Ceph架构剖析
转自：https://www.ustack.com/blog/ceph_infra/
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1. 介绍
云硬盘是IaaS云平台的重要组成部分，云硬盘给虚拟机提供了持久的块存储设备。目前的AWS 的EBS(Elastic Block store)给Amazon的EC2实例提供了高可用高可靠的块级存储卷，EBS适合于一些需要访问块设备的应用，比如数据库、文件系统等。 在OpenStack中，可以使用Ceph、Sheepdog、GlusterFS作为云硬盘的开源解决方案，下面我们来了解Ceph的架构。
Ceph是统一存储系统，支持三种接口。
- Object：有原生的API，而且也兼容Swift和S3的API
- Block：支持精简配置、快照、克隆
- File：Posix接口，支持快照
Ceph也是分布式存储系统，它的特点是：
- 高扩展性：使用普通x86服务器，支持10~1000台服务器，支持TB到PB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：数据分布均衡，并行化度高。对于objects storage和block storage,不需要元数据服务器。
2. 背景
目前Inktank公司掌控Ceph的开发，但Ceph是开源的，遵循LGPL协议。Inktank还积极整合Ceph和其他云计算和大数据平台，目前Ceph支持OpenStack、CloudStack、OpenNebula、Hadoop等。
当前Ceph的最新稳定版本0.67(Dumpling),它的objects storage和block storage已经足够稳定，而且Ceph社区还在继续开发新功能，包括跨机房部署和容灾、支持Erasure encoding等。Ceph具有完善的社区设施和发布流程[1](每三个月发布一个稳定版本) 。
目前Ceph有很多用户案列，这是2013.03月Inktank公司在邮件列表中做的调查，共收到了81份有效反馈[2]。从调查中可以看到有26%的用户在生产环境中使用Ceph，有37%的用户在私有云中使用Ceph，还有有16%的用户在公有云中使用Ceph。
目前Ceph最大的用户案例是Dreamhost的Object Service，目前总容量是3PB，可靠性达到99.99999%，数据存放采用三副本，它的价格比S3还便宜。下图中，左边是Inktank的合作伙伴，右边是Inktank的用户。
3. 架构
3.1 组件
Ceph的底层是RADOS，它的意思是“A reliable, autonomous, distributed object storage”。 RADOS由两个组件组成：
- OSD： Object Storage Device，提供存储资源。
- Monitor：维护整个Ceph集群的全局状态。
RADOS具有很强的扩展性和可编程性，Ceph基于RADOS开发了
Object Storage、Block Storage、FileSystem。Ceph另外两个组件是：
- MDS：用于保存CephFS的元数据。
- RADOS Gateway：对外提供REST接口，兼容S3和Swift的API。
3.2 映射
Ceph的命名空间是 (Pool, Object)，每个Object都会映射到一组OSD中(由这组OSD保存这个Object)：
(Pool, Object) → (Pool, PG) → OSD set → Disk
Ceph中Pools的属性有：
- Object的副本数
- Placement Groups的数量
- 所使用的CRUSH Ruleset
在Ceph中，Object先映射到PG(Placement Group)，再由PG映射到OSD set。每个Pool有多个PG，每个Object通过计算hash值并取模得到它所对应的PG。PG再映射到一组OSD（OSD的个数由Pool 的副本数决定），第一个OSD是Primary，剩下的都是Replicas。
数据映射(Data Placement)的方式决定了存储系统的性能和扩展性。(Pool, PG) → OSD set 的映射由四个因素决定：
- CRUSH算法：一种伪随机算法。
- OSD MAP：包含当前所有Pool的状态和所有OSD的状态。
- CRUSH MAP：包含当前磁盘、服务器、机架的层级结构。
- CRUSH Rules：数据映射的策略。这些策略可以灵活的设置object存放的区域。比如可以指定 pool1中所有objecst放置在机架1上，所有objects的第1个副本放置在机架1上的服务器A上，第2个副本分布在机架1上的服务器B上。 pool2中所有的object分布在机架2、3、4上，所有Object的第1个副本分布在机架2的服务器上，第2个副本分布在机架3的服 器上，第3个副本分布在机架4的服务器上。
Client从Monitors中得到CRUSH MAP、OSD MAP、CRUSH Ruleset，然后使用CRUSH算法计算出Object所在的OSD set。所以Ceph不需要Name服务器，Client直接和OSD进行通信。伪代码如下所示：
locator = object_name obj_hash = hash(locator) pg = obj_hash % num_pg osds_for_pg = crush(pg) # returns a list of osds primary = osds_for_pg[0] replicas = osds_for_pg[1:]
这种数据映射的优点是：
- 把Object分成组，这降低了需要追踪和处理metadata的数量(在全局的层面上，我们不需要追踪和处理每个object的metadata和placement，只需要管理PG的metadata就可以了。PG的数量级远远低于object的数量级)。
- 增加PG的数量可以均衡每个OSD的负载，提高并行度。
- 分隔故障域，提高数据的可靠性。
3.3 强一致性
- Ceph的读写操作采用Primary-Replica模型，Client只向Object所对应OSD set的Primary发起读写请求，这保证了数据的强一致性。
- 由于每个Object都只有一个Primary OSD，因此对Object的更新都是顺序的，不存在同步问题。
- 当Primary收到Object的写请求时，它负责把数据发送给其他Replicas，只要这个数据被保存在所有的OSD上时，Primary才应答Object的写请求，这保证了副本的一致性。
3.4 容错性
在分布式系统中，常见的故障有网络中断、掉电、服务器宕机、硬盘故障等，Ceph能够容忍这些故障，并进行自动修复，保证数据的可靠性和系统可用性。
- Monitors是Ceph管家，维护着Ceph的全局状态。Monitors的功能和zookeeper类似，它们使用Quorum和Paxos算法去建立全局状态的共识。
- OSDs可以进行自动修复，而且是并行修复。
故障检测：
OSD之间有心跳检测，当OSD A检测到OSD B没有回应时，会报告给Monitors说OSD B无法连接，则Monitors给OSD B标记为down状态，并更新OSD Map。当过了M秒之后还是无法连接到OSD B，则Monitors给OSD B标记为out状态(表明OSD B不能工作），并更新OSD Map。
备注：可以在Ceph中配置M的值。
故障恢复：
- 当某个PG对应的OSD set中有一个OSD被标记为down时(假如是Primary被标记为down，则某个Replica会成为新的Primary，并处理所有读写 object请求)，则该PG处于active+degraded状态，也就是当前PG有效的副本数是N-1。
- 过了M秒之后，假如还是无法连接该OSD，则它被标记为out，Ceph会重新计算PG到OSD set的映射(当有新的OSD加入到集群时，也会重新计算所有PG到OSD set的映射)，以此保证PG的有效副本数是N。
- 新OSD set的Primary先从旧的OSD set中收集PG log，得到一份Authoritative History(完整的、全序的操作序列)，并让其他Replicas同意这份Authoritative History(也就是其他Replicas对PG的所有objects的状态达成一致)，这个过程叫做Peering。
- 当Peering过程完成之后，PG进 入active+recoverying状态，Primary会迁移和同步那些降级的objects到所有的replicas上，保证这些objects 的副本数为N。
4. 优点
4.1 高性能
- Client和Server直接通信，不需要代理和转发
- 多个OSD带来的高并发度。objects是分布在所有OSD上。
- 负载均衡。每个OSD都有权重值(现在以容量为权重)。
- client不需要负责副本的复制(由primary负责),这降低了client的网络消耗。
4.2 高可靠性
- 数据多副本。可配置的per-pool副本策略和故障域布局，支持强一致性。
- 没有单点故障。可以忍受许多种故障场景；防止脑裂；单个组件可以滚动升级并在线替换。
- 所有故障的检测和自动恢复。恢复不需要人工介入，在恢复期间，可以保持正常的数据访问。
- 并行恢复。并行的恢复机制极大的降低了数据恢复时间，提高数据的可靠性。
4.2 高扩展性
- 高度并行。没有单个中心控制组件。所有负载都能动态的划分到各个服务器上。把更多的功能放到OSD上，让OSD更智能。
- 自管理。容易扩展、升级、替换。当组件发生故障时，自动进行数据的重新复制。当组件发生变化时(添加/删除)，自动进行数据的重分布。
5. 测试
使用fio测试RBD的IOPS，使用dd测试RBD的吞吐率，下面是测试的参数：
- fio的参数：bs=4K, ioengine=libaio, iodepth=32, numjobs=16, direct=1
- dd的参数：bs=512M,oflag=direct
我们的测试服务器是AWS上最强的实例：
- 117GB内存
- 双路 E5-2650,共16核
- 24 * 2TB 硬盘
服务器上的操作系统是Ubuntu 13.04，安装Ceph Cuttlefish 0.61版，副本数设置为2，RBD中的块大小设置为1M。为了对比，同时还对软件RAID10进行了测试。下面表格中的性能比是Ceph与RAID10性能之间的比较。
5.1 注意
因为使用的是AWS上的虚拟机，所以它(Xen)挂载的磁盘都是设置了Cache的。因此下面测试的数据并不能真实反应物理磁盘的真实性能，仅供与RAID10进行对比。
5.2 IOPS
| 磁盘数 | 随机写 | 随机读 | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Ceph | RAID10 | 性能比 | Ceph | RAID10 | 性能比 | |
| 24 | 1075 | 3772 | 28% | 6045 | 4679 | 129% |
| 12 | 665 | 1633 | 40% | 2939 | 4340 | 67% |
| 6 | 413 | 832 | 49% | 909 | 1445 | 62% |
| 4 | 328 | 559 | 58% | 666 | 815 | 81% |
| 2 | 120 | 273 | 43% | 319 | 503 | 63% |
5.3 吞吐率
| 磁盘数 | 顺序写(MB/S) | 顺序读(MB/S) | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Ceph | RAID10 | 性能比 | Ceph | RAID10 | 性能比 | |
| 24 | 299 | 879 | 33% | 617 | 1843 | 33% |
| 12 | 212 | 703 | 30% | 445 | 1126 | 39% |
| 6 | 81 | 308 | 26% | 233 | 709 | 32% |
| 4 | 67 | 284 | 23% | 170 | 469 | 36% |
| 2 | 34 | 153 | 22% | 90 | 240 | 37% |
5.4 结果分析
从测试结果中，我们看到在单机情况下，RBD的性能不如RAID10，这是为什么？我们可以通过三种方法找到原因：
- 阅读Ceph源码，查看I/O路径
- 使用blktrace查看I/O操作的执行
- 使用iostat观察硬盘的读写情况
RBD的I/O路径很长，要经过网络、文件系统、磁盘：
Librbd -> networking -> OSD -> FileSystem -> Disk
Client的每个写操作在OSD中要经过8种线程，写操作下发到OSD之后，会产生2~3个磁盘seek操作：
- 把写操作记录到OSD的Journal文件上(Journal是为了保证写操作的原子性)。
- 把写操作更新到Object对应的文件上。
- 把写操作记录到PG Log文件上。
我使用fio向RBD不断写入数据，然后使用iostat观察磁盘的读写情况。在1分钟之内，fio向RBD写入了3667 MB的数据，24块硬盘则被写入了16084 MB的数据，被读取了288 MB的数据。
向RBD写入1MB数据 = 向硬盘写入4.39MB数据 + 读取0.08MB数据
6. 结论
在单机情况下，RBD的性能不如传统的RAID10，这是因为RBD的I/O路径很复杂，导致效率很低。但是Ceph的优势在于它的扩展性，它的性能会随着磁盘数量线性增长，因此在多机的情况下，RBD的IOPS和吞吐率会高于单机的RAID10(不过性能会受限于网络的带宽)。
如前所述，Ceph优势显著，使用它能够降低硬件成本和运维成本，但它的复杂性会带来一定的学习成本。
Ceph的特点使得它非常适合于云计算，那么OpenStack使用Ceph的效果如何？下期《Ceph与OpenStack》将会介绍Ceph的自动化部署、Ceph与OpenStack的对接。
[1] http://www.ustack.com/blog/ceph-distributed-block-storage/#2_Ceph
