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分布式存储系统——ceph_分布式文件系统 ceph

作者：很楠不爱3 | 2024-04-11 22:27:13

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分布式文件系统 ceph

目录

一、分布式存储类型

1、块存储

2、文件存储

3、对象存储

 二、ceph概述

1、ceph简介

2、ceph的优势

3、ceph架构

1）RADOS 基础存储系统（Reliab1e，Autonomic，Distributed object store

2）LIBRADOS 基础库

3）高层应用接口

4）应用层

4、ceph核心组件

5、OSD存储方式

1）方式一：Filestore

2）方式二：Bluestore

6、Bluestore的主要功能

7、ceph存储过程

三、ceph的部署

资源池 Pool 管理

1、创建一个 Pool 资源池

2、删除Pool资源池

一、分布式存储类型

1、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

2、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

3、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

 二、ceph概述

1、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。

2、ceph的优势

  • 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。

3、ceph架构

可以将Ceph系统分为如下四个层次:

1）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。

2）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。

3）高层应用接口

包括三个部分

  • 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。
  • 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。
  • 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。

4）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

4、ceph核心组件

Ceph中，一切皆对象

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。

1）OSD（Object Storage Daemon，守护进程ceph-osd）

作用：负责存储数据，一般一个磁盘对应一个OSD，负责响应客户端的读写请求

主要功能：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。

2）PG（Placement Group 归置组）

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。

3）Pool

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。

  1. #Pool中数据保存方式支持两种类型：
  2. ●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
  3. ●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）

4）Monitor（守护进程ceph-mon）

作用：保存OSD的元数据，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

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。

5）Manager（守护进程ceph-mgr）

作用：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。

6）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。

5、OSD存储方式

1）方式一：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。

2）方式二：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。

6、Bluestore的主要功能

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。

7、ceph存储过程

1）首先，将文件切片分成大小为4M的一个或多个数据对象，每个数据对象都对应一个oid

2）其次，通过hash算法对oid计算，得到一个数值，在使用这个数值除以PG总数的取得数据对象得pgid

3）最后，在对数据对象使用CRUSH算法，得到PG对应得OSD得ID，如果有多副本，则是主从得OSD得ID

三、ceph的部署

部署环境：

主机名Public网络Cluster网络Role
admin192.168.3.100admin（管理节点负责集群整体部署）、client
node01192.168.3.101192.268.3.100.101mon、mgr、osd（/dev/sdb、/dev/sdc、/dev/sdd）
node02192.168.3.102192.268.3.100.102mon、mgr、osd（/dev/sdb、/dev/sdc、/dev/sdd）
node03192.168.3.103192.268.3.100.103mon、osd（/dev/sdb、/dev/sdc、/dev/sdd）
client192.168.3.104client

1、环境准备（五台机器都做）

  1. #关闭防火墙，selinux
  2. systemctl disable --now firewalld
  3. setenforce 0
  4. sed -i 's/enforcing/disabled/' /etc/selinux/config
  5.  
  6. #修改主机名，创建管理用户
  7. hostnamectl set-hostname admin        #
  8. hostnamectl set-hostname node01
  9. hostnamectl set-hostname node02
  10. hostnamectl set-hostname node03
  11. hostnamectl set-hostname client
  12.  
  13. useradd cephadm
  14. passwd cephadm
  15.  
  16. visudo
  17. cephadm ALL=(root) NOPASSWD:ALL    #给管理用户提权
  18.  
  19. #修改本地的hosts文件，添加域名映射
  20. cat >> /etc/hosts << EOF
  21. 192.168.3.100 admin
  22. 192.168.3.101 node01
  23. 192.168.3.102 node02
  24. 192.168.3.103 node03
  25. 192.168.3.104 client
  26. EOF

2、安装常用软件的依赖包（五台机器都做）

  1. yum -y install epel-release
  2. yum -y install yum-plugin-priorities yum-utils ntpdate python-setuptools python-pip gcc gcc-c++ autoconf libjpeg libjpeg-devel libpng libpng-devel freetype freetype-devel libxml2 libxml2-devel zlib zlib-devel glibc glibc-devel glib2 glib2-devel bzip2 bzip2-devel zip unzip ncurses ncurses-devel curl curl-devel e2fsprogs e2fsprogs-devel krb5-devel libidn libidn-devel openssl openssh openssl-devel nss_ldap openldap openldap-devel openldap-clients openldap-servers libxslt-devel libevent-devel ntp libtool-ltdl bison libtool vim-enhanced python wget lsof iptraf strace lrzsz kernel-devel kernel-headers pam-devel tcl tk cmake ncurses-devel bison setuptool popt-devel net-snmp screen perl-devel pcre-devel net-snmp screen tcpdump rsync sysstat man iptables sudo libconfig git bind-utils tmux elinks numactl iftop bwm-ng net-tools expect snappy leveldb gdisk python-argparse gperftools-libs conntrack ipset jq libseccomp socat chrony sshpass

3、在 admin 管理节点配置 ssh 免密登录所有节点

  1. yum install -y sshpass.x86_64
  2. ssh-keygen -t rsa -P '' -f ~/.ssh/id_rsa
  3. sshpass -p '123123' ssh-copy-id -o StrictHostKeyChecking=no root@admin
  4. sshpass -p '123123' ssh-copy-id -o StrictHostKeyChecking=no root@node01
  5. sshpass -p '123123' ssh-copy-id -o StrictHostKeyChecking=no root@node02
  6. sshpass -p '123123' ssh-copy-id -o StrictHostKeyChecking=no root@node03

4、配置时间同步（除了client之外的节点）

  1. systemctl enable --now chronyd
  2. timedatectl set-ntp true					#开启 NTP
  3. timedatectl set-timezone Asia/Shanghai		#设置时区
  4. chronyc -a makestep							#强制同步下系统时钟
  5. timedatectl status							#查看时间同步状态
  6. chronyc sources -v							#查看 ntp 源服务器信息
  7. timedatectl set-local-rtc 0					#将当前的UTC时间写入硬件时钟
  8.  
  9. #重启依赖于系统时间的服务
  10. systemctl restart rsyslog 
  11. systemctl restart crond
  12.  
  13. #关闭无关服务
  14. systemctl disable --now postfix

5、配置 Ceph yum源（所有节点）

  1. wget https://download.ceph.com/rpm-nautilus/el7/noarch/ceph-release-1-1.el7.noarch.rpm --no-check-certificate
  2. rpm -ivh ceph-release-1-1.el7.noarch.rpm --force

6、执行完上面所有的操作之后重启所有主机（可选）

  1. sync
  2. reboot

7、部署 Ceph 集群（所有服务器）

  1. #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
  2. mkdir -p /etc/ceph
  3.  
  4. #安装 ceph-deploy 部署工具
  5. cd /etc/ceph
  6. yum install -y ceph-deploy
  7.  
  8. ceph-deploy --version    #查看ceph版本

8、在管理节点为其它节点安装 Ceph 软件包

  1. #ceph-deploy 2.0.1 默认部署的是 mimic 版的 Ceph，若想安装其他版本的 Ceph，可以用 --release 手动指定版本
  2. cd /etc/ceph
  3. ceph-deploy install --release nautilus node0{1..3} admin

9、给node所有节点另外添加一张网卡，并配置为192.168.100.0网段的IP（node01,node02,node03节点都要配置）

  1. cd /etc/sysconfig/network-scripts/
  2.  
  3. cp ifcfg-ens33 ifcfg-ens36
  4.  
  5. vim ifcfg-ens36
  6.  
  7. #node01节点ens36网卡的IP：192.168.100.101
  8. #node02节点ens36网卡的IP：192.168.100.102
  9. #node03节点ens36网卡的IP：192.168.100.103

10、生成初始配置（admin节点）

  1. #在管理节点运行下述命令，告诉 ceph-deploy 哪些是 mon 监控节点
  2. cd /etc/ceph
  3. ceph-deploy new --public-network 192.168.3.0/24 --cluster-network 192.168.100.0/24 node01 node02 node03
  4.  
  5. #命令执行成功后会在 /etc/ceph 下生成配置文件
  6. ls /etc/ceph
  7. ceph.conf					#ceph的配置文件
  8. ceph-deploy-ceph.log		#monitor的日志
  9. ceph.mon.keyring			#monitor的密钥环文件

11、在管理节点初始化 mon 节点

  1. cd /etc/ceph
  2. ceph-deploy mon create node01 node02 node03	
  3. #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
  4.  
  5. ceph-deploy --overwrite-conf mon create-initial
  6. #配置初始化 mon 节点，并向所有节点同步配置
  7.  
  8. ceph-deploy gatherkeys node01    #可选操作，向 node01 节点收集所有密钥
  9.  
  10. #命令执行成功后会在 /etc/ceph 下生成配置文件
  11. ls /etc/ceph
  12. ceph.bootstrap-mds.keyring			#引导启动 mds 的密钥文件
  13. ceph.bootstrap-mgr.keyring			#引导启动 mgr 的密钥文件
  14. ceph.bootstrap-osd.keyring			#引导启动 osd 的密钥文件
  15. ceph.bootstrap-rgw.keyring			#引导启动 rgw 的密钥文件
  16. 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
  17. ceph.conf
  18. ceph-deploy-ceph.log
  19. ceph.mon.keyring

12、在管理节点查看 Ceph 集群状态

  1. #在管理节点查看 Ceph 集群状态
  2. cd /etc/ceph
  3. ceph -s
  4.  
  5. #查看 mon 集群选举的情况
  6. ceph quorum_status --format json-pretty | grep leader

13、部署能够管理 Ceph 集群的节点（可选）

  1. ceph-deploy --overwrite-conf config push node01 node02 node03
  2. #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
  3.  
  4. ceph-deploy admin node01 node02 node03
  5. #本质就是把 ceph.client.admin.keyring 集群认证文件拷贝到各个节点

14、在每个mon节点上添加三块硬盘，且不要分区，直接使用

15、部署 osd 存储节点(node01,node02,node03)

  1. #刷新硬盘
  2. echo "- - -" > /sys/class/scsi_host/host0/scan
  3. echo "- - -" > /sys/class/scsi_host/host1/scan
  4. echo "- - -" > /sys/class/scsi_host/host2/scan
  5.  
  6. lsblk    #查看所有硬盘

  1. #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）
  2. #node01
  3. cd /etc/ceph
  4. ceph-deploy disk zap node01 /dev/sdb
  5. ceph-deploy disk zap node01 /dev/sdc
  6. ceph-deploy disk zap node01 /dev/sdd
  7.  
  8. #node02
  9. cd /etc/ceph
  10. ceph-deploy disk zap node02 /dev/sdb
  11. ceph-deploy disk zap node02 /dev/sdc
  12. ceph-deploy disk zap node02 /dev/sdd
  13.  
  14. #node03
  15. cd /etc/ceph
  16. ceph-deploy disk zap node03 /dev/sdb
  17. ceph-deploy disk zap node03 /dev/sdc
  18. ceph-deploy disk zap node03 /dev/sdd

因为，我添加的硬盘属于新盘，所以该步骤不用做

16、添加 osd 节点（admin上操作）

  1. ceph-deploy --overwrite-conf osd create node01 --data /dev/sdb
  2. ceph-deploy --overwrite-conf osd create node01 --data /dev/sdc
  3. ceph-deploy --overwrite-conf osd create node01 --data /dev/sdd
  4. ceph-deploy --overwrite-conf osd create node02 --data /dev/sdb
  5. ceph-deploy --overwrite-conf osd create node02 --data /dev/sdc
  6. ceph-deploy --overwrite-conf osd create node02 --data /dev/sdd
  7. ceph-deploy --overwrite-conf osd create node03 --data /dev/sdb
  8. ceph-deploy --overwrite-conf osd create node03 --data /dev/sdc
  9. ceph-deploy --overwrite-conf osd create node03 --data /dev/sdd
  10.  
  11. #通过查看 ceph 集群状态，验证上方OSD节点添加是否成功
  12. ceph -s
  13.  
  14. ceph osd stat
  15. ceph osd tree
  16. rados df
  17. ssh root@node01 systemctl status ceph-osd@0
  18. ssh root@node02 systemctl status ceph-osd@1
  19. ssh root@node03 systemctl status ceph-osd@2

17、部署 mgr 节点（admin上操作）

  1. cd /etc/ceph
  2. ceph-deploy mgr create node01 node02
  3.  
  4. ceph -s
  5.  
  6. #扩容 mgr 节点
  7. ceph-deploy mgr create <节点名称>
  8. ceph-deploy mgr create node03

18、开启监控模块（在node01，node02，node03上开启）

  1. #在 ceph-mgr Active节点执行命令开启
  2. ceph -s | grep mgr
  3.  
  4. yum install -y ceph-mgr-dashboard
  5.  
  6. cd /etc/ceph
  7.  
  8. ceph mgr module ls | grep dashboard
  9.  

  1. #开启 dashboard 模块
  2. ceph mgr module enable dashboard --force
  3.  
  4. #禁用 dashboard 的 ssl 功能
  5. ceph config set mgr mgr/dashboard/ssl false
  6.  
  7. #配置 dashboard 监听的地址和端口
  8. ceph config set mgr mgr/dashboard/server_addr 0.0.0.0
  9. ceph config set mgr mgr/dashboard/server_port 8000
  10.  
  11. #重启 dashboard
  12. ceph mgr module disable dashboard
  13. ceph mgr module enable dashboard --force
  14.  
  15. #确认访问 dashboard 的 url
  16. ceph mgr services
  17.  
  18. #设置 dashboard 账户以及密码
  19. echo "12345678" > dashboard_passwd.txt
  20. ceph dashboard set-login-credentials admin -i dashboard_passwd.txt
  21.   或
  22. ceph dashboard ac-user-create admin administrator -i dashboard_passwd.txt

19、浏览器访问

  1. http://192.168.3.101:8080
  2. 账号密码为 admin/12345678

资源池 Pool 管理

上面我们已经完成了 Ceph 集群的部署，但是我们如何向 Ceph 中存储数据呢？首先我们需要在 Ceph 中定义一个 Pool 资源池。Pool 是 Ceph 中存储 Object 对象抽象概念。我们可以将其理解为 Ceph 存储上划分的逻辑分区，Pool 由多个 PG 组成；而 PG 通过 CRUSH 算法映射到不同的 OSD 上；同时 Pool 可以设置副本 size 大小，默认副本数量为 3。

Ceph 客户端向 monitor 请求集群的状态，并向 Pool 中写入数据，数据根据 PGs 的数量，通过 CRUSH 算法将其映射到不同的 OSD 节点上，实现数据的存储。 这里我们可以把 Pool 理解为存储 Object 数据的逻辑单元；当然，当前集群没有资源池，因此需要进行定义。

1、创建一个 Pool 资源池

其名字为 mypool，PGs 数量设置为 64，设置 PGs 的同时还需要设置 PGP（通常PGs和PGP的值是相同的）

  1. cd /etc/ceph
  2. ceph osd pool create mypool 64 64
  3.  
  4. #查看集群 Pool 信息
  5. ceph osd pool ls    或    rados lspools
  6. ceph osd lspools
  7.  
  8. #查看资源池副本的数量
  9. ceph osd pool get mypool size
  10.  
  11. #查看 PG 和 PGP 数量
  12. ceph osd pool get mypool pg_num
  13. ceph osd pool get mypool pgp_num
  14.  
  15. #修改 pg_num 和 pgp_num 的数量为 128
  16. ceph osd pool set mypool pg_num 128
  17. ceph osd pool set mypool pgp_num 128
  18.  
  19. ceph osd pool get mypool pg_num
  20. ceph osd pool get mypool pgp_num
  21.  
  22. #修改 Pool 副本数量为 2
  23. ceph osd pool set mypool size 2
  24.  
  25. ceph osd pool get mypool size
  26.  
  27. #修改默认副本数为 2
  28. vim ceph.conf
  29. ......
  30. osd_pool_default_size = 2
  31.  
  32. ceph-deploy --overwrite-conf config push node01 node02 node03

2、删除Pool资源池

  1. #删除存储池命令存在数据丢失的风险，Ceph 默认禁止此类操作，需要管理员先在 ceph.conf 配置文件中开启支持删除存储池的操作
  2. vim ceph.conf
  3. ......
  4. [mon]
  5. mon_allow_pool_delete = true
  6.  
  7. #推送 ceph.conf 配置文件给所有 mon 节点
  8. ceph-deploy --overwrite-conf config push node01 node02 node03
  9.  
  10. #所有 mon 节点重启 ceph-mon 服务
  11. systemctl restart ceph-mon.target
  12.  
  13. #执行删除 Pool 命令
  14. ceph osd pool rm pool01 pool01 --yes-i-really-really-mean-it

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