计算数据应该被保存到哪里，以及应该从哪里读取,和保存元数据不同的是,CRUSH 按需计算出元数据，因此它就消除了对中心式的服务器／网关的需求,它使得Ceph 客户端能够计算出元数据，该过程也称为CRUSH 查找，然后和OSD 直接通信。

1.如果是把对象直接映射到OSD 之上会导致对象与OSD 的对应关系过于紧密和耦合，当OSD 由于故障发生变更时将会对整个ceph 集群产生影响。
2.于是ceph 将一个对象映射到RADOS 集群的时候分为两步走：首先使用一致性hash 算法将对象名称映射到PG 2.7然后将PG ID 基于CRUSH 算法映射到OSD 即可查到对象
3.以上两个过程都是以”实时计算”的方式完成，而没有使用传统的查询数据与块设备的对应表的方式，这样有效避免了组件的”中心化”问题，也解决了查询性能和冗余问题。使得ceph集群扩展不再受查询的性能限制。
4.这个实时计算操作使用的就是CRUSH 算法Controllers replication under scalable hashing #可控的、可复制的、可伸缩的一致性hash算法。
CRUSH 是一种分布式算法，类似于一致性hash 算法，用于为RADOS 存储集群控制数据的分配。

　　

CRUSH的功能：

层级化的Cluster Map定义了OSD集群具有层级关系的静态拓扑结构。OSD的层级使得CRUSH算法在选择OSD时实现了机架感知（rack awareness）的能力，也就是通过规则定义，使得副本可以分布在不同的机架、不同的机房中，提供数据的安全性。

1.把一组osd组合起来，决定数据的分布；

2.容灾级别的策略控制。