理解Ceph CRUSH数据定位算法

Ceph是当下最优秀的分布式存储系统之一。其中Ceph EBS块设备结合虚拟机的使用场景十分流行。
Ceph的核心之一是其数据定位算法,称之为CRUSH算法,这是一种用户可控的伪随机算法。理解此算法对掌握Ceph助益很大。
下面通过示例来分析CRUSH算法。我们部署一个Ceph集群,用一个节点做monitor,用两个节点(2×3=6块硬盘)做OSD数据服务器,OSD服务器的层次结构如下:

理解Ceph CRUSH数据定位算法_第1张图片

注一:层次结构在Ceph中称之为crushmap,描述了物理集群部署结构。crushmap是Ceph的核心数据之一,由Monitor集群负责维护。
注二:crushmap除了描述物理部署结构之外,还描述了数据存放采取的动作。比如本文示例中动作是step take default,step chooseleaf firstn 0 type host,...


CRUSH算法分两步:
第一步、输入是要存储数据(称为object)的key,Ceph利用一个“字符串->数值”哈希算法计算object该放在哪个PG下。
注:PG是Ceph的一个概念,将多个数据分组存放,PG就是这个“组”,分组的目的是减少元数据量。
第二步、根据第一步计算得到的pgid,计算PG应该放在哪些osd硬盘上。——这是CRUSH算法的核心部分。


下面重点讲第二步,也就是CRUSH算法的核心。假设我们存入的object key="bigfile",第一步映射到pgid=6b。
算法第二步目的是计算“bigfile”应该存放到哪两个osd硬盘上(因为设置备份数为2),输出6b,输出应该是[x, y],比如[5,2],代表bigfile存放在osd.5和osd.2上,并且是放在PG 6b下面。
1、参考上面的结构图,目前在root层,目标是从下一层选择第1个Host,选取算法是straw哈希算法(可在crushmap中配置)。
2、假设选取得到Host osd1,目前在第二层,目标是从下一层中选择一个osd硬盘,选取算法默认仍是straw哈希算法。
3、假设选取得到osd.5,获得第一个位置。返回顶层继续计算。
4、继续从root层执行,此时如果straw哈希算法输出不变,仍会得到相同结果。这自然不合要求,因此straw()还有一个输入参数是当前是第几次计算。
5.1、这次root straw()可能得到Host osd0,osd0层继续straw()可能得到osd.2,于是获得第二个位置,CRUSH计算结束,返回结果。
5.2、这次root straw()可能仍得到Host osd1,此时会被拒绝,因为根据crushmap设置的规则,数据尽量分散放,都放在一个机器上,机器一挂所有数据都访问不了。因此会递增输入参数“计算次数”并重新计算。
5.2.1、后续某次继续得到Host osd0,继续计算下一层,并最终返回正确结果。
5.2.2、如果连续尝试了>choose_total_tries(在crushmap中可配,默认50)次之后,表示第二个位置的计算失败,仅返回部分结果[5,]。

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