001 Ceph简介

一、Ceph简介

        Red Hat Ceph是一个分布式的数据对象存储，系统设计旨在性能、可靠性和可扩展性上能够提供优秀的存储服务。Ceph分布式存储能够在一个统一的系统中同时提供了对象、块、和文件存储功能，在这方面独一无二的；同时在扩展性上又可支持数以千计的客户端可以访问PB级到EB级甚至更多的数据。它不但适应非结构化数据，并且客户端可以同时使用当前及传统的对象接口进行数据存取，被称为是存储的未来！

二、Ceph的特点

2.1 Ceph的优势

1. CRUSH算法

        Ceph摒弃了传统的集中式存储元数据寻址的方案，转而使用CRUSH算法完成数据的寻址操作。CRUSH在一致性哈希基础上很好的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。Ceph会将CRUSH规则集分配给存储池。当Ceph客户端存储或检索存储池中的数据时，Ceph会自动识别CRUSH规则集、以及存储和检索数据这一规则中的顶级bucket。当Ceph处理CRUSH规则时，它会识别出包含某个PG的主OSD，这样就可以使客户端直接与主OSD进行连接进行数据的读写。

2. 高可用

        Ceph中的数据副本数量可以由管理员自行定义，并可以通过CRUSH算法指定副本的物理存储位置以分隔故障域， 可以忍受多种故障场景并自动尝试并行修复。同时支持强一致副本，而副本又能够垮主机、机架、机房、数据中心存放。所以安全可靠。存储节点可以自管理、自动修复。无单点故障，有很强的容错性。

3. 高扩展性

        Ceph不同于swift，客户端所有的读写操作都要经过代理节点。一旦集群并发量增大时，代理节点很容易成为单点瓶颈。Ceph本身并没有主控节点，扩展起来比较容易，并且理论上，它的性能会随着磁盘数量的增加而线性增长。

4. 特性丰富

        Ceph支持三种调用接口：对象存储，块存储，文件系统挂载。三种方式可以一同使用。Ceph统一存储，虽然Ceph底层是一个分布式文件系统，但由于在上层开发了支持对象和块的接口

 2.2 Ceph的缺点

        虽然Ceph有很多优点，也被OpenStack所推崇，但Ceph并非是尽善尽美，Ceph在性能、易用和节能方面还有很大的提升空间。Ceph来自于社区，Ceph社区的繁荣是毋庸置疑的，但从另外一方面讲，社区是比较松散的结构，因此社区版的Ceph在产品的功能性，企业级特性方面都会有所欠缺。

三、架构与组件

3.1  Ceph架构

        文档连接：http://docs.ceph.com/docs/master/architecture/

        架构示意图

• Ceph的底层是RADOS，RADOS本身也是分布式存储系统，CEPH所有的存储功能都是基于RADOS实现。RADOS采用C++开发，所提供的原生Librados API包括C和C++两种。Ceph的上层应用调用本机上的librados API，再由后者通过socket与RADOS集群中的其他节点通信并完成各种操作。
• RADOS向外界暴露了调用接口，即LibRADOS,应用程序只需要调用LibRADOS的接口，就可以操纵Ceph了。这其中，RADOS GW用于对象存储，RBD用于块存储，它们都属于LibRADOS;CephFS是内核态程序，向外界提供了POSIX接口，用户可以通过客户端直接挂载使用。
• RADOS GateWay、RBD其作用是在librados库的基础上提供抽象层次更高、更便于应用或客户端使用的上层接口。其中，RADOS GW是一个提供与Amazon S3和Swift兼容的RESTful API的gateway，以供相应的对象存储应用开发使用。RBD则提供了一个标准的块设备接口，常用于在虚拟化的场景下为虚拟机创建volume。目前，Red Hat已经将RBD驱动集成在KVM/QEMU中，以提高虚拟机访问性能。这两种方式目前在云计算中应用的比较多。
• CEPHFS则提供了POSIX接口，用户可直接通过客户端挂载使用。它是内核态的程序，所以无需调用用户空间的librados库。它通过内核中的net模块来与Rados进行交互。
• RBD块设备。对外提供块存储。可以像磁盘一样被映射、格式化已经挂载到服务器上。支持snapshot。

3.2 ceph基本进程及作用

        Ceph主要有三个基本进程，如下图：

OSD

• Ceph OSD 以对象的形式存储所有客户端数据，并在客户端发起数据请求时提供相同的数据。Ceph 集群包含多个OSD ，对于任何读或写操作，客户端首先向monitor 请求集群的map ，然后，它们就可以无须monitor 的干预直接与OSD 进行I/O操作也正是因为产生数据的客户端能够直接写入存储数据的OSD 而没有任何额外的数据处理层，才使得数据事务处理速度如此之快。与其他存储解决方案相比，这种类型的数据存储和取回机制是Ceph 所独有的。

MON（monitor）

负责监视整个集群的运行状况，信息由维护集群成员的守护程序来提供，各节点之间的状态、集群配置信息。Cephmonitormap主要包括OSDmap、PGmap、MDSmap和CRUSH等，这些map被统称为集群Map。cephmonitor不存储任何数据。下面分别开始介绍这些map的功能：

• Monitormap：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"cephmondump"查看monitormap。
• OSDmap：包括一些常用的信息，如集群ID、创建OSDmap的版本信息和最后修改信息，以及pool相关信息，主要包括pool名字、pool的ID、类型，副本数目以及PGP等，还包括数量、状态、权重、最新的清洁间隔和OSD主机信息。通过命令"cephosddump"查看。
• PGmap：包括当前PG版本、时间戳、最新的OSDMap的版本信息、空间使用比例，以及接近占满比例信息，同事，也包括每个PGID、对象数目、状态、OSD的状态以及深度清理的详细信息。通过命令"cephpgdump"可以查看相关状态。
• CRUSHmap：CRUSHmap包括集群存储设备信息，故障域层次结构和存储数据时定义失败域规则信息。通过命令"cephosdcrushmap"查看。
• MDSmap：MDSMap包括存储当前MDSmap的版本信息、创建当前的Map的信息、修改时间、数据和元数据POOLID、集群MDS数目和MDS状态，可通过"cephmdsdump"查看

MDS

• Ceph元数据服务器，跟踪文件层次结构并存储只供CephFS使用的元数据。Ceph块设备和RADOS网关不需要元数据。MDS不直接给client提供数据服务。只有在使用cephfs的时候才需要它，而目在云计算中用的更广泛的是另外两种存储方式。

3.3 Ceph数据的存储过程

• 无论使用哪种存储方式（对象、块、挂载），存储的数据都会被切分成对象（Objects）。Objects size大小可以由管理员调整，通常为2M或4M。每个对象都会有一个唯一的OID，由ino与ono生成，虽然这些名词看上去很复杂，其实相当简单。ino即是文件的File ID，用于在全局唯一标示每一个文件，而ono则是分片的编号。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。Oid的好处是可以唯一标示每个不同的对象，并且存储了对象与文件的从属关系。由于ceph的所有数据都虚拟成了整齐划一的对象，所以在读写时效率都会比较高。 但是对象并不会直接存储进OSD中，因为对象的size很小，在一个大规模的集群中可能有几百到几千万个对象。这么多对象光是遍历寻址，速度都是很缓慢的；并且如果将对象直接通过某种固定映射的哈希算法映射到osd上，当这个osd损坏时，对象无法自动迁移至其他osd上面（因为映射函数不允许）。为了解决这些问题，ceph引入了归置组的概念，即PG。 
• PG是一个逻辑概念，我们linux系统中可以直接看到对象，但是无法直接看到PG。它在数据寻址时类似于数据库中的索引：每个对象都会固定映射进一个PG中，所以当我们要寻找一个对象时，只需要先找到对象所属的PG，然后遍历这个PG就可以了，无需遍历所有对象。而且在数据迁移时，也是以PG作为基本单位进行迁移，ceph不会直接操作对象。 对象时如何映射进PG的？还记得OID么？首先使用静态hash函数对OID做hash取出特征码，用特征码与PG的数量去模，得到的序号则是PGID。由于这种设计方式，PG的数量多寡直接决定了数据分布的均匀性，所以合理设置的PG数量可以很好的提升CEPH集群的性能并使数据均匀分布。 
• 最后PG会根据管理员设置的副本数量进行复制，然后通过crush算法存储到不同的OSD节点上（其实是把PG中的所有对象存储到节点上），第一个osd节点即为主节点，其余均为从节点。

四、存储类型及应用

4.1 块存储

典型设备： 磁盘阵列，硬盘，主要是将裸磁盘空间映射给主机使用的。

优点：通过Raid与LVM等手段，对数据提供了保护。多块廉价的硬盘组合起来，提高容量。多块磁盘组合出来的逻辑盘，提升读写效率。

缺点：采用SAN架构组网时，光纤交换机，造价成本高。主机之间无法共享数据。

使用场景：docker容器、虚拟机磁盘存储分配。日志存储。文件存储。

4.2 文件存储

典型设备： FTP、NFS服务器，为了克服块存储文件无法共享的问题，所以有了文件存储；在服务器上架设FTP与NFS服务，就是文件存储。

优点：造价低，随便一台机器就可以了，方便文件共享。

缺点：读写速率低，传输速率慢。

使用场景：日志存储，有目录结构的文件存储。

4.3 对象存储

典型设备： 内置大容量硬盘的分布式服务器(swift, s3)，多台服务器内置大容量硬盘，安装上对象存储管理软件，对外提供读写访问功能。

优点：具备块存储的读写高速，具备文件存储的共享等特性。

使用场景： (适合更新变动较少的数据)图片存储，视频存储。

五、Ceph存储的使用及访问

5.1 Ceph原生API(librados)

• Ceph原生接口，可以通过该接口让应用直接与RADOS协作来访问Ceph集群存储的对象
• Ceph RBD、Ceph RGW以及CephFS都构建于其上
• 如果需要最高性能，建议在应用中直接使用librados。如果想简化对Ceph存储的访问，可改用Ceph提供的更高级访问方式，如RGW、RBD、CephFS

5.2 Ceph Object Gateway

• 利用librados构建的对象存储接口
• 通过REST API为应用提供网关
• 支持S3和swift接口

5.3Ceph Block Device

• 提供块存储
• 由分散在集群中的不同的OSD中的个体对象组成
• Linux内核挂载支持
• QEMU、KVM和Openstack Cinder的启动支持

5.4 Ceph File System

• 并行文件系统，元数据由MDS管理

六、结语

        目前在Ceph的开源社区还是比较热门的，但是更多的是应用于云计算的后端存储。对于Ceph，本人认为这是一个很大的体系，本篇文章也是查阅了大量的网络资料，以及参考很多大牛的文章，抽取其中一部分填充到本篇文章，但也只能提到一点点，同时也因为自身水平和见识限制，无法展现Ceph全貌，后面自己也会继续学习总结，争取能够对Ceph有一个基本的认识和了解，最好能够入门一窥Ceph风采，同时也会更新到博客中。最后特别感谢木二的博客以及其他博友博客，给了我很大的参考，同时也是让我对Ceph架构有了深一步的理解，对于参考的博客，我会尽量列出，如有博友发现出处未列明，请发邮件ningrui0407@gmail.com联系，我会加上原文链接，谢谢！！！

        官方文档：http://docs.ceph.org.cn

        参考：

https://www.cnblogs.com/itzgr/p/10265103.html

https://www.jianshu.com/p/25163032f57f

https://www.cnblogs.com/kevingrace/p/8387999.html

https://blog.csdn.net/sunhf_csdn/article/details/79797186

http://www.51niux.com/?id=161