Ceph:一个 Linux PB 级分布式文件系统

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　　Ceph：一个 Linux PB 级分布式文件系统
　　探索 Ceph 文件系统和生态系统
M. Tim Jones, 自由作家　　简介： Linux®持续不断进军可扩展计算空间，特别是可扩展存储空间。Ceph 最近才加入到 Linux 中令人印象深刻的文件系统备选行列，它是一个分布式文件系统，能够在维护 POSIX 兼容性的同时加入了复制和容错功能。探索 Ceph 的架构，学习它如何提供容错功能，简化海量数据管理。
　　本文的标签：  ceph
　　作为一名存储行业的架构师，我对文件系统情有独钟。这些系统用来存储系统的用户界面，虽然它们倾向于提供一系列类似的功能，但它们还能够提供差异显著的功能。Ceph 也不例外，它还提供一些您能在文件系统中找到的最有趣的功能。
　　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, Santa Cruz（UCSC）实施。但是到了 2010 年 3 月底，您可以在主线 Linux 内核（从 2.6.34 版开始）中找到 Ceph 的身影。虽然 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。本文探讨了 Ceph 文件系统及其独有的功能，这些功能让它成为可扩展分布式存储的最有吸引力的备选。
　　Ceph 目标
为什么选 “Ceph”？
　　“Ceph” 对一个文件系统来说是个奇怪的名字，它打破了大多数人遵循的典型缩写趋势。这个名字和 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，提供了一个分布式文件系统的最形象比喻。
　　开发一个分布式文件系统需要多方努力，但是如果能准确地解决问题，它就是无价的。Ceph 的目标简单地定义为：

• 可轻松扩展到数 PB 容量
  
• 对多种工作负载的高性能（每秒输入/输出操作[IOPS]和带宽）
  
• 高可靠性
  

　　不幸的是，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 开发了一些非常有趣的概念（例如，动态元数据分区，数据分布和复制），这些概念在本文中只进行简短地探讨。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。最后，它的设计并没有假设某种特殊工作负载，但是包括适应变化的工作负载，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。最后，Ceph 是开源分布式存储，也是主线 Linux 内核（2.6.34）的一部分。
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　　Ceph 架构
　　现在，让我们探讨一下 Ceph 的架构以及高端的核心要素。然后我会拓展到另一层次，说明 Ceph 中一些关键的方面，提供更详细的探讨。
　　Ceph 生态系统可以大致划分为四部分（见图 1）：客户端（数据用户），元数据服务器（缓存和同步分布式元数据），一个对象存储集群（将数据和元数据作为对象存储，执行其他关键职能），以及最后的集群监视器（执行监视功能）。
　　图 1. Ceph 生态系统的概念架构

　　如图 1 所示，客户使用元数据服务器，执行元数据操作（来确定数据位置）。元数据服务器管理数据位置，以及在何处存储新数据。值得注意的是，元数据存储在一个存储集群（标为 “元数据 I/O”）。实际的文件 I/O 发生在客户和对象存储集群之间。这样一来，更高层次的 POSIX 功能（例如，打开、关闭、重命名）就由元数据服务器管理，不过 POSIX 功能（例如读和写）则直接由对象存储集群管理。
　　另一个架构视图由图 2 提供。一系列服务器通过一个客户界面访问 Ceph 生态系统，这就明白了元数据服务器和对象级存储器之间的关系。分布式存储系统可以在一些层中查看，包括一个存储设备的格式（Extent and B-tree-based Object File System [EBOFS] 或者一个备选），还有一个设计用于管理数据复制，故障检测，恢复，以及随后的数据迁移的覆盖管理层，叫做 Reliable Autonomic Distributed Object Storage（RADOS）。最后，监视器用于识别组件故障，包括随后的通知。
　　图 2. Ceph 生态系统简化后的分层视图

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　　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
内核或用户空间
　　早期版本的 Ceph 利用在 User SpacE（FUSE）的 Filesystems，它把文件系统推入到用户空间，还可以很大程度上简化其开发。但是今天，Ceph 已经被集成到主线内核，使其更快速，因为用户空间上下文交换机对文件系统 I/O 已经不再需要。
　　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（要查看更多创建 Ceph 集群的信息，见 参考资料 部分）。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>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）。
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　　其他有趣功能
　　如果文件系统的动态和自适应特性不够，Ceph 还执行一些用户可视的有趣功能。用户可以创建快照，例如，在 Ceph 的任何子目录上（包括所有内容）。文件和容量计算可以在子目录级别上执行，它报告一个给定子目录（以及其包含的内容）的存储大小和文件数量。
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　　Ceph 的地位和未来
　　虽然 Ceph 现在被集成在主线 Linux 内核中，但只是标识为实验性的。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，还有其创建人想继续研发的动机，不久之后它应该就能用于解决您的海量存储需要了。
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　　其他分布式文件系统
　　Ceph 在分布式文件系统空间中并不是唯一的，但它在管理大容量存储生态环境的方法上是独一无二的。分布式文件系统的其他例子包括 Google File System（GFS），General Parallel File System（GPFS），还有 Lustre，这只提到了一部分。Ceph 背后的想法为分布式文件系统提供了一个有趣的未来，因为海量级别存储导致了海量存储问题的唯一挑战。
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　　展望未来
　　Ceph 不只是一个文件系统，还是一个有企业级功能的对象存储生态环境。在 参考资料 部分中，您将会找到如何设置一个简单 Ceph 集群（包括元数据服务器，对象存储服务器和监视器）的信息。Ceph 填补了分布式存储中的空白，看到这个开源产品如何在未来演变也将会是很有趣的。
　　参考资料
　　学习

• Ceph 创建者的论文 “Ceph: A Scalable, High-Performance Distributed File System”（PDF）以及 Sage Weil 的 PhD 论文， “Ceph:>
  
• Storage Systems Research Center 的 PB 级存储网站 提供关于 Ceph 的其他技术信息。
  
• 访问 Ceph 主页，了解最新信息。
  
• “CRUSH: Controlled, Scalable, Decentralized Placement of Replicated Data”（PDF）和 “RADOS: A Scalable,>
  
• LWN.net 上的 “Ceph 文件系统” 提供了 Ceph 文件系统的试用（包括一系列有趣的评论）。
  
• “Building a Small Ceph Cluster” 介绍了如何构建一个 Ceph 集群，还有资产分配技巧。这篇文章让您明白如何获取 Ceph 资源，构建一个新的内核，然后部署 Ceph 生态环境的各种要素。
  
• 在 Paxos Wikipedia 页面，了解更多 Ceph 元数据服务器如何利用 Paxos 作为多个分布式实体间的一个共识协议的有关信息。
  
• 在 “Linux 虚拟系统文件交换器剖析”（developerWorks，2009 年 9 月）中，了解更多关于 VFS 的信息，VFS 是 Linux 包含的一个灵活机制，允许多个文件系统并存。
  
• 在 “下一代 Linux 文件系统：NiLFS(2) 和 exofs”（developerWorks，2009 年 10 月）中，了解更多关于 exofs —— 另一个使用对象存储的 Linux 文件系统 —— 的信息。exofs 将以对象存储设备为基础的存储映射到一个传统的 Linux 文件系统。
  
• 在 BTRFS 的内核 wiki 网站 和 “Linux 内核的发展”（developerWorks，2008 年 3 月）中，您可以了解如何在独立的对象存储节点上使用 BTRFS。
  
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