一文参透分布式存储系统Ceph的架构设计、集群搭建
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1. Ceph 概述
1.1 背景
1.2 介绍
1.3 特点
高性能
Client 和 Server 直接通信， 不需要代理和转发；
Client 不需要负责副本的复制， 有 Primary 主节点负责， 这样可以有效降低 clien 网络的消耗；
采用 CRUSH 算法，数据分布均衡，并行度高，支持上千个存储节点， 支持 TB 及 PB 级数据。
高可用性
数据多副本， 支持故障域分隔，数据强一致性；
没有单点故障，较好的容错性， 有效支撑各种故障场景；
支持所有故障的检测和自动恢复，可以做到自动化管理；
支持并行恢复，能够极大的降低数据恢复时间， 提高数据的可靠性。
高扩展性
高度并行化设计，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。
去中心化、灵活、随节点增加线性增长。
场景丰富
支持三种存储接口类型：块存储、文件存储、对象存储。同时支持自定义接口，C++ 为底层实现， 兼容多种语言。
块存储：将磁盘空间映射给主机使用， 适用 docker 容器、虚拟机磁盘存储分配；日志存储， 文件存储。
文件存储：解决块存储无法共享问题， 在服务器架设 FTP 和 NFS 服务器，适用目录结构的存储、日志存储等。
对象存储：大容量硬盘， 安装存储管理软件， 对外提供读写访问能力， 具备块存储的高速读写能力， 也具备文件存储共享的特性；适用图片存储或视频存储。
1.4 分布式存储系统横纵对比
| 对比说明 | TFS | FASTDFS | MooseFS | GlusterFS | CEPH |
|---|---|---|---|---|---|
| 开发语言 | C++ | C | C | C | C++ |
| 数据存储方式 | 块 | 文件 / Trunk | 块 | 文件 / 块 | 对象 / 文件 / 块 |
| 在线扩容 | 支持 | 支持 | 支持 | 支持 | 支持 |
| 冗余备份 | 支持 | 支持 | 支持 | 支持 | 支持 |
| 单点故障 | 存在 | 不存在 | 存在 | 不存在 | 不存在 |
| 易用性 | 安装复杂，官方文档少 | 安装简单，社区相对活跃 | 安装简单，官方文档多 | 安装简单，官方文档专业化 | 安装简单，官方文档专业化 |
| 适用场景 | 跨集群的小文件 | 单集群的中小文件 | 单集群的大中文件 | 跨集群云存储 | 单集群的大中小文件 |
2. Ceph 架构设计
2.1 Ceph 整体设计
基础存储系统 RADOS
Reliable, Autonomic,Distributed Object Store，即可靠的、自动化的、分布式的对象存储
这就是一个完整的对象存储系统，所有存储在 Ceph 系统中的用户数据事实上最终都是由这一层来存储的。而 Ceph 的高可靠、高可扩展、高性能、高自动化等等特性本质上也是由这一层所提供的。
基础库 librados
这层的功能是对 RADOS 进行抽象和封装，并向上层提供 API，以便直接基于 RADOS（而不是整个 Ceph）进行应用开发。特别要注意的是，RADOS 是一个对象存储系统，因此，librados 实现的 API 也只是针对对象存储功能的。RADOS 采用 C++ 开发，所提供的原生 librados API 包括 C 和 C++ 两种。
高层应用接口
这层包括了三个部分：RADOS GW（RADOS Gateway）、 RBD（Reliable Block Device）和 Ceph FS（Ceph File System），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。RADOS GW 提供的 API 抽象层次更高，但功能则不如 librados 强大。
应用层
这层是不同场景下对于 Ceph 各个应用接口的各种应用方式，例如基于 librados 直接开发的对象存储应用，基于 RADOS GW 开发的对象存储应用，基于 RBD 实现的云硬盘等等。librados 和 RADOS GW 的区别在于，librados 提供的是本地 API，而 RADOS GW 提供的则是 RESTfulAPI。
由于 Swift 和 S3 支持的 API 功能近似，这里以 Swift 举例说明。Swift 提供的 API 功能主要包括：
用户管理操作：用户认证、获取账户信息、列出容器列表等；
容器管理操作：创建 / 删除容器、读取容器信息、列出容器内对象列表等；
对象管理操作：对象的写入、读取、复制、更新、删除、访问许可设置、元数据读取或更新等。
2.2 逻辑架构
2.3 Ceph 专业术语
OSD: Ceph 的对象存储设备，OSD 守护进程的功能是存储数据，处理数据的复制、恢复、回填、再均衡，并通过检查其他 OSD 守护进程的心跳来向 Ceph Monitors 提供一些监控信息。
Monitors: Ceph 监视器，Monitor 维护着展示集群状态的各种图表，包括监视器图、OSD 图、归置组（PG）图、和 CRUSH 图。
PG：Ceph 归置组，每个 Object 最后都会通过 CRUSH 计算映射到某个 PG 中，一个 PG 可以包含多个 Object。
MDS: Ceph 元数据服务器（MDS），为 Ceph 文件系统存储元数据。
CephFS: Ceph 文件系统，CephFS 提供了一个任意大小且兼容 POSIX 的分布式文件系统。
RADOS: Reliable Autonomic Distributed Object Store，表示可靠、自动、分布式的对象存储。Ceph 中的一切都是以对象形式存储，RADOS 就负责存储这些对象，RADOS 层确保数据一致性和可靠性。
Librados：librados 库是一种用来简化访问 RADOS 的方法，目前支持 PHP、Python、Ruby、Java、C 和 C++ 语言。
RBD：Ceph 的块设备，它对外提供块存储，可以被映射、格式化进而像其他磁盘一样挂载到服务器。
RGW/RADOSGW：Ceph 对象网关，它提供了一个兼容 S3 和 Swift 的 restful API 接口。
3. Ceph 集群部署配置
3.1 部署结构
CENTOS7-1: IP 为 192.168.116.141， 既做管理节点， 又做子节点。
CENTOS7-2: IP 为 192.168.116.142， 子节点。
CENTOS7-3: IP 为 192.168.116.143， 子节点。
3.2 系统配置
修改主机名称 [root@CENTOS7-1 ~]# vi /etc/hostname
CENTOS7-1
编辑 hosts 文件
192.168.116.141 CENTOS7-1192.168.116.142 CENTOS7-2192.168.116.143 CENTOS7-3注意， 这里面的主机名称要和节点名称保持一致， 否则安装的时候会出现问题
修改 yum 源 vi /etc/yum.repos.d/ceph.repo， 为避免网速过慢问题， 这里采用的是清华镜像源：
[Ceph]name=Ceph packages for $basearchbaseurl=https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/ceph/rpm-mimic/el7/x86_64/enabled=1gpgcheck=1type=rpm-mdgpgkey=https://download.ceph.com/keys/release.asc[Ceph-noarch]name=Ceph noarch packages# 官方源#baseurl=http://download.ceph.com/rpm-mimic/el7/noarch# 清华源baseurl=https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/ceph/rpm-mimic/el7/noarch/enabled=1gpgcheck=1type=rpm-mdgpgkey=https://download.ceph.com/keys/release.asc[ceph-source]name=Ceph source packagesbaseurl=https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/ceph/rpm-mimic/el7/SRPMS/enabled=1gpgcheck=1type=rpm-mdgpgkey=https://download.ceph.com/keys/release.asc安装 ceph 与 ceph-deploy 组件
yum update && yum -y install ceph ceph-deploy安装完成， 如果执行 ceph-deploy 出现 ImportError: No module named pkg_resources 安装 python2-pip：yum -y install python2-pip yum install epel-release -y 安装 NTP 时间同步工具
yum install ntp ntpdate ntp-doc -y确保时区是正确， 设置开机启动：
systemctl enable ntpd并将时间每隔 1 小时自动校准同步。编辑 vi /etc/rc.d/rc.local 追加：
/usr/sbin/ntpdate ntp1.aliyun.com > /dev/null 2>&1; /sbin/hwclock -w配置定时任务，执行 crontab -e 加入：
0 */1 * * * ntpdate ntp1.aliyun.com > /dev/null 2>&1; /sbin/hwclock -w
3.3 免密码 SSH 登陆
官方建议不用系统内置用户， 创建名为 ceph_user 用户， 密码也设为 ceph_user：
useradd -d /home/ceph_user -m ceph_userpasswd ceph_user设置 sudo 权限
echo "ceph_user ALL = (root) NOPASSWD:ALL" | sudo tee /etc/sudoers.d/ceph_usersudo chmod 0440 /etc/sudoers.d/ceph_user1、2 两个步骤依次在三台机器上执行。
接下来在主节点， 继续执行：
生成密钥：
切换用户：su ceph_user
执行 ssh-keygen，一直按默认提示点击生成 RSA 密钥信息。
分发密钥至各机器节点
ssh-copy-id ceph_user@CENTOS7-1ssh-copy-id ceph_user@CENTOS7-2ssh-copy-id ceph_user@CENTOS7-3修改管理节点上的
~/.ssh/config文件， 简化 SSH 远程连接时的输入信息：管理节点是会有 root 和 ceph_user 多个用户， ssh 远程连接默认会以当前用户身份进行登陆，
如果我们是 root 身份进行远程连接， 还是需要输入密码， 我们想简化， 该怎么处理？
切换 root 身份，
su root
修改～/.ssh/config 文件
Host CENTOS7-1Hostname CENTOS7-1User ceph_userHost CENTOS7-2Hostname CENTOS7-2User ceph_userHost CENTOS7-3Hostname CENTOS7-3User ceph_user注意修改文件权限， 不能采用 777 最大权限：
chmod 600 ~/.ssh/config进行 ssh 远程连接时， Host 的主机名称是区分大小写的， 所以要注意配置文件的主机名称。
开放端口， 非生产环境， 可以直接禁用防火墙：
systemctl stop firewalld.servicesystemctl disable firewalld.serviceSELINUX 设置
SELinux 设为禁用：
setenforce 0永久生效：编辑 vi /etc/selinux/config 修改：
SELINUX=disabled
3.4 集群搭建配置
在管理节点创建集群配置目录，cd /usr/local：
mkdir ceph-clustercd ceph-cluster注意：此目录作为 ceph 操作命令的基准目录， 会存储处理配置信息。
创建集群， 包含三台机器节点：
ceph-deploy new CENTOS7-1 CENTOS7-2 CENTOS7-3创建成功后， 会生一个配置文件。
如果接下来集群的安装配置出现问题， 可以执行以下命令清除， 再重新安装：
ceph-deploy purge CENTOS7-1 CENTOS7-2 CENTOS7-3ceph-deploy purgedata CENTOS7-1 CENTOS7-2 CENTOS7-3ceph-deploy forgetkeys将三台节点的 mon 信息也删除
rm -rf /var/run/ceph/修改配置文件， 有些配置后面需用到：
vi /usr/local/ceph-cluster/ceph.conf加入：
[global]# 公网网络public network = 192.168.116.0/24# 设置pool池默认分配数量 默认副本数为3osd pool default size = 2# 容忍更多的时钟误差mon clock drift allowed = 2mon clock drift warn backoff = 30# 允许删除poolmon_allow_pool_delete = true[mgr]# 开启WEB仪表盘mgr modules = dashboard第一项为副本数， 设为 2 份。
第二项为对外 IP 访问网段，注意根据实际 IP 修改网段。
第三、四项为允许一定时间的漂移误差。
执行安装：
ceph-deploy install CENTOS7-1 CENTOS7-2 CENTOS7-3如果出现错误：
ceph_deploy][ERROR ] RuntimeError: Failed to execute command: ceph --version可以在各节点上单独进行安装：
yum -y install ceph如果没有仓库文件 ceph.repo， 按上面的步骤手工创建。
初始 monitor 信息：
ceph-deploy mon create-initial## ceph-deploy --overwrite-conf mon create-initial执行完成后， 会生成以下文件：
同步管理信息：
下发配置文件和管理信息至各节点：
ceph-deploy admin CENTOS7-1 CENTOS7-2 CENTOS7-3安装 mgr (管理守护进程)， 大于 12.x 版本需安装， 我们装的是最新版，需执行：
ceph-deploy mgr create CENTOS7-1 CENTOS7-2 CENTOS7-3安装 OSD (对象存储设备)
注意：新版本的 OSD 没有 prepare 与 activate 命令。
这里需要新的硬盘作为 OSD 存储设备， 关闭虚拟机， 增加一块硬盘， 不用格式化。
重启， fdisk -l 查看新磁盘名称：
执行创建 OSD 命令：
ceph-deploy osd create --data /dev/sdb CENTOS7-2三台节点都需分别依次执行。
ceph-deploy gatherkeys CENTOS7-1验证节点：
输入 ceph health 或 ceph -s 查看， 出现 HEALTH_OK 代表正常。
通过虚拟机启动，如果出现错误:
[root@CENTOS7-1 ~]# ceph -s cluster: id: 0ec99aa9-e97e-43d3-b5b9-90eb21c4abff health: HEALTH_WARN 1 filesystem is degraded 1 osds down 1 host (1 osds) down Reduced data availability: 41 pgs inactive Degraded data redundancy: 134/268 objects degraded (50.000%), 22 pgs degraded, 87 pgs undersized 39 slow ops, oldest one blocked for 2286 sec, daemons [osd.0,mon.CENTOS7-2,mon.CENTOS7-3] have slow ops. clock skew detected on mon.CENTOS7-2, mon.CENTOS7-3 services: mon: 3 daemons, quorum CENTOS7-1,CENTOS7-2,CENTOS7-3 mgr: centos7-1(active), standbys: centos7-3, centos7-2 mds: fs_test-1/1/1 up {0=centos7-1=up:replay} osd: 3 osds: 1 up, 2 in data: pools: 9 pools, 128 pgs objects: 134 objects, 64 KiB usage: 1.0 GiB used, 19 GiB / 20 GiB avail pgs: 32.031% pgs unknown 134/268 objects degraded (50.000%) 65 active+undersized 41 unknown 22 active+undersized+degraded在各节点执行命令，确保时间同步一致:
ntpdate ntp1.aliyun.com 3.5 安装管理后台
开启 dashboard 模块
ceph mgr module enable dashboard生成签名
ceph dashboard create-self-signed-cert创建目录
mkdir mgr-dashboard
[root@CENTOS7-1 mgr-dashboard]# pwd/usr/local/ceph-cluster/mgr-dashboard生成密钥对
cd /usr/local/ceph-cluster/mgr-dashboardopenssl req -new -nodes -x509 -subj "/O=IT/CN=ceph-mgr-dashboard" -days 3650 -keyout dashboard.key -out dashboard.crt -extensions v3_ca[root@CENTOS7-1 mgr-dashboard]# lltotal 8-rw-rw-r-- 1 ceph_user ceph_user 1155 Jul 14 02:26 dashboard.crt-rw-rw-r-- 1 ceph_user ceph_user 1704 Jul 14 02:26 dashboard.key启动 dashboard
ceph mgr module disable dashboardceph mgr module enable dashboard设置 IP 与 PORT
ceph config set mgr mgr/dashboard/server_addr 192.168.116.141ceph config set mgr mgr/dashboard/server_port 18843关闭 HTTPS
ceph config set mgr mgr/dashboard/ssl false查看服务信息
[root@CENTOS7-1 ceph-cluster]# ceph mgr services{"dashboard": "http://192.168.116.142:18843/"}设置管理用户与密码
ceph dashboard set-login-credentials admin admin访问
3.6 创建 Cephfs
集群创建完后， 默认没有文件系统， 我们创建一个 Cephfs 可以支持对外访问的文件系统。
ceph-deploy --overwrite-conf mds create CENTOS7-1 CENTOS7-2 CENTOS7-3创建两个存储池，执行两条命令：
ceph osd pool create cephfs_data 128ceph osd pool create cephfs_metadata 64少于 5 个 OSD 可把 pg_num 设置为 128
OSD 数量在 5 到 10，可以设置 pg_num 为 512
OSD 数量在 10 到 50，可以设置 pg_num 为 4096
OSD 数量大于 50，需要计算 pg_num 的值
通过下面命令可以列出当前创建的存储池：
ceph osd lspools创建 fs, 名称为 fs_test:
ceph fs new fs_test cephfs_metadata cephfs_data状态查看， 以下信息代表正常：
[root@CENTOS7-1 mgr-dashboard]# ceph fs lsname: fs_test, metadata pool: cephfs_metadata, data pools: [cephfs_data ][root@CENTOS7-1 mgr-dashboard]# ceph mds statfs_test-1/1/1 up {0=centos7-1=up:active}附：如果创建错误， 需要删除， 执行：
ceph fs rm fs_test --yes-i-really-mean-itceph osd pool delete cephfs_data cephfs_data --yes-i-really-really-mean-it确保在 ceph.conf 中开启以下配置：
[mon]mon allow pool delete = true采用 fuse 挂载
先确定 ceph-fuse 命令能执行， 如果没有， 则安装：
yum -y install ceph-fuse
创建挂载目录
mkdir -p /usr/local/cephfs_directory
挂载 cephfs
[root@node3 ~]# ceph-fuse -k /etc/ceph/ceph.client.admin.keyring -m 192.168.116.141:6789 /usr/local/cephfs_directoryceph-fuse[6687]: starting ceph client2019-07-14 21:39:09.644181 7fa5be56e040 -1 init, newargv = 0x7fa5c940b500 newargc=9ceph-fuse[6687]: starting fuse查看磁盘挂载信息
[root@CENTOS7-1 mgr-dashboard]# df -hFilesystem Size Used Avail Use% Mounted on/dev/mapper/centos-root 38G 3.0G 35G 8% /devtmpfs 1.9G 0 1.9G 0% /devtmpfs 1.9G 0 1.9G 0% /dev/shmtmpfs 1.9G 20M 1.9G 2% /runtmpfs 1.9G 0 1.9G 0% /sys/fs/cgroup/dev/sda1 197M 167M 31M 85% /boottmpfs 378M 0 378M 0% /run/user/0tmpfs 1.9G 24K 1.9G 1% /var/lib/ceph/osd/ceph-0ceph-fuse 27G 0 27G 0% /usr/local/cephfs_directorytmpfs 378M 0 378M 0% /run/user/1000/usr/local/cephfs_directory 目录已成功挂载。
3.7 客户端连接验证 (Rados Java)
安装好 JDK、GIT 和 MAVEN。
下载 rados java 客户端源码
git clone https://github.com/ceph/rados-java.git
下载目录位置：
[root@CENTOS7-1 rados-java]# pwd/usr/local/sources/rados-java执行 MAVEN 安装，忽略测试用例：
[root@CENTOS7-1 rados-java]# mvn install -Dmaven.test.skip=true生成 jar 包， rados-0.7.0.jar
[root@CENTOS7-1 target]# ll总用量 104drwxr-xr-x 3 root root 17 8月 11 18:32 classesdrwxr-xr-x 2 root root 27 8月 11 18:32 dependenciesdrwxr-xr-x 3 root root 25 8月 11 18:32 generated-sourcesdrwxr-xr-x 2 root root 28 8月 11 18:32 maven-archiverdrwxr-xr-x 3 root root 35 8月 11 18:32 maven-status-rw-r--r-- 1 root root 105701 8月 11 18:32 rados-0.7.0.jar创建软链接， 加入 CLASSPATH
ln -s /usr/local/sources/rados-java/target/rados-0.7.0.jar /opt/jdk1.8.0_301/jre/lib/ext/rados-0.7.0.jar安装 jna
yum -y install jna
创建软链接
ln -s /usr/share/java/jna.jar /opt/jdk1.8.0_301/jre/lib/ext/jna.jar查看
[root@CENTOS7-1 target]# ll /opt/jdk1.8.0_301/jre/lib/ext/jna.jarlrwxrwxrwx 1 root root 23 8月 11 19:00 /opt/jdk1.8.0_301/jre/lib/ext/jna.jar -> /usr/share/java/jna.jar[root@CENTOS7-1 target]# ll /opt/jdk1.8.0_301/jre/lib/ext/jna.jarlrwxrwxrwx 1 root root 23 8月 11 19:00 /opt/jdk1.8.0_301/jre/lib/ext/jna.jar -> /usr/share/java/jna.jar创建 JAVA 测试类
CephClient 类，注意， 最新版 0.6 的异常处理包位置已发生变化。
import com.ceph.rados.Rados;import com.ceph.rados.exceptions.*;import java.io.File;public class CephClient {public static void main (String args[]){try {Rados cluster = new Rados("admin");System.out.println("Created cluster handle.");File f = new File("/etc/ceph/ceph.conf");cluster.confReadFile(f);System.out.println("Read the configuration file.");cluster.connect();System.out.println("Connected to the cluster.");} catch (RadosException e) {System.out.println(e.getMessage() + ": " + e.getReturnValue());}}}运行验证
需要在 linux 环境下运行，且要在 client 节点。
编译并运行：
[root@CENTOS7-1 sources]# javac CephClient.java[root@CENTOS7-1 sources]# java CephClientCreated cluster handle.Read the configuration file.Connected to the cluster.成功与 ceph 建立连接。
注意：如果 java 和 javac 版本不同，可以使用 rpm -qa |grep java 进行查找， rpm -e --nodeps jdk 进行删除，source /etc/profile 进行生效
jdk 的位数为 64 位
END
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