Ceph分布式存储实践应用之整体设计

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。因此，理解RADOS是理解Ceph的基础与关键。物理上，RADOS由大量的存储设备节点组层，每个节点拥有自己的硬件资源（CPU、内存、硬盘、网络），并运行着操作系统和文件系统。

• 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。物理上，librados和基于其上开发的应用位于同一台机器，因而也被称为本地API。应用调用本机上的librados API，再由后者通过socket与RADOS集群中的节点通信并完成各种操作。

• 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。因此，开发者应针对自己的需求选择使用。RBD则提供了一个标准的块设备接口，常用于在虚拟化的场景下为虚拟机创建volume。目前，Red Hat已经将RBD驱动集成在KVM/QEMU中，以提高虚拟机访问性能。Ceph FS是一个POSIX兼容的分布式文件系统( POSIX表示可移植操作系统接口, 定义了操作系统与应用程序交互的接口标准, linux和windows都要实现基本的posix标准, 程序在源代码级别就能实现可移植性)。由于还处在开发状态，因而Ceph官网并不推荐将其用于生产环境中。

• 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。在上文的介绍中，有一个地方可能容易引起困惑：RADOS自身既然已经是一个对象存储系统，并且也可以提供librados API，为何还要再单独开发一个RADOS GW？

  理解这个问题，事实上有助于理解RADOS的本质，因此有必要在此加以分析。粗看起来，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，二者的编程模型和实际性能不同。而更进一步说，则和这两个不同抽象层次的目标应用场景差异有关。换言之，虽然RADOS和S3、Swift同属分布式对象存储系统，但RADOS提供的功能更为基础和底层、操作接口也更为丰富。这一点可以通过对比看出。

  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. 逻辑架构

Ceph Client 是 Ceph 文件系统的用户。 Ceph Metadata Daemon 提供了元数据服务器。 Ceph Object Storage Daemon 提供了实际存储（对数据和元数据两者）。 Ceph Monitor 提供了集群管理。

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。一般情况下一块硬盘对应一个OSD，由OSD来对硬盘存储进行管理，一个磁盘分区也可以成为一个OSD。
• 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。Ceph保存着发生在Monitors、OSD和PG上的每一次状态变更的历史信息（称为epoch）。
• PG：Ceph归置组，由于Object的数量很多，所以Ceph引入了PG的概念用于管理Object，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。
• MDSs: Ceph元数据服务器（MDS），为Ceph文件系统存储元数据。元数据服务器使得POSIX文件系统的用户们，可以在不对 Ceph 存储集群造成负担的前提下，执行诸如 ls、find 等基本命令。
• 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。CephFS依赖MDS来跟踪文件层次结构，即元数据。
• 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。对于数据一致性，它执行数据复制、故障检测和恢复，还包括数据在集群节点间的迁移和再平衡。
• Librados：librados库是一种用来简化访问RADOS的方法，目前支持PHP、Python、Ruby、Java、Python、C和C++语言。librados是RBD和RGW的基础，并为CephFS提供POSIX接口。
• 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。

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