ceph源码阅读 erasure-code

1、ceph纠删码

纠删码(Erasure Code)是比较流行的数据冗余的存储方法，将原始数据分成k个数据块(data chunk)，通过k个数据块计算出m个校验块(coding chunk)。把n=k+m个数据块保存在不同的节点，通过n中的任意k个块还原出原始数据。EC包含编码和解码两个过程。

ceph中的EC编码是以插件的形式来提供的。EC编码有三个指标：空间利用率、数据可靠性和恢复效率。ceph提供以下几种纠删码插件：clay(coupled-layer)、jerasure、lrc、shec、isa。

clay：用于在修复失败的节点/OSD/rack时节省网络带宽和磁盘IO。

jerasure：开源库，目前ceph默认的编码方式。

isa：isa是Intel提供的EC库，利用intel处理器指令加速计算，只能运行在Intel CPU上。

lrc：将校验块分为全局校验块和局部校验块，减少单个节点失效后恢复过程的网络开销。

shec：shec(k,m,l)，k为data chunk，m为coding chunk，l代表计算coding chunk时需要的data chunk数量。其最大允许失效数据块为：ml/k，恢复失效的单个数据块（data chunk）只需要额外读取l个数据块。

2、erasure-code文件结构

erasure-code是ceph的纠删码核心模块，包含5个文件夹和ErasureCodeInterface、ErasureCode、ErasureCodePlugin，采用工厂模式。

• clay、isa、jerasure、lrc、shec是ceph的EC插件。
• ErasureCodeInterface：提供EC插件的共有接口，每个接口有详细的说明。
• ErasureCode：提供获取纠删码参数和核心编码、解码接口。
• ErasureCodePlugin：提供纠删方式事件的注册、添加、删除登功能。

3、数据条带化

存储设备都有吞吐量限制，它会影响性能和伸缩性，所以存储系统一般都支持条带化（把连续的信息分片存储于多个设备）以增加吞吐量和性能。

• 基本概念

块（chunk）：基于纠删码编码时，每次编码将产生若干大小相同的块（要求这些块时有序的，否则无法解码）。ceph通过数量相等的PG将这些分别存储在不同的osd中。

条带（strip）：如果编码对象太大，可分多次进行编码，每次完成编码的部分称为条带。同一个对内的条带时有序的。

分片（shared）：同一个对象中所有序号相同的块位于同一个PG上，他们组成对象的一个分片，分片的编号就是块的序号。

空间利用率（rate）：通过k/n计算。

对象尺寸： Ceph 存储集群里的对象有最大可配置尺寸（如 2MB 、 4MB 等等），对象尺寸必须足够大以便容纳很多条带单元、而且应该是条带单元的整数倍。

条带数量： Ceph 客户端把一系列条带单元写入由条带数量所确定的一系列对象，这一系列的对象称为一个对象集。客户端写到对象集内的最后一个对象时，再返回到第一个。

条带宽度： 条带都有可配置的单元尺寸（如 64KB ）。 Ceph 客户端把数据等分成适合写入对象的条带单元，除了最后一个。条带宽度应该是对象尺寸的分片，这样对象才能 包含很多条带单元。

strip_width=chunk_size*strip_size

假设有EC（k=4，m=2），strip_size=4，chunk_size=1K，那么strip_width=4K。在ceph中，strip_width默认为4K。

• 数据条带化过程

如果要处理大尺寸图像、大 S3 或 Swift 对象（如视频）、或大的 CephFS 目录，你就能看到条带化到一个对象集中的多个对象能带来显著的读/写性能提升。当客户端把条带单元并行地写入相应对象时，就会有明显的写性能，因为对象映射到了不同的归置组、并进一步映射到不同 OSD ，可以并行地以最大速度写入。

在上图中，客户端数据条带化到一个对象集（上图中的objectset1），它包含 4 个对象，其中，第一个条带单元是object0的stripe unit 0、第四个条带是object3的stripe unit 3，写完第四个条带，客户端要确认对象集是否满了。如果对象集没满，客户端再从第一个对象起写入条带（上图中的object0）；如果对象集满了，客户端就得创建新对象集（上图的object set 2），然后从新对象集中的第一个对象（上图中的object 4）起开始写入第一个条带（stripe unit16）。

4、源码解析

• 编码流程

ECUtil::encode是将原始数据按条带宽度进行分割，然后对条带数据编码，得到条带的数据块和校验块。把每个条带化数据块和校验块有序的链接，形成数据块和校验块。

int ECUtil::encode(
  const stripe_info_t &sinfo,
  ErasureCodeInterfaceRef &ec_impl,
  bufferlist &in,
  const set &want,
  map *out)
....

//文件每次按strip_width的大小进行encode编码
  for (uint64_t i = 0; i < logical_size; i += sinfo.get_stripe_width()) {
    map encoded;
    bufferlist buf;
    buf.substr_of(in, i, sinfo.get_stripe_width());
    //调用对应的纠删码方式进行编码
    int r = ec_impl->encode(want, buf, &encoded);
    ceph_assert(r == 0);
    //将条带化的数据块和校验块追加到out
    for (map::iterator i = encoded.begin();
	 i != encoded.end();
	 ++i) {
      ceph_assert(i->second.length() == sinfo.get_chunk_size());
      (*out)[i->first].claim_append(i->second);
    }
  }

....
  return 0;
}

接下来深入分析ec_impl->encode(want, buf,&encoded)，ErasureCode是ErasureCodeInterface的子类，因此调用ErasureCode::encode。在ErasureCode::encode主要是进行map*encoded的内存分配（encode_prepare（））和数据块的编码（encode_chunks）。

int ErasureCode::encode(const set &want_to_encode,
                        const bufferlist &in,
                        map *encoded)
{
  unsigned int k = get_data_chunk_count();
  unsigned int m = get_chunk_count() - k;
  bufferlist out;
  //encoded的内存块分配
  int err = encode_prepare(in, *encoded);
  if (err)
    return err;
  //进行编码操作
  encode_chunks(want_to_encode, encoded);
  for (unsigned int i = 0; i < k + m; i++) {
    if (want_to_encode.count(i) == 0)
      encoded->erase(i);
  }
  return 0;
}

ErasureCode::encode_prepare()进行参数初始化和内存分配。

int ErasureCode::encode_prepare(const bufferlist &raw,
                                map &encoded) const
{
  unsigned int k = get_data_chunk_count();
  unsigned int m = get_chunk_count() - k;
  //每个块的大小
  unsigned blocksize = get_chunk_size(raw.length());
  //空白块的个数
  unsigned padded_chunks = k - raw.length() / blocksize;
  bufferlist prepared = raw;

  //将数据raw按blocksize大小有序分割，并将分割后的块有序写入到encoded
  for (unsigned int i = 0; i < k - padded_chunks; i++) {
    bufferlist &chunk = encoded[chunk_index(i)];
    chunk.substr_of(prepared, i * blocksize, blocksize);
    chunk.rebuild_aligned_size_and_memory(blocksize, SIMD_ALIGN);
    ceph_assert(chunk.is_contiguous());
  }
  if (padded_chunks) {
    unsigned remainder = raw.length() - (k - padded_chunks) * blocksize;
    bufferptr buf(buffer::create_aligned(blocksize, SIMD_ALIGN));

    raw.copy((k - padded_chunks) * blocksize, remainder, buf.c_str());
    buf.zero(remainder, blocksize - remainder);
    encoded[chunk_index(k-padded_chunks)].push_back(std::move(buf));

    for (unsigned int i = k - padded_chunks + 1; i < k; i++) {
      bufferptr buf(buffer::create_aligned(blocksize, SIMD_ALIGN));
      buf.zero();
      encoded[chunk_index(i)].push_back(std::move(buf));
    }
  }
  for (unsigned int i = k; i < k + m; i++) {
    bufferlist &chunk = encoded[chunk_index(i)];
    chunk.push_back(buffer::create_aligned(blocksize, SIMD_ALIGN));
  }

  return 0;
}

以上的工作完成后，可以开始正式的编码encode_chunks()。这里假设编码方式为jerasure，选用RS码。

int ErasureCodeJerasure::encode_chunks(const set &want_to_encode,
				       map *encoded)
{
  char *chunks[k + m];
  for (int i = 0; i < k + m; i++)
    chunks[i] = (*encoded)[i].c_str();
  jerasure_encode(&chunks[0], &chunks[k], (*encoded)[0].length());
  return 0;
}

jerasure_encode()是调用jerasure库的编码函数。

void ErasureCodeJerasureReedSolomonVandermonde::jerasure_encode(char **data,
                                                                char **coding,
                                                                int blocksize)
{
  jerasure_matrix_encode(k, m, w, matrix, data, coding, blocksize);
}

• 解码流程

ECUtil::decode函数有两个，挑个简单的来分析。

下面的decode()函数初始化数据，并进行解码。

int ECUtil::decode(
  const stripe_info_t &sinfo,
  ErasureCodeInterfaceRef &ec_impl,
  map &to_decode,
  bufferlist *out) {
  ceph_assert(to_decode.size());

  uint64_t total_data_size = to_decode.begin()->second.length();
  ....

  for (uint64_t i = 0; i < total_data_size; i += sinfo.get_chunk_size()) {
    map chunks;
    for (map::iterator j = to_decode.begin();
	 j != to_decode.end();
	 ++j) {
      chunks[j->first].substr_of(j->second, i, sinfo.get_chunk_size());
    }
    bufferlist bl;
    int r = ec_impl->decode_concat(chunks, &bl);
    ceph_assert(r == 0);
    ceph_assert(bl.length() == sinfo.get_stripe_width());
    out->claim_append(bl);
  }
  return 0;
}

ErasureCode::decode_concat()进行解码，并且链接哥哥数据块，还原出原数据。

int ErasureCode::decode_concat(const map &chunks,
			       bufferlist *decoded)
{
  set want_to_read;

  for (unsigned int i = 0; i < get_data_chunk_count(); i++) {
    want_to_read.insert(chunk_index(i));
  }
  map decoded_map;
  //解码核心部分
  int r = _decode(want_to_read, chunks, &decoded_map);
  if (r == 0) {
    //将解码后的数据块链接
    for (unsigned int i = 0; i < get_data_chunk_count(); i++) {
      decoded->claim_append(decoded_map[chunk_index(i)]);
    }
  }
  return r;
}

同样地，这里也是假设使用纠删码插件为jerasure。jerasure_decode()是调用jerasure库的解码函数。

int ErasureCodeJerasure::decode_chunks(const set &want_to_read,
				       const map &chunks,
				       map *decoded)
{
  unsigned blocksize = (*chunks.begin()).second.length();
  int erasures[k + m + 1];//记录丢失块的编号
  int erasures_count = 0;//丢失块的个数
  char *data[k];
  char *coding[m];
  for (int i =  0; i < k + m; i++) {
    if (chunks.find(i) == chunks.end()) {
      erasures[erasures_count] = i;
      erasures_count++;
    }
    if (i < k)
      data[i] = (*decoded)[i].c_str();
    else
      coding[i - k] = (*decoded)[i].c_str();
  }
  erasures[erasures_count] = -1;

  ceph_assert(erasures_count > 0);
  return jerasure_decode(erasures, data, coding, blocksize);
}

参考资料：

1、体系结构 - Ceph Documentation

2、ceph源码分析 常涛

3、ceph设计原理与实现