共享存储

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存储基础#

#单机存储设备
●DAS（直接附加存储，是直接接到计算机的主板总线上去的存储）
IDE、SATA、SCSI、SAS、USB 接口的磁盘
所谓接口就是一种存储设备驱动下的磁盘设备，提供块级别的存储

●NAS（网络附加存储，是通过网络附加到当前主机文件系统之上的存储）
NFS、CIFS、FTP
文件系统级别的存储，本身就是一个做好的文件系统，通过nfs接口在用户空间输出后，客户端基于内核模块与远程主机进行网络通信，把它转为好像本地文件系统一样来使用，这种存储服务是没办法对它再一次格式化创建文件系统块的

●SAN（存储区域网络）
SCSI协议（只是用来传输数据的存取操作，物理层使用SCSI线缆来传输）、FCSAN（物理层使用光纤来传输）、iSCSI（物理层使用以太网来传输）
也是一种网络存储，但不同之处在于SAN提供给客户端主机使用的接口是块级别的存储

#单机存储的问题
●存储处理能力不足
传统的IDE的IO值是100次/秒，SATA固态磁盘500次/秒，固态硬盘达到2000-4000次/秒。即使磁盘的IO能力再大数十倍，也不够抗住网站访问高峰期数十万、数百万甚至上亿用户的同时访问，这同时还要受到主机网络IO能力的限制。

●存储空间能力不足
单块磁盘的容量再大，也无法满足用户的正常访问所需的数据容量限制。

●单点故障问题
单机存储数据存在单点故障问题


#商业存储解决方案
EMC、NetAPP、IBM、DELL、华为、浪潮


#分布式存储（软件定义的存储 SDS）
Ceph、TFS、FastDFS、MooseFS（MFS）、HDFS、GlusterFS（GFS）
存储机制会把数据分散存储到多个节点上，具有高扩展性、高性能、高可用性等优点。

#分布式存储的类型
●块存储（例如硬盘，一般是一个存储被一个服务器挂载使用，适用于容器或虚拟机存储卷分配、日志存储、文件存储）
就是一个裸设备，用于提供没有被组织过的存储空间，底层以分块的方式来存储数据

●文件存储（例如NFS，解决块存储无法共享问题，可以一个存储被多个服务器同时挂载，适用于目录结构的存储、日志存储）
是一种数据的组织存放接口，一般是建立在块级别的存储结构之上，以文件形式来存储数据，而文件的元数据和实际数据是分开存储的

●对象存储（例如OSS，一个存储可以被多服务同时访问，具备块存储的高速读写能力，也具备文件存储共享的特性，适用图片存储、视频存储）
基于API接口提供的文件存储，每一个文件都是一个对象，且文件大小各不相同的，文件的元数据和实际数据是存放在一起的

 

 

 

Ceph #

Ceph 简介#

Ceph使用C++语言开发，是一个开放、自我修复和自我管理的开源分布式存储系统。具有高扩展性、高性能、高可靠性的优点。

Ceph目前已得到众多云计算厂商的支持并被广泛应用。RedHat及OpenStack，Kubernetes都可与Ceph整合以支持虚拟机镜像的后端存储。
粗略估计，我国70%—80%的云平台都将Ceph作为底层的存储平台，由此可见Ceph俨然成为了开源云平台的标配。目前国内使用Ceph搭建分布式存储系统较为成功的企业有华为、阿里、中兴、华三、浪潮、中国移动、网易、乐视、360、星辰天合存储、杉岩数据等。 

 

Ceph 优势#

●高扩展性：去中心化，支持使用普通X86服务器，支持上千个存储节点的规模，支持TB到EB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：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。
●功能强大：Ceph是个大一统的存储系统，集块存储接口（RBD）、文件存储接口（CephFS）、对象存储接口（RadosGW）于一身，因而适用于不同的应用场景。

 

Ceph 架构#

●RADOS 基础存储系统（Reliab1e，Autonomic，Distributed object store，即可靠的、自动化的、分布式的对象存储）
RADOS是Ceph最底层的功能模块，是一个无限可扩容的对象存储服务，能将文件拆解成无数个对象（碎片）存放在硬盘中，大大提高了数据的稳定性。它主要由OSD和Monitor两个组件组成，OSD和Monitor都可以部署在多台服务器中，这就是ceph分布式的由来，高扩展性的由来。

●LIBRADOS 基础库
Librados提供了与RADOS进行交互的方式，并向上层应用提供Ceph服务的API接口，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、Go、C和C++支持，以便直接基于RADOS（而不是整个Ceph）进行客户端应用开发。

●高层应用接口：包括了三个部分
1）对象存储接口 RGW（RADOS Gateway）
网关接口，基于Librados开发的对象存储系统，提供S3和Swift兼容的RESTful API接口。

2）块存储接口 RBD（Reliable Block Device）
基于Librados提供块设备接口，主要用于Host/VM。

3）文件存储接口 CephFS（Ceph File System）
Ceph文件系统，提供了一个符合POSIX标准的文件系统，它使用Ceph存储集群在文件系统上存储用户数据。基于Librados提供的分布式文件系统接口。

●应用层：基于高层接口或者基础库Librados开发出来的各种APP，或者Host、VM等诸多客户端

Ceph 核心组件#

Ceph是一个对象式存储系统，它把每一个待管理的数据流（如文件等数据）切分为一到多个固定大小（默认4兆）的对象数据（Object），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。

●OSD（Object Storage Daemon，守护进程 ceph-osd）
是负责物理存储的进程，一般配置成和磁盘一一对应，一块磁盘启动一个OSD进程。主要功能是存储数据、复制数据、平衡数据、恢复数据，以及与其它OSD间进行心跳检查，负责响应客户端请求返回具体数据的进程等。通常至少需要3个OSD来实现冗余和高可用性。

●PG（Placement Group 归置组） #相当于数据的索引
PG 是一个虚拟的概念而已，物理上不真实存在。它在数据寻址时类似于数据库中的索引：Ceph 先将每个对象数据通过HASH算法固定映射到一个 PG 中，然后将 PG 通过 CRUSH 算法映射到 OSD。

●Pool  #存储池
Pool 是存储对象的逻辑分区，它起到 namespace 的作用。每个 Pool 包含一定数量（可配置）的 PG。Pool 可以做故障隔离域，根据不同的用户场景统一进行隔离。

#Pool中数据保存方式支持两种类型：
●多副本（replicated）：类似 raid1，一个对象数据默认保存 3 个副本，放在不同的 OSD
●纠删码（Erasure Code）：类似 raid5，对 CPU 消耗稍大，但是节约磁盘空间，对象数据保存只有 1 个副本。由于Ceph部分功能不支持纠删码池，此类型存储池使用不多

#Pool、PG 和 OSD 的关系：
一个Pool里有很多个PG；一个PG里包含一堆对象，一个对象只能属于一个PG；PG有主从之分，一个PG分布在不同的OSD上（针对多副本类型）

●Monitor（守护进程 ceph-mon）
用来保存OSD的元数据。负责维护集群状态的映射视图（Cluster Map：OSD Map、Monitor Map、PG Map 和 CRUSH Map），维护展示集群状态的各种图表， 管理集群客户端认证与授权。一个Ceph集群通常至少需要 3 或 5 个（奇数个）Monitor 节点才能实现冗余和高可用性，它们通过 Paxos 协议实现节点间的同步数据。

●Manager（守护进程 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。为外部监视和管理系统提供额外的监视和接口，例如 zabbix、prometheus、 cephmetrics 等。一个 Ceph 集群通常至少需要 2 个 mgr 节点实现高可用性，基于 raft 协议实现节点间的信息同步。

●MDS（Metadata Server，守护进程 ceph-mds）
是 CephFS 服务依赖的元数据服务。负责保存文件系统的元数据，管理目录结构。对象存储和块设备存储不需要元数据服务；如果不使用 CephFS 可以不安装。

 

OSD 存储后端#

OSD 有两种方式管理它们存储的数据。在 Luminous 12.2.z 及以后的发行版中，默认（也是推荐的）后端是 BlueStore。在 Luminous 发布之前， 默认是 FileStore， 也是唯一的选项。
●Filestore
FileStore是在Ceph中存储对象的一个遗留方法。它依赖于一个标准文件系统（只能是XFS)，并结合一个键/值数据库（传统上是LevelDB，现在BlueStore是RocksDB），用于保存和管理元数据。
FileStore经过了良好的测试，在生产中得到了广泛的应用。然而，由于它的总体设计和对传统文件系统的依赖，使得它在性能上存在许多不足。

●Bluestore
BlueStore是一个特殊用途的存储后端，专门为OSD工作负载管理磁盘上的数据而设计。BlueStore 的设计是基于十年来支持和管理 Filestore 的经验。BlueStore 相较于 Filestore，具有更好的读写性能和安全性。

#BlueStore 的主要功能包括：
1）BlueStore直接管理存储设备，即直接使用原始块设备或分区管理磁盘上的数据。这样就避免了抽象层的介入（例如本地文件系统，如XFS)，因为抽象层会限制性能或增加复杂性。
2）BlueStore使用RocksDB进行元数据管理。RocksDB的键/值数据库是嵌入式的，以便管理内部元数据，包括将对象名称映射到磁盘上的块位置。
3）写入BlueStore的所有数据和元数据都受一个或多个校验和的保护。未经验证，不会从磁盘读取或返回给用户任何数据或元数据。
4）支持内联压缩。数据在写入磁盘之前可以选择性地进行压缩。
5）支持多设备元数据分层。BlueStore允许将其内部日志（WAL预写日志）写入单独的高速设备（如SSD、NVMe或NVDIMM)，以提高性能。如果有大量更快的可用存储，则可以将内部元数据存储在更快的设备上。
6）支持高效的写时复制。RBD和CephFS快照依赖于在BlueStore中有效实现的即写即复制克隆机制。这将为常规快照和擦除编码池（依赖克隆实现高效的两阶段提交）带来高效的I/O。

 

Ceph 数据的存储过程#

 

1）客户端从 mon 获取最新的 Cluster Map

2）在 Ceph 中，一切皆对象。Ceph 存储的数据都会被切分成为一到多个固定大小的对象（Object）。Object 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 组成：
●ino ：即是文件的 FileID，用于在全局唯一标识每一个文件
●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。

3）通过对 OID 使用 HASH 算法得到一个16进制的特征码，用特征码与 Pool 中的 PG 总数取余，得到的序号则是 PGID 。
即 Pool_ID + HASH(OID) % PG_NUM 得到 PGID

4）PG 会根据设置的副本数量进行复制，通过对 PGID 使用 CRUSH 算法算出 PG 中目标主和次 OSD 的 ID，存储到不同的 OSD 节点上（其实是把 PG 中的所有对象存储到 OSD 上）。
即通过 CRUSH(PGID) 得到将 PG 中的数据存储到各个 OSD 组中
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。

 

Ceph 版本发行生命周期#

Ceph从Nautilus版本（14.2.0）开始，每年都会有一个新的稳定版发行，预计是每年的3月份发布，每年的新版本都会起一个新的名称（例如，“Mimic”）和一个主版本号（例如，13代表Mimic，因为“M”是字母表的第13个字母）。

版本号的格式为 x.y.z，x 表示发布周期（例如，13 代表 Mimic，17 代表 Quincy），y 表示发布版本类型，即
● x.0.z ：y等于 0，表示开发版本
● x.1.z ：y等于 1，表示发布候选版本（用于测试集群）
● x.2.z ：y等于 2，表示稳定/错误修复版本（针对用户）

 

Ceph 集群部署#

目前 Ceph 官方提供很多种部署 Ceph 集群的方法，常用的分别是 ceph-deploy，cephadm 和 二进制：
●ceph-deploy ：一个集群自动化部署工具，使用较久，成熟稳定，被很多自动化工具所集成，可用于生产部署。

●cephadm ：从 Octopus 和较新的版本版本后使用 cephadm 来部署 ceph 集群，使用容器和 systemd 安装和管理 Ceph 集群。目前不建议用于生产环境。

●二进制：手动部署，一步步部署 Ceph 集群，支持较多定制化和了解部署细节，安装难度较大。

 

基于 ceph-deploy 部署 Ceph 集群#

条件#

/Ceph 生产环境推荐：
1、存储集群全采用万兆网络
2、集群网络（cluster-network，用于集群内部通讯）与公共网络（public-network，用于外部访问Ceph集群）分离
3、mon、mds 与 osd 分离部署在不同主机上（测试环境中可以让一台主机节点运行多个组件）
4、OSD 使用 SATA 亦可
5、根据容量规划集群
6、至强E5 2620 V3或以上 CPU，64GB或更高内存
7、集群主机分散部署，避免机柜的电源或者网络故障

 

五个服务器#

admin   192.168.19.22   admin（管理节点负责集群整体部署）、client

node01 192.168.19.27  mon、mgr、osd（/dev/sdb、/dev/sdc、/dev/sdd）[192.168.100.27]

node02 192.168.19.28   mon、mgr、osd（/dev/sdb、/dev/sdc、/dev/sdd） [192.168.100.28]

node03 192.168.19.29   mon、mgr、osd（/dev/sdb、/dev/sdc、/dev/sdd） [192.168.100.29]

client     192.168.19.23

 

 

 

 

 #五个服务器分别改主机名

 #配置hosts解析

 #安装五台服务器epel源

 #安装常用软件和依赖包

 #再admin服务器管理节点配置免密登录生成密钥

 

 

 

 

#配置时间同步

 #关闭无关服务

 

 

 #五台服务器重启

部署 Ceph 集群#

 #为所有节点都创建一个Ceph工作目录，后续的工作都在该目录下进行

 #安装ceph-deploy部署工具

 #清理

 #安装epl源

 

 #生成配置文件

 

 #创建 mon 节点，由于 monitor 使用 Paxos 算法，其高可用集群节点数量要求为大于等于 3 的奇数台

 #配置初始化 mon 节点，并向所有节点同步配置，--overwrite-conf 参数用于表示强制覆盖配置文件

 #向 node01 节点收集所有密钥

ceph.bootstrap-mds.keyring            #引导启动 mds 的密钥文件
ceph.bootstrap-mgr.keyring            #引导启动 mgr 的密钥文件
ceph.bootstrap-osd.keyring            #引导启动 osd 的密钥文件
ceph.bootstrap-rgw.keyring            #引导启动 rgw 的密钥文件
ceph.client.admin.keyring            #ceph客户端和管理端通信的认证密钥，拥有ceph集群的所有权限

 #查看自动开启的 mon 进程

 #在管理节点查看 Ceph 集群状态

 #查看 mon 集群选举的情况

 #扩容 mon 节点

 

 #向所有 mon 节点同步配置，确保所有 mon 节点上的 ceph.conf 内容必须一致

 #本质就是把 ceph.client.admin.keyring 集群认证文件拷贝到各个节点

 

 

 #主机添加完硬盘后不要分区，直接使用

 

 #如果是利旧的硬盘，则需要先擦净（删除分区表）磁盘（可选，无数据的新硬盘可不做）

 

 #添加OSD节点

 #查看ceph集群的信息

 #查看osd状态

 #查看osd目录树

 #查看osd对应盘的利用率

 

 

 

 

 #部署mgr节点

#解决 HEALTH_WARN 问题：mons are allowing insecure global_id reclaim问题：
禁用不安全模式：ceph config set mon auth_allow_insecure_global_id_reclaim false

 

  #查看 osd 状态，需部署 mgr 后才能执行

 

 #查看 osd 容量，需部署 mgr 后才能执行

 

 

 #扩容OSD节点，添加 OSD 中会涉及到 PG 的迁移，由于此时集群并没有数据，因此 health 的状态很快就变成 OK，如果在生产环境中添加节点则会涉及到大量的数据的迁移

 

 #扩容mgr 节点

 #在 ceph-mgr Active节点执行命令开启

 

 

 #开启dashboard的模块

 

 #禁用 dashboard 的 ssl 功能

 

#配置 dashboard 监听的地址和端口

 

 #重启 dashboard

 

 #确认访问 dashboard 的 url

 #设置 dashboard 账户以及密码或者下面的命令

ceph dashboard ac-user-create admin administrator -i dashboard_passwd.txt

 #访问部署dashboard的服务器的IP地址，192.168.19.27:8000

 

 #账号密码为 admin/12345678

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

总结#

# 数据存储类型：
块存储：存储设备和客户端主机是一对一的关系，块存储设备只能被一个主机挂载使用，数据以块为单位进行存储的，典型代表：硬盘
文件存储：一对多，能被多个主机同时挂载或传输使用，数据以文件的形式存储，其中文件的元信息数据和实际数据是分开存储的，并且有目录层级关系，典型代表：(NFS、CIFS、FTP)+文件服务器
对象存储：一对多，能被多个主机或者应用程序同时通过API接口访问使用，数据以文件的形式存储，一个文件即是一个对象(object)文件的元信息数据和实际数据是在一起的。典型代表：OSS(阿里云)、S3(亚马逊云)、OBS(华为云)

#Ceph
是用C++开发的，一款开源的 分布式存储系统
存储机制：把数据分散存储到多哥节点上
特点：具有高性能，高扩展，高可靠性，还集块存储，对象存储，文件存储功能于一身

#Ceph架构(自上往下)

客户端(主机/虚拟机/容器/应用程序APP)：使用在Ceph中进行数据读写的终端。

LibRADOS(对象访问接口):提供访问存储接口给客户端使用。Ceph默认提供三个接口:RBD块存储接口，RGW对象存储接口，CephFS文件存储接口。还支持用户使用Java、python、C、C++等编程语言二次开发自定义访问接口

REDOS基础存储系统(统一存储池)：提供存储能力。Ceph中一切都是以对象(object)形式存储的。RADOS就是负责存储这些对象的，并保证数据的一致性和可靠性

#Ceph组件
OSD(ceph-osd)：负责存储数据和管理数据，一般一个磁盘对应一个OSD，还负责响应客户端的读写请求
Monitor(ceph-mon)：负责保存OSD的元数据，维护Ceph集群状态的各种映射视图Map(监控全局状态)，还负责管理客户端的认证和授权
Manager (ceph-mgr): 负责跟踪ceph集群性能状态和监控指标，暴露接口给外部监控系统获取监控指标数据
MDs(ceph-mds):负责保存cephFs文件存储系统的元数据，管理目录结构，仅在使用cepbFs文件存储接口功能的时候使用

PG(归置组)：可理解成保存OSD位置的索引，一个PG可以包含多个数据对象(boject)，一个数据对象只能属于一个PG
PG于osd的对应关系是在创建存储池POOL的时候就确定好的

pool(存储池/资源池/数据池)：可理解成存放PG的命令空间namespace，一个pool可有包含多个二PG，同一个pool里的PG不可以同名，不同的pool里的PG可以同名
#raft  paxos 都是一致性选举算法  实现在分布式系统中数据的同步和leader的选举

#OSD的存储引擎
FileStore：是L版本(12.x)以前版本的唯一可选的OSD存储引擎，将数据对象存储为文件系统的文件，性能上有所不足
BlueStore：是L版本(12.x)开始的默认的OSD存储引擎，将数据对象直接存储在块设备上，具有更好的数据读写性能可靠性


#Ceph存储过程
1）文件默认会按照4M大小进行分片成一个或多个而数据对象(object)
2）每个数据对象都有一个oid(由文件Ino)和分片编号(ono)组成，通过对oid使用hash算法得到一个16进制的特征码，再除以pool中的PG总数取余，获取到数据对象的PGID(整体是由poolid+pgid)
3）通过对pgid使用crush算法得到pg对应的OSD的id(如果是多副本，则是主从的OSD的id) #注 PG与OSD的对应关系是在创建存储池pool时就确定好的
4）将数据对象存储到对应的OSD里