Ceph 文档本地化项目

Ceph基本简介

Ceph是一个 Linux PB 级分布式文件系统。

 

Ceph由来

其命名和UCSC（Ceph 的诞生地）的吉祥物有关，这个吉祥物是 “Sammy”，一个香蕉色的蛞蝓，就是头足类中无壳的软体动物。这些有多触角的头足类动物，是对一个分布式文件系统高度并行的形象比喻。

Ceph 最初是一项关于存储系统的 PhD 研究项目，由 Sage Weil 在 University of California, SantaCruz（UCSC）实施。

 

Ceph开发目标

简单定义为以下3项：

1. 可轻松扩展到数 PB 容量

2. 支持多种工作负载的高性能（每秒输入/输出操作[IOPS]和带宽）

3. 高可靠性

但是，这些目标之间会互相竞争（例如，可扩展性会降低或者抑制性能或者影响可靠性）。Ceph 的设计还包括保护单一点故障的容错功能，它假设大规模（PB 级存储）存储故障是常见现象而不是例外情况。

它的设计并没有假设某种特殊工作负载，但包括了适应变化的工作负载，并提供最佳性能的能力。它利用 POSIX 的兼容性完成所有这些任务，允许它对当前依赖 POSIX 语义（通过以 Ceph 为目标的改进）的应用进行透明的部署。

 

Ceph系统架构

Ceph 生态系统架构可以划分为四部分：

1. Clients：客户端（数据用户）

2. cmds：Metadata server cluster，元数据服务器（缓存和同步分布式元数据）

3. cosd：Object storage cluster，对象存储集群（将数据和元数据作为对象存储，执行其他关键职能）

4. cmon：Cluster monitors，集群监视器（执行监视功能）

 

图 1. Ceph 生态系统的概念架构

 

图 2. Ceph 生态系统简化后的分层视图

Ceph组件

了解了 Ceph 的概念架构之后，您可以挖掘到另一个层次，了解在 Ceph 中实现的主要组件。Ceph 和传统的文件系统之间的重要差异之一就是，它将智能都用在了生态环境而不是文件系统本身。

图 3 显示了一个简单的 Ceph 生态系统。Ceph Client 是 Ceph 文件系统的用户。Ceph Metadata Daemon 提供了元数据服务器，而 Ceph Object Storage Daemon 提供了实际存储（对数据和元数据两者）。最后，Ceph Monitor 提供了集群管理。要注意的是，Ceph 客户，对象存储端点，元数据服务器（根据文件系统的容量）可以有许多，而且至少有一对冗余的监视器。那么，这个文件系统是如何分布的呢？

图 3. 简单的 Ceph 生态系统

Ceph客户端

 

因为 Linux 显示文件系统的一个公共界面（通过虚拟文件系统交换机 [VFS]），Ceph 的用户透视图就是透明的。管理员的透视图肯定是不同的，考虑到很多服务器会包含存储系统这一潜在因素。从用户的角度看，他们访问大容量的存储系统，却不知道下面聚合成一个大容量的存储池的元数据服务器，监视器，还有独立的对象存储设备。用户只是简单地看到一个安装点，在这点上可以执行标准文件 I/O。

Ceph 文件系统 — 或者至少是客户端接口 — 在 Linux 内核中实现。值得注意的是，在大多数文件系统中，所有的控制和智能在内核的文件系统源本身中执行。但是，在 Ceph 中，文件系统的智能分布在节点上，这简化了客户端接口，并为 Ceph 提供了大规模（甚至动态）扩展能力。

Ceph 使用一个有趣的备选，而不是依赖分配列表（将磁盘上的块映射到指定文件的元数据）。Linux 透视图中的一个文件会分配到一个来自元数据服务器的 inode number（INO），对于文件这是一个唯一的标识符。然后文件被推入一些对象中（根据文件的大小）。使用 INO 和 object number（ONO），每个对象都分配到一个对象 ID（OID）。在 OID 上使用一个简单的哈希，每个对象都被分配到一个放置组。放置组（标识为 PGID）是一个对象的概念容器。最后，放置组到对象存储设备的映射是一个伪随机映射，使用一个叫做 Controlled Replication Under Scalable Hashing（CRUSH）的算法。这样一来，放置组（以及副本）到存储设备的映射就不用依赖任何元数据，而是依赖一个伪随机的映射函数。这种操作是理想的，因为它把存储的开销最小化，简化了分配和数据查询。

分配的最后组件是集群映射。集群映射 是设备的有效表示，显示了存储集群。有了 PGID 和集群映射，您就可以定位任何对象。

Ceph元数据服务器

 

元数据服务器（cmds）的工作就是管理文件系统的名称空间。虽然元数据和数据两者都存储在对象存储集群，但两者分别管理，支持可扩展性。事实上，元数据在一个元数据服务器集群上被进一步拆分，元数据服务器能够自适应地复制和分配名称空间，避免出现热点。如图 4 所示，元数据服务器管理名称空间部分，可以（为冗余和性能）进行重叠。元数据服务器到名称空间的映射在 Ceph 中使用动态子树逻辑分区执行，它允许 Ceph 对变化的工作负载进行调整（在元数据服务器之间迁移名称空间）同时保留性能的位置。

图 4. 元数据服务器的 Ceph 名称空间的分区

但是因为每个元数据服务器只是简单地管理客户端人口的名称空间，它的主要应用就是一个智能元数据缓存（因为实际的元数据最终存储在对象存储集群中）。进行写操作的元数据被缓存在一个短期的日志中，它最终还是被推入物理存储器中。这个动作允许元数据服务器将最近的元数据回馈给客户（这在元数据操作中很常见）。这个日志对故障恢复也很有用：如果元数据服务器发生故障，它的日志就会被重放，保证元数据安全存储在磁盘上。

元数据服务器管理 inode 空间，将文件名转变为元数据。元数据服务器将文件名转变为索引节点，文件大小，和 Ceph 客户端用于文件 I/O 的分段数据（布局）。

Ceph 监视器

 

Ceph 包含实施集群映射管理的监视器，但是故障管理的一些要素是在对象存储本身中执行的。当对象存储设备发生故障或者新设备添加时，监视器就检测和维护一个有效的集群映射。这个功能按一种分布的方式执行，这种方式中映射升级可以和当前的流量通信。Ceph 使用 Paxos，它是一系列分布式共识算法。

Ceph对象存储

 

和传统的对象存储类似，Ceph 存储节点不仅包括存储，还包括智能。传统的驱动是只响应来自启动者的命令的简单目标。但是对象存储设备是智能设备，它能作为目标和启动者，支持与其他对象存储设备的通信和合作。

从存储角度来看，Ceph 对象存储设备执行从对象到块的映射（在客户端的文件系统层中常常执行的任务）。这个动作允许本地实体以最佳方式决定怎样存储一个对象。Ceph 的早期版本在一个名为 EBOFS 的本地存储器上实现一个自定义低级文件系统。这个系统实现一个到底层存储的非标准接口，这个底层存储已针对对象语义和其他特性（例如对磁盘提交的异步通知）调优。今天，B-tree 文件系统（BTRFS）可以被用于存储节点，它已经实现了部分必要功能（例如嵌入式完整性）。

因为 Ceph 客户实现 CRUSH，而且对磁盘上的文件映射块一无所知，下面的存储设备就能安全地管理对象到块的映射。这允许存储节点复制数据（当发现一个设备出现故障时）。分配故障恢复也允许存储系统扩展，因为故障检测和恢复跨生态系统分配。Ceph 称其为 RADOS（见 图 3）。

 

Ceph未来发展

作为分布式文件系统，其能够在维护 POSIX 兼容性的同时加入了复制和容错功能。从 2010 年 3 月底，您可以在Linux 内核（从2.6.34版开始）中找到 Ceph 的身影，作为Linux的文件系统备选之一，Ceph.ko已经集成入Linux内核之中。虽然目前Ceph 可能还不适用于生产环境，但它对测试目的还是非常有用的。

Ceph 不仅仅是一个文件系统，还是一个有企业级功能的对象存储生态环境。

现在，Ceph已经被集成在主线 Linux 内核中，但只是被标识为实验性的。在这种状态下的文件系统对测试是有用的，但是对生产环境没有做好准备。但是考虑到Ceph 加入到 Linux 内核的行列，不久的将来，它应该就能用于解决海量存储的需要了。