由一次slow-request浅谈Ceph scrub原理

Original 基础云平台团队京东科技技术说 2022-03-15

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Ceph

作者：耿纪超&陈剑飞

本文由京东数科基础云团队原创，转载请获得授权

01背景介绍

Ceph是一款开源分布式存储系统，其具有丰富的功能和高可靠、高扩展性，并且提供统一存储服务，既支持块存储RBD，也支持对象存储RadosGW和文件系统CephFS，被广泛应用在私有云等企业存储场景。

在京东数科内部，Ceph也被广泛应用，用来支撑公司基础存储需求，并且支撑部分关键业务，随着数据量和集群规模逐渐扩大，在日常维护中，我们经常遇到各种异常情况，其中频次较多的就是慢请求slow-request，慢请求会导致性能抖动，直接影响集群的稳定性，需要谨慎对待。前段时间我们再一次遇到slow-request，问题比较典型，主要和scrub有关，现将该问题的定位过程以及scrub相关的原理优化整理如下，本文内容都是基于Luminous版本。

02Slow-request问题说明

1.问题分析

某晚19:13左右接到手机slow-request告警：个别请求响应时间比较高，有50s左右，之后登陆上机器查看集群状态，见下图：

图1 Ceph健康状态

集群状态是OK的，仅发现了有两个pg正在做deep-scrub（Ceph静默检查程序，主要用来检查pg中对象数据不一致，本文后续章节有详细介绍），这两个pg属于业务数据pool（对象元数据、对象数据、日志等数据是存储在不同的pool中的），另外，发现运行scrub的时间段是23:00~06:00。

图2 Ceph配置文件

报警时间和scrub的运行时间是对得上的，从pg对应的osd日志上也能确认这一点：

图3 Ceph osd日志

可以看到rocksdb正在进行compacting，说明业务写请求比较多。

所以可确定本次slow-request的原因：大量的用户写入操作导致rocksdb进行compacting，加上deep-scrub进一步引发底层IO资源的竞争，最终导致用户请求超时。

2.问题解决

当时紧急处理方法就是将deep-scrub关掉，后续慢请求就不再出现了。但是deep-scrub直接影响数据的一致性，不能一直关掉，我们优化的思路就是控制deep-scrub的速度和调整其运行时间，本文后续章节会有详细说明，这里就不再展开。

03Ceph scrub简述

Scrub主要是为了检查磁盘数据的静默错误，在英文中被称为：Silent Data Corruption，大家都知道硬盘最核心的使命是正确的读取和写入数据，在读、写失败的情况下及时抛出异常，但是在某些场景下，写入成功，读取的时候才发现数据已经损坏，这就是静默错误，一般静默错误产生原因有这几种：

硬件错误
传输过程信噪干扰
软件bug
固件bug

Ceph的scrub类似于文件系统的 fsck，对于每个 pg，Ceph生成所有对象的列表，并比较每个对象多个副本，以确保没有对象丢失或数据不一致。Ceph的scrub主要分两种：

（1）Scrub：对比对象各个副本的元数据来检查元数据的一致性；

（2）Deep scrub：检查对象各个副本数据内容是否一致，耗时长，占用IO资源多；

scrub 对于数据一致性十分重要，但是由上文可知，它会对集群的性能会带来一些负面的影响，主要是会和业务IO竞争资源。下面首先分析下scrub的基本原理，然后介绍具体的优化方案。

04Ceph scrub原理

1.Scrub参数说明

在分析代码前，首先说明一下Ceph比较重要的概念和一些常用的参数。

以上是Ceph中重要的组件和概念，下面是scrub常用的参数：

下面介绍scrub的详细流程，scrub是一个生产者消费者模型，生产者生成scrub job，消费者负责消费scrub job。

2.Scrub任务的产生

生产者由定时任务触发，具体流程如下：

图4 生产者流程

主要流程说明如下：

（1）首先判断osd正在执行scrub的pg数是否大于osd_max_scrubs，如果大于则返回；

（2）是否达到pg的预期scrub时间，如果没达到则返回，预期的scrub时间是由上次scrub的时间、osd_scrub_min_interval、osd_scrub_interval_randomize_ratio参数决定；

（3）判断当前时间是否大于deadline，如果小于，则判断是否在osd_scrub_begin_hour和osd_scrub_end_hour，如果处于则判断集群负载是否在osd_scrub_load_thredhold之下，如果不满足则等待时间再重试。如果当前时间大于deadline，则不会判断时间和负载，强制执行scrub任务，到这一步仍然是osd_scrub_min_interval和osd_scrub_max_interval起作用；

（4）一个scrub任务最后会经过判断，从而决定这个scrub任务到底是scrub还是deepscrub，接下来我来分析一下这个判断流程；

（5）在主osd判断deep scrub的时间有没有超过deep_scrub_interval，如果超过，这个任务会是deep scrub；

scrubber.time_for_deep =ceph_clock_now() >=
info.history.last_deep_scrub_stamp+ deep_scrub_interval;

（6）如果没过期，这时osd_deep_scrub_randomize_ratio这个参数会起作用：

deep_coin_flip = (rand()% 100) < cct->_conf->osd_deep_scrub_randomize_ratio* 100;

scrubber.time_for_deep= (scrubber.time_for_deep || deep_coin_flip);

（7）首先判断osd正在执行scrub的pg数是否大于osd_max_scrubs，如果大于则返回；

（8）之后就是具体将任务加到队列，这里是用统一的数据结构表示scrub和deep scrub任务；

（9）获取deep scrub和scrub的标志位，如果设置了no deep scrub或者no scrub，则不执行相应任务。

从代码中看到的几个细节：

（1）预期的scrub时间，是由 last_scrub_time + min_interval + random_postpone_time，从而错开了pg的开始时间，这里起到了消峰的作用，并且随着系统的运行，这个时间是会错开的：

sched_time += scrub_min_interval;
double r = rand() / (double)RAND_MAX;
sched_time += scrub_min_interval *cct->_conf->osd_scrub_interval_randomize_ratio * r;
deadline += scrub_max_interval;

（2）last_scrub_time + osd_scrub_max_interval作为deadline，所以如果osd_scrub_max_interval设置的不对，就会导致系统在业务的正常时间出现deep scrub和scrub，并且不会受到load thredhold的限制；

（3）osd_deep_scrub_randomize_ratio这个参数会把普通的scrub任务变成deep scrub任务，但是只要max interval设置的合理，是有均衡deep scrub任务的作用的。

3.Scrub任务的消费

消费者是由线程池控制，具体流程如下：

图5 消费者流程

（1）由前文可知，scrub是已pg为单位的，而每个PG的scrub启动是由该PG所在的主OSD启动执行；

（2）在比较大的集群规模下，每个PG中可能承载了几十万的对象数，在进行scrub过程中会根据对象名的哈希值的部分作为提取因子，选择一部分对象进行校验，这部分被选中的对象称为chunky，这也是为什么ceph被称为chunkyscrub的原因；

（3）scrub的发起者即pg所在的主OSD，向其它副本OSD发起进行数据校验的消息，根据scrub的类型不同，需要校验的数据也不同：

scrub 读取对象的元数据信息，检查对象是否一致
deep scrub 读取对象的数据并做checksum来检查数据是否一致

（4）校验信息统一放到ScrubMap中,发起者通过比较ScrubMap中的信息，判断对象是否一致，不一致的信息会上报给monitor。

从流程也可以看出几个细节：

（1）chunky scrub里面的object会被锁住，写请求受到影响；

（2）osd_scrub_sleep是控制两次chunkyscrub的间隔，从而会拉长一次scrub（这里包括deepscrub 和 scrub）的时间，睡眠是通过定时器实现的。

05Ceph scrub优化

了解了scrub的原理，下面从如下两个方面来进行介绍scrub优化方案，一种是调整Ceph的相关参数，一种是自研的scrub调度策略。

1.参数优化

首先，可以解决之前的几个迷惑的问题：

（1）针对正在执行的scrub任务，即便时间超过配置的osd_scrub_end_hour 后，仍然会执行，新的任务在OSD::sched_scrub()开始时 OSD::scrub_time_permit返回 false不会执行；

（2）如果osd_scrub_max_interval配置的不合理，则会导致scrub任务的deadline超出，那么就会导致在规定时间外的任意时间出现scrub/deep scrub，从而影响业务IO；

（3）一个scrub任务到底是deep还是普通的scrub，和osd_deep_scrub_interval还有osd_deep_scrub_randomize_ratio参数有关，超过osd_deep_scrub_interval的一定是deep，否则按照osd_deep_scrub_randomize_ratio对应的概率转换成deep；

（4）不管是deep还是shallow scrub任务，执行的逻辑都是一样的，函数也一样，状态机也一样，唯一不同的是ScrubMap如果是deep会额外的请求CRC校验值。

其次，可以总结出参数调优的主要方向：

（1）首先，确定osd_scrub_max_interval，这个时间很重要，如果设置的太小就会导致业务在正常时间IO受到影响，并且此时osd_scrub_load_thredhold、begin hour、end hour都不会生效，osd_scrub_sleep时间生效。通过ceph pg dump --format json | jq -r '.pg_stats[] | [.last_clean_scrub_stamp ] | @csv' | sort –r命令查看线上环境，可以看到较多scrub任务在设置的scrub时间之外执行，所以这个参数需要调整，调整到一个月之后，没有出现类似现象；

（2）其次，osd_scrub_end_hour的设置，如果业务7点开始使用，那么如果设置成7点，可能最后一个任务没有执行完，deep scrub任务会持续到7点之后，具体取决于最后一个pg scrub的执行时间，那么这个值可以再提前一点；

（3）然后，osd_scrub_load_threshold的设置，这个值默认0.5，假如在begin hour和endhour之间，如果cpu高于这个值，那么是不会执行scrub的，这个值太小会导致在正常规定时间不能执行scrub，从而影响deadline,一旦超过deadline会出现第一种情况；

（4）bucket index对应的shard对象不宜过大，如果太大，这个对象在执行deep scrub的时候，会影响bucket级别的对象无法写入。这个参数通过修改osd_scrub_chunk_min，osd_scrub_chunk_max，可以缓解但是如果一个shard对象太多，仍然会比较严重；

（5）osd_scrub_sleep参数可以降低客户端在scrub时间内的感知，代价是增加了一次scrub任务的时间，所以如果修改这个参数，仍然需要确保一个osd_scrub_max_interval周期里，所有的pg能够被正确执行完scrub任务。

总结一下，总体的优化思路就是首先确保scrub任务不会在osd_scrub_begin_hour和 osd_scrub_end_hour之外的时间执行，其次就是在osd_scrub_begin_hour和osd_scrub_end_hour之间，尽可能减少业务的感知。

2.调度优化

由上文的分析可知，通过调整参数，可以解决一部分问题，但是如果某些参数设置的不合理，仍然会导致在scrub任务在非规定的时间内运行，影响正常的任务，scrub可控性仍然存在一些问题，并且在618和双11大促期间，需要完全避免执行scrub任务。针对这种情况，关闭使用ceph osd set noscrub;ceph osd set nodeep-scrub命令关闭了ceph的scrub机制，采用了自研程序进行scrub任务调度。

图6 scrub调度流程

主要的逻辑说明：

（1）通过rados连接ceph集群，如果连接失败则返回对应错误信息；

（2）进入循环主流程，判断当前日期是否是特殊日期，例如618，双11，如果是则睡眠一定时间继续循环；

（3）检查执行时间和最大任务数是否满足执行条件，如果不满足，则睡眠等待下一轮检查，一般都会设置deep scrub时间范围为晚上23点到第二天早上7点；

（4）通过pg dump获取当前正在执行scrub的pg信息；

（5）如果当前执行scrub的任务数大于所设置的maxscrubs，则睡眠一段时间继续循环

（6）对于非scrubbing状态的PG，按照last_deep_scrub_stamp从远及近排序，作为备选PG组；

（7）循环检查备选PG，对满足以下条件的PG执行deep scrub操作：