解析Ceph存储引擎实现之一 filestore

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　　Ceph作为一个高可用和强一致性的软件定义存储实现，去使用它非常重要的就是了解其内部的IO路径和存储实现。这篇文章主要介绍在IO路径中最底层的ObjectStore的实现之一FileStore。

ObjectStore
　　ObjectStore是Ceph OSD中最重要的概念之一，它封装了所有对底层存储的IO操作。从上图中可以看到所有IO请求在Clieng端发出，在Message层统一解析后会被OSD层分发到各个PG，每个PG都拥有一个队列，一个线程池会对每个队列进行处理。
　　当一个在PG队列里的IO被提出后，该IO请求会被根据类型和相关附带参数进行处理。如果是读请求会通过ObjectStore提供的API获得相应的内容，如果是写请求也会利用ObjectStore提供的事务API将所有写操作组合成一个原子事务提交给ObjectStore。ObjectStore通过接口对上层提供不同的隔离级别，目前PG层只采用了Serializable级别,保证读写的顺序性。
　　ObjectStore主要接口分为三部分，第一部分是Object的读写操作，类似于POSIX的部分接口，第二部分是Object的属性(xattr)读写操作，这类操作的特征是kv对并且与某一个Object关联。第三部分是关联Object的kv操作(在Ceph中称为omap)，这个其实与第二部分非常类似，但是在实现上可能会有所变化。
　　目前ObjectStore的主要实现是FileStore，也就是利用文件系统的POSIX接口实现ObjectStore API。每个Object在FileStore层会被看成是一个文件，Object的属性(xattr)会利用文件的xattr属性存取，因为有些文件系统(如Ext4)对xattr的长度有限制，因此超出长度的Metadata会被存储在DBObjectMap里。而Object的omap则直接利用DBObjectMap实现。因此，可以看出xattr和omap操作是互通的，在用户角度来说，前者可以看作是受限的长度，后者更宽泛(API没有对这些做出硬性要求)。
FileJournal

　　为了缩小写事务的处理时间，提高写事务的处理能力并且实现事务的原子性，FileStore引入了FileJournal，所有写事务在被FileJournal处理以后都会立即返回(上图中的第二步)。FileJournal类似于数据库的writeahead日志，使用O_DIRECT和O_DSYNC每次同步写入到journal文件，完成后该事务会被塞到FileStore的op queue。事务通常有若干个写操作组成，当在中间过程进程crash时，journal会OSD recover提供了完备的输入。FileStore会存在多个thread从op queue里获取op，然后真正apply到文件系统上对应的Object(Buffer IO)。当FileStore将事务落到disk上之后，后续的该Object的读请求才会继续(上图中的第五步)。当FileStore完成一个op后，对应的Journal可以丢弃这部分日志。
　　实际上并不是所有的文件系统都按照这个顺序，一般来说如Ceph推荐的Ext4和XFS文件系统会先写入Journal，然后再写入Filesystem，而COW(Copy on Write)文件系统如Btrfs和ZFS会同时写入Journal和FileSystem。
DBObjectMap

　　DBObjectMap是FileStore的一部分，利用KeyValue数据库实现了ObjectStore的第三部分API，DBObjectMap主要复杂在其实现了clone操作的no-copy。因为ObjectStore提供了clone API，提供对一个Object的完全clone(包括Object的属性和omap)。DBObjectMap对每一个Object有一个Header，每个Object联系的omap(kv pairs)对会与该Header联系，当clone时，会产生两个新的Header，原来的Header作为这两个新Header的parent，这时候无论是原来的Object还是cloned Object在查询或者写操作时都会查询parent的情况，并且实现copy-on-write。那么Header如何与omap(kv pairs)联系呢，首先每个Header有一个唯一的seq，然后所有属于该Header的omap的key里面都会包含该seq，因此，利用KeyValueDB的提供的有序prefix检索来实现对omap的遍历。
　　上面提到FileStore会将每个Object作为一个文件，那么Object的一些属性会与Object Name一起作为文件名，Object 所属的PG会作为文件目录，当一个PG内所包含的文件超过一定程度时(在目录内文件太多会造成文件系统的lookup性能损耗)，PG会被分裂成两个PG。

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解析CEPH SNAPSHOT
　　Posted on 2013年12月27日 by kernal
　　经常有开发者在邮件列表中会问到Ceph Snapshot的实现方式，受限于目前有限的实现文档和复杂的代码结构和代码量，弄清楚Ceph Snapshot并不是一件容易的事。正好最近在重构Ceph存储引擎层的DBObjectMap，涉及到处理Snapshot间clone的问题，重新梳理了一次在Ceph IO路径中占了非常大比重的snapshot相关代码流程，在这里并不会重点展现里面的代码或者数据结构，而是从高层设计角度展现Snapshot的实现。
　　在阅读下文前务必先了解Ceph的基本情况和使用场景。什么是ceph怎样使用ceph
Ceph Snapshot使用场景
　　多数人尝试Ceph的Snapshot往往从Ceph的RBD库入手，也就是所谓的块存储。利用librbd通过简单的命令可以快速创建卷和Snapshot。
　　rbd create image-name –size 1024 -p pool
　　rbd snap create pool/image-name –snap snap-name
　　第一条命令创建了一个名为”image-name”的卷，在这个过程中librbd库只是创建了一个metadata而没有实际向Ceph申请空间。关于librbd如何利用Rados实现块存储和管理更多的细节会在以后的文章中讲到，这里先留个坑。
　　第二条命令对”image-name”卷创建了一个名为”snap-name”的Snapshot，创建以后，对”image-name”卷的任意写操作之后都可以在任意时间回滚到创建”snap-name”的Snapshot时的数据。如下面这条命令
　　rbd snap rollback pool/image-name –snap snap-name
　　在用户实际尝试过程中，会发现Ceph对于卷的操作和管理非常轻量，任意时刻，任意卷大小，任意集群大小的卷创建都是相同的操作量级，在其背后实质上也是完全相同的操作。开发者会对如何实现Snapshot更敢兴趣，因为Snapshot的实现方式决定了如何有效的使用Snapshot。
Ceph Snapshot实现

　　在阐述之前，首先要了解Ceph有Pool的概念，也就是上面命令上涉及到的-p pool。一个Ceph Cluster可以创建多个Pool，每个Pool是逻辑上的隔离单位，不同的Pool可以有完全不同的数据处理方式。如Replication>　　因此，对Ceph的任意操作都需要先指定Pool才能进行，上面的image操作都是在一个名为”pool”的Pool上进行，名为”image-name”的Image也是存储在”pool”中。
　　除了Pool概念外，Ceph实质上有两种Snapshot模式，并且两种Snapshot是不能同时应用到同一个Pool中。

• 　　Pool Snapshot: 对整个Pool打一个Snapshot，该Pool中所有的对象都会受影响
  
• 　　Self Managed Snapshot: 用户管理的Snapshot，简单的理解就是这个Pool受影响的对象是受用户控制的。这里的用户往往是应用如librbd。
  

　　我们在前面利用rbd命令的操作实质上是使用第二种模式，因此我们先首先介绍第二种模式的实现。
　　在前面提到，Snapshot也是利用Pool隔离的，两种Snapshot mode的实现是基本相似的，如何使用是造成两种模式分离的重要原因。每个Pool都有一个snap_seq字段，该字段可以认为是整个Pool的Global Version。所有存储在Ceph的Object也都带有snap_seq，而每个Object会有一个Head版本的，也可能会存在一组Snapshot objects，不管是Head版本还是snapshot object都会带有snap_seq，那么接下来我们看librbd是如何利用该字段创建Snapshot的。

• 　　用户申请为”pool”中的”image-name”创建一个名为”snap-name”的Snapshot
  
• 　　librbd向Ceph Monitor申请得到一个”pool”的snap sequence，Ceph Monitor会递增该Pool的snap_seq，然后返回该值给librbd。
  
• 　　librbd将新的snap_seq替换原来image的snap_seq中，并且将原来的snap_seq设置为用户创建的名为”snap-name”的Snapshot的snap_seq
  

　　从上面的操作中，对于版本控制实现熟悉的同学们可能就大致猜测出Ceph对于Snapshot的实现了。每个Snapshot都掌握者一个snap_seq，Image可以看成一个Head Version的Snapshot，每次IO操作对会带上snap_seq发送给Ceph OSD，Ceph OSD会查询该IO操作涉及的object的snap_seq情况。如”object-1″是”image-name”中的一个数据对象，那么初始的snap_seq就”image-name”的snap_seq，当创建一个Snapshot以后，再次对”object-1″进行写操作时会带上新的snap_seq，Ceph接到请求后会先检查”object-1″的Head Version，会发现该写操作所带有的snap_seq大于”object-1″的snap_seq，那么就会对原来的”object-1″克隆一个新的Object Head Version，原来的”object-1″会作为Snapshot，新的Object Head会带上新的snap_seq，也就是librbd之前申请到的。
　　Ceph的实现当然比上面提到的要复杂很多，要考虑更多的异常情况还有管理Object Snaps上。
　　上述提到的是第二种Snapshot Mode，那么第一种模式实际上更简单。既然第二种方式是应用(librbd)自己申请snap_seq，然后进行管理，那么第一种是的场景可以是命令如”rados mksnap snap-name -p pool”进行全局pool的Snapshot，应用是不需要知道snap_seq的。这条命令会递增”pool”的snap_seq，然后接下来所有”pool”下的objects对会受影响，因为所有的接下来的IO操作都会自动继承”pool”的snap_seq，对object进行clone。在CephFS里用到这个模式管理全局的Snapshot。
　　所以，更简单的讲，这两者mode的区别就在于应用进行IO请求时是否附带snap_seq。
Object Snapshot的存储管理
　　上面提到的都是如何利用snap_seq向底层存储查找相应的对象然后返回，那么底层的存储引擎是如何管理一个Object的不同版本的呢。
　　首先，任一个Object都是通过ObjectStore接口进行访问，目前Ceph Master分支支持MemStore和FileStore两种，FileStore是默认的存储接口实现。以后的文章也会介绍具体的FileStore实现。
　　在Ceph中，每一个Object都有三种类型的存储接口，分别是最主要的Object存储，xattr存储和omap存储。Object存储就是用户实际数据的存放，xattr主要用来给CephFS提供XATTR数据存放，omap存储可以理解成一个k/v存储并且与某一个object相关联。而一个Object的元数据(pool，PG，name等等)都有一个object_info_t的结构进行管理，有一个SnapSetContext结构管理Snapshots，两者都作为一个object的k/v存储持久化。默认的FileStore是利用LevelDB作为键值存储，然后通过DBObjectMap类对LevelDB进行映射管理。
　　在Snapshot的实现上，最重要的其实就是Clone操作，那么在FileStore层面，Object数据存储是实际上就是一个文件，Object间克隆依赖OSD数据目录的文件系统，如Ext4或者XFS会直接完全拷贝数据，使用Btrfs会利用ioctl的BTRFS_IOC_CLONE_RANGE命令，kv数据克隆通过一个巧妙的KeyMapping实现COW策略(略微复杂，后面文章解读)，而xattr则完全copy实现(xattr在Ceph中较少用到)。