ceph之rados设计原理与实现第五章：高效的本地对象存储引擎Bluestore

由于FileStore底层仍然通过操作系统自带的本地文件系统管理磁盘，所以为了能够使用本地文件系统，所有针对RADOS的操作都需要转换成POSIX语义。
所以引入了BlueStore直接管理文件。

1.设计原理

文件系统提供的核心操作就是读和写，BlueStore也是。
对于文件系统，读操作除非缓存命中，否则都是从磁盘读出数据；而对于写操作，一般都是写入内存即可应答，再由文件系统合适组织写入磁盘，以此达到加速写性能。
但由于内存掉电数据会丢失，为了保证可靠性，BlueStore采用日志、双写来加速写操作，也就是先写入缓存NVRAM或者SSD，再写入磁盘。
BlueStore引入日志后，接踵而来的问题是，NVRAM或者SSD可以充当缓存的原因是I/O时延非常低，但是对于海量数据的写入，时延已经不是瓶颈，数据传输的时间才是瓶颈，所以当有海量数据写操作时，写日志虽然写进缓存很快，但是仍有大部分时间消耗给数据传输，再由于双写，性能损失反而更加严重。
所以BlueStore的写操作采用首尾块非对齐部分采用写日志RMW策略，中间对齐的大部分数据采用重定向写COW策略

BlueStore提供的读写API的粒度是PG，读是并发的，写是排他的。也就是同一时间两个线程可以同步执行读同一个PG的数据，但是只能互斥写同一个PG。
读请求是同步的，但出于效率考虑，写请求是异步的，所以对每一个PG还有一个FIFO队列OpSequencer来给写请求保序。
同步异步的意思是线程没有读完会阻塞，没有写完不会阻塞。

2.磁盘数据结构

BlueStore的对象类似于文件，我们知道文件是依靠每个文件专属的元数据inode记录了本文件的大小、文件数据所在的扇区地址等信息。BlueStore的元数据结构叫onode，也是记录了对象大小和数据位置等信息，具体如下：

其中size是对象大小、而extent_map_shards则记录了extent-map在RocksDB数据库的索引，也就是说每个对象有一个onode，onode包含了一张extent-map，而extent-map很大所以存储在数据库中。
extent-map记录了对象数据在磁盘的地址。extent-map具体如下：

其中extent_map包含了对象的若干个逻辑数据段extent（每个逻辑段并不一定连续且与磁盘块对齐）。
extent具体如下：

其中blob记录了该逻辑段对应的磁盘物理段。
blob_offset用于逻辑段extent的强制对齐，从而方便了映射磁盘物理段：

blob结构具体如下：

由于每个逻辑段extent在物理磁盘上并不一定连续，属于逻辑段和物理段是一对多的关系，所以表中extents记录了多个物理段pextent。
pextent结构具体如下：

上述的offset、length一定是块的整数倍。

整体结构图如下：

3.缓存机制

缓存替换算法本质是对于未来的读写请求序列，依靠时空局部性原理进行预测，因此如果请求序列完全随机，那么任何算法不可避免存在误淘汰的可能。

BlueStore需要缓存的元数据有两种，Collection和Onode，分别对应PG上下文与对象上下文内存管理结构。Collection小巧故常驻内存。
所以BlueStore需要缓存的数据只有Onode和用户数据。
BlueStore针对Onode采用LRU缓存替换算法、针对用户数据采用2Q。共四个队列。2Q有三个（A1in、Am、A1out）

4.BlueStore的磁盘空间管理

对于文件系统而言，除了元数据inode，还需要磁盘空间管理系统【位图】来管理磁盘的空闲块，比如每次追加写文件，文件需要扩容，那么就需要向位图申请磁盘块，再将磁盘块块号记录于该文件元数据inode中，再完成写入操作。
对于现代海量存储场景，一个bit表示一个扇区的做法，会导致位图过大，1.3PB的磁盘空间需要300GB内存，这使得位图无法常驻内存，不适用于集中式存储系统，因此有了段管理。一个段两个成员offset、length，128位就可以表示一大段磁盘空间。
由于Ceph是分布式的，并且Ceph的定位面向SSD，比HDD有更大的基本块，所以，BlueStore默认采用位图管理磁盘

对于文件系统，已分配磁盘块和空闲块是对立的，已知一种便可以恢复另一种。
由于已分配磁盘块在onode中已经详细记录，所以BlueStore将空闲块列表用数据库存盘，BlueStore上电后通过加载空闲块列表，最终还原出已分配空间列表。（虽然onode也在数据库，但是onode不仅仅记录了已分配块信息，非常庞大）。
上述空闲块列表即FreelistManager，还原出的已分配空间列表即Allocator（常驻内存用于分配空闲块，响应磁盘块请求）。

4.1 BitmapFreelistManager

BitmapFreelistManager将数量固定，物理上连续的磁盘块组成一个段，从而将磁盘空间划分为若干连续的段管理。每个段以磁盘起始地址为编号，故在BlueStore实例内为唯一索引，单个块用一个比特表示状态，所以每个段是一段比特流。
由于使用数据库存储段信息，段大小设置过大或者过小都不利于充分发挥数据库性能

4.2 BitmapAllocator

BitmapAllocator具体如下：

每一个BitmapEntry可以是64位位图，管理64个基本块。
BitmapAreaZone是BitmapAllocator单次最大可分配单位，大小可配置，所有API是原子的，因此不同的BitmapAreaZone之间可以并发操作。
BitmapAreaLeaf是叶子节点，包含固定数量的BitmapAreaZone，为了提升索引效率可以在往上组若干层BitmapAreaInternal。

整个BitmapAllocator的拓扑结构是可以配置的，主要受两个参数的约束：一是BitmapAreaZone的大小，决定了单次可分配最大连续空间，也决定了并发操作粒度；二是单个节点（中间或叶子）的跨度（span-size），这个参数决定了树的高度，从而决定了索引的效率。
为了减少空间碎片化，同时提升索引效率，BitmapAllocator还可以自定义配置最小可分配空间，所有BitmapAllocator分配的空间必须是最小可分配空间整数倍。

5.BlueFS

RocksDB具有以下特点：
1）专为使用本地SSD设备作为存储后端且存储容量不超过几个TB的应用程序设计，是一种内嵌式的非分布式数据库。
2）适合于存储小型或者中型键值对；性能随键值对长度上升下降很快。
3）性能随CPU核数以及后端存储设备的I/O能力呈线性扩展
由于RocksDB设计理念与BlueStore高度一致，所以BlueStore默认使用RocksDB作为元数据存储引擎。
但是由于操作系统自带的本地文件系统（例如XFS、ext3、ext4、ZFS等）对RocksDB而言很多不是必须，所以需要对本地文件系统进行剪裁，所以BlueFS应运而生。

BlueFS是一个简易的用户态日志型文件系统，将BlueStore分成了三个层次：
1）慢速（Slow）空间：这类空间主要用于存储对象数据，可有普通大容量机械磁盘提供，由BlueStore自行管理。
2）高速（DB）空间：这类空间主要用于存储BlueStore内部产生的元数据（如onode、双写的日志（这个我猜的））由RocksDB最终通过BlueFS直接管理。
3）超高速（WAL）空间：这类空间主要用于存储RocksDB内部产生的.log文件。可由NVMe SSD或NVRAM等时延相较普通SSD更小的设备充当，容量需求和2）相当（实际上还取决于RocksDB相关参数设置）。超高速空间也有BlueFS直接管理

整个Ceph有四个Allocator，一个是BlueStore管理慢速空间的Allocator，剩下三个是BlueFS管理慢速（当做高速、超高速）、高速、超高速空间的Allocator

BlueFS也允许慢速空间当做高速、超高速空间。具体策略为：BlueStore通过自身周期性被唤醒的同步线程实时查询BlueFS的可用空间，如果BlueFS可用空间占比过小，则分配一些慢速空间，反之的回收一部分慢速空间。成功分配给BlueFS的空间段单独写入bluefs_extents的集合，并从自身的Allocator扣除。每次更新bluefs_extents后，BlueStore都会将其作为元数据存盘，后续BlueFS上电时，通过BlueStore传递预先从数据库加载的bluefs_extents，即可正确初始化BlueFS的高速、超高速空间的Allocator。

6.BlueFS的磁盘数据结构

BlueFS也采用层级结构，但是由于只用于存储BlueStore的元数据，所以只有扁平的两层，第一层目录绝对路径，第二层文件，结构如下：

BlueFS的文件也采用类似inode的结构来管理，叫做bluefs_fnode_t简称fnode，file_map是文件名和fnode的映射。fnode结构如下：

每个文件可能来自多个不同的块空间（WAL、DB、Slow），所以extent还需要额外记录归属块设备标识。

BlueFS是日志型文件系统，每次操作只会记录一个简单的日志即向RocksDB返回操作成功。BlueFS采用增量日志模式，随着时间增加，隔一段时间需要将日志压缩成一个独立的日志事务，来节省WAL设备空间，日志事务结构如下：

所以每隔一段时间，BlueFS会将增量日志进行合并化简，然后将剩余的多条日志编码成op_bl作为一个日志事务，BlueFS下次上电，重放这个日志事务，就可以还原出完整最新的dir_map和file_map。
由于日志事务也是一个文件，所以需要一个超级块来记录日志文件位置，这样挂载BlueFS即读入超级块后，就可以恢复BlueFS的dir_map和file_map以供用户查看。超级块结构如下：

BlueFS整体架构如下：