Ceph分布式文件系统

1.存储基础

单机DAS存储设备

DAS

NAS

SAN

单机存储的问题

分布式存储

分布式存储的类型

2.Ceph简介

Ceph优势

Ceph架构

Ceph组件

OSD(ceph-osd)

Monitor(ceph-mon)

Manager(ceph-mgr)

MDS(ceph-mds)

PG(归置组)

Pool(存储池/资源池/数据池)

OSD 存储后端

Filestore

Bluestore

BlueStore的主要功能

Ceph数据的存储过程

Ceph版本发行生命周期

Ceph集群部署

3.基于ceph-deploy部署Ceph集群

在admin管理节点配置ssh免密登录

配置时间同步(所有主机)

配置Ceph yum源（所有主机）

生成初始配置

在管理节点初始化mon节点

部署能够管理Ceph集群的节点

部署mgr节点

部署osd存储节点

开启监控模块

1.存储基础

单机DAS存储设备

DAS

直接附加存储，是直接接到计算机的主板总线上去的存储
IDE、SATA、SCSI、SAS、USB 接口的磁盘
所谓接口就是一种存储设备驱动下的磁盘设备，提供块级别的存储

NAS

网络附加存储，是通过网络附加到当前主机文件系统之上的存储
NFS、CIFS、FTP
文件系统级别的存储，本身就是一个做好的文件系统，通过nfs接口在用户空间输出后，客户端基于内核模块与远程主机进行网络通信，把它转为好像本地文件系统一样来使用，这种存储服务是没办法对它再一次格式化创建文件系统块的

SAN

存储区域网络
SCSI协议（只是用来传输数据的存取操作，物理层使用SCSI线缆来传输）、FCSAN（物理层使用光纤来传输）、iSCSI（物理层使用以太网来传输）
是一种网络存储，但不同之处在于SAN提供给客户端主机使用的接口是块级别的存储

单机存储的问题

存储处理能力不足

传统的IDE的IO值是100次/秒，SATA固态磁盘500次/秒，固态硬盘达到2000-4000次/秒。即使磁盘的IO能力再大数十倍，也不够抗住网站访问高峰期数十万、数百万甚至上亿用户的同时访问，这同时还要受到主机网络IO能力的限制。

存储空间能力不足

单块磁盘的容量再大，也无法满足用户的正常访问所需的数据容量限制。

单点故障问题

单机存储数据存在单点故障问题

分布式存储

Ceph、TFS、FastDFS、MooseFS（MFS）、HDFS、GlusterFS（GFS）
存储机制会把数据分散存储到多个节点上，具有高扩展性、高性能、高可用性等优点。

分布式存储的类型

块存储

存储设备和客户端主机是一对一的关系，块存储设备只能被一个主机挂载使用，数据以块为单位进行存储的。
典型代表：硬盘

文件存储

一对多，能被多个主机同时挂载或传输使用，数据以文件的形式存储的，其中文件的元信息数据和实际数据是分开存储的，并且有目录的层级关系。
典型代表：NFS、CIFS、FTP + 文件服务器、NAS

对象存储

一对多，能被多个主机或应用程序同时通过API接口访问使用，数据以文件的形式存储的，一个文件即是一个对象(object)，文件的元信息数据和实际数据是在一起的。
典型代表：OSS（阿里云） S3（AWS亚马逊云） OBS（华为云）

2.Ceph简介

Ceph使用C++语言开发，是一个开放、自我修复和自我管理的开源分布式存储系统。具有高扩展性、高性能、高可靠性的优点。
存储机制：把数据分散存储到多个节点上
特点：具有高扩展性、高性能、高可靠性，还集块存储、文件存储、对象存储功能于一身

Ceph优势

高扩展性：去中心化，支持使用普通X86服务器，支持上千个存储节点的规模，支持TB到EB级的扩展。
高可靠性：没有单点故障，多数据副本，自动管理，自动修复。
高性能：摒弃了传统的集中式存储元数据寻址的方案，采用 CRUSH 算法，数据分布均衡，并行度高。
功能强大：Ceph是个大一统的存储系统，集块存储接口（RBD）、文件存储接口（CephFS）、对象存储接口（RadosGW）于一身，因而适用于不同的应用场景。

Ceph架构

客户端（主机/虚拟机/容器/应用程序APP）：在Ceph中进行数据读写的终端。

LibRADOS对象访问接口：提供访问存储接口给客户端使用。Ceph默认提供三个接口：RBD块存储接口、RGW对象存储接口、CephFS文件存储接口。还支持用户使用java、python、C、C++等编程语言二次开发自定义访问接口。

RADOS基础存储系统（统一存储池）：提供存储能力的。Ceph中一切都是以对象(object)形式存储的。RADOS就是负责存储这些对象的，并保证数据的一致性和可靠性。

Ceph组件

OSD(ceph-osd)

负责存储数据和管理数据，一般一个磁盘对应一个OSD，还负责响应客户端的读写请求

Monitor(ceph-mon)

负责保存OSD的元数据，维护Ceph集群状态的各种映射视图Map(监控全局状态)，还负责管理客户端的认证和授权

Manager(ceph-mgr)

负责跟踪Ceph集群性能状态和监控指标，暴露接口给外部监控系统获取监控指标数据

MDS(ceph-mds)

负责保存CephFS文件存储系统的元数据，管理目录结构，仅在使用CephFS文件存储接口功能的时候使用

PG(归置组)

可理解成保存OSD位置的索引，一个PG可以包含多个数据对象(object)，一个数据对象只能设置一个PG

Pool(存储池/资源池/数据池)

可理解成存放PG的命名空间namespace，一个Pool可有包含多个PG，同一个Pool里的PG不可以同名，不同的Pool里的PG可以同名

raft paxos 都是一致性选举算法实现在分布式系统中数据的同步和leader的选举

OSD 存储后端

OSD 有两种方式管理它们存储的数据。在 Luminous 12.2.z 及以后的发行版中，默认（也是推荐的）后端是 BlueStore。在 Luminous 发布之前，默认是 FileStore，也是唯一的选项。

Filestore

FileStore是在Ceph中存储对象的一个遗留方法。它依赖于一个标准文件系统（只能是XFS)，并结合一个键/值数据库（传统上是LevelDB，现在BlueStore是RocksDB），用于保存和管理元数据。
FileStore经过了良好的测试，在生产中得到了广泛的应用。然而，由于它的总体设计和对传统文件系统的依赖，使得它在性能上存在许多不足。

Bluestore

BlueStore是一个特殊用途的存储后端，专门为OSD工作负载管理磁盘上的数据而设计。BlueStore 的设计是基于十年来支持和管理 Filestore 的经验。BlueStore 相较于 Filestore，具有更好的读写性能和安全性。

BlueStore的主要功能

BlueStore直接管理存储设备，即直接使用原始块设备或分区管理磁盘上的数据。这样就避免了抽象层的介入（例如本地文件系统，如XFS)，因为抽象层会限制性能或增加复杂性。
BlueStore使用RocksDB进行元数据管理。RocksDB的键/值数据库是嵌入式的，以便管理内部元数据，包括将对象名称映射到磁盘上的块位置。
写入BlueStore的所有数据和元数据都受一个或多个校验和的保护。未经验证，不会从磁盘读取或返回给用户任何数据或元数据。
支持内联压缩。数据在写入磁盘之前可以选择性地进行压缩。
支持多设备元数据分层。BlueStore允许将其内部日志（WAL预写日志）写入单独的高速设备（如SSD、NVMe或NVDIMM)，以提高性能。如果有大量更快的可用存储，则可以将内部元数据存储在更快的设备上。
支持高效的写时复制。RBD和CephFS快照依赖于在BlueStore中有效实现的即写即复制克隆机制。这将为常规快照和擦除编码池（依赖克隆实现高效的两阶段提交）带来高效的I/O。

Ceph数据的存储过程

文件默认会按照4M大小进行分片成一个或多个数据对象(object)
每个数据对象都有一个oid（由文件ID(ino)和分片编号(ono)组成），通过对oid使用HASH算法得到一个16进制的特征码，再除以Pool中的PG总数取余，获取到数据对象的pgid（整体由poolid+pgid组成）
通过对pgid使用CRUSH算法得到PG对应的OSD的ID，如果是多副本，则是主从OSD的ID（注：PG与OSD的对应关系是在创建存储池Pool的时候就确定好的）
将数据对象存储到对应的OSD里

Ceph版本发行生命周期

eph从Nautilus版本（14.2.0）开始，每年都会有一个新的稳定版发行，预计是每年的3月份发布，每年的新版本都会起一个新的名称（例如，“Mimic”）和一个主版本号（例如，13代表Mimic，因为“M”是字母表的第13个字母）。

版本号的格式为 x.y.z，x 表示发布周期（例如，13 代表 Mimic，17 代表 Quincy），y 表示发布版本类型，即

x.0.z ：y等于 0，表示开发版本
x.1.z ：y等于 1，表示发布候选版本（用于测试集群）
x.2.z ：y等于 2，表示稳定/错误修复版本（针对用户）

Ceph集群部署

目前 Ceph 官方提供很多种部署 Ceph 集群的方法，常用的分别是 ceph-deploy，cephadm 和二进制：

ceph-deploy ：一个集群自动化部署工具，使用较久，成熟稳定，被很多自动化工具所集成，可用于生产部署。
cephadm ：从 Octopus 和较新的版本版本后使用 cephadm 来部署 ceph 集群，使用容器和 systemd 安装和管理 Ceph 集群。目前不建议用于生产环境。
二进制：手动部署，一步步部署 Ceph 集群，支持较多定制化和了解部署细节，安装难度较大。

3.基于ceph-deploy部署Ceph集群

Ceph 生产环境推荐

存储集群全采用万兆网络
集群网络（cluster-network，用于集群内部通讯）与公共网络（public-network，用于外部访问Ceph集群）分离
mon、mds 与 osd 分离部署在不同主机上（测试环境中可以让一台主机节点运行多个组件）
OSD 使用 SATA 亦可
根据容量规划集群
至强E5 2620 V3或以上 CPU，64GB或更高内存
集群主机分散部署，避免机柜的电源或者网络故障

实验准备：

主机名				Public网络				Cluster网络				角色
admin				192.168.88.22									admin（管理节点负责集群整体部署）、client
node01				192.168.88.40			192.168.100.11			mon、mgr、osd（/dev/sdb、/dev/sdc、/dev/sdd）
node02				192.168.88.13			192.168.100.12			mon、mgr、osd（/dev/sdb、/dev/sdc、/dev/sdd）
node03				192.168.88.11			192.168.100.13			mon、osd（/dev/sdb、/dev/sdc、/dev/sdd）
client				192.168.88.50									client

systemctl stop firewalld
setenforce 0

根据规划设置主机名
hostnamectl set-hostname admin
hostnamectl set-hostname node01
hostnamectl set-hostname node02
hostnamectl set-hostname node03
hostnamectl set-hostname client

配置 hosts 解析
cat >> /etc/hosts << EOF
192.168.88.22 admin
192.168.88.40 node01
192.168.88.13 node02
192.168.88.31 node03
192.168.88.50 client
EOF

安装常用软件和依赖包（所有节点）
yum -y install epel-release
yum -y install yum-plugin-priorities yum-utils ntpdate python-setuptools python-pip gcc gcc-c++ autoconf libjpeg libjpeg-devel libpng libpng-devel freetype freetype-devel libxml2 libxml2-devel zlib zlib-devel glibc glibc-devel glib2 glib2-devel bzip2 bzip2-devel zip unzip ncurses ncurses-devel curl curl-devel e2fsprogs e2fsprogs-devel krb5-devel libidn libidn-devel openssl openssh openssl-devel nss_ldap openldap openldap-devel openldap-clients openldap-servers libxslt-devel libevent-devel ntp libtool-ltdl bison libtool vim-enhanced python wget lsof iptraf strace lrzsz kernel-devel kernel-headers pam-devel tcl tk cmake ncurses-devel bison setuptool popt-devel net-snmp screen perl-devel pcre-devel net-snmp screen tcpdump rsync sysstat man iptables sudo libconfig git bind-utils tmux elinks numactl iftop bwm-ng net-tools expect snappy leveldb gdisk python-argparse gperftools-libs conntrack ipset jq libseccomp socat chrony sshpass

在admin管理节点配置ssh免密登录

ssh-keygen -t rsa -P '' -f ~/.ssh/id_rsa
sshpass -p '123' ssh-copy-id -o StrictHostKeyChecking=no root@admin
sshpass -p '123' ssh-copy-id -o StrictHostKeyChecking=no root@node01
sshpass -p '123' ssh-copy-id -o StrictHostKeyChecking=no root@node02
sshpass -p '123' ssh-copy-id -o StrictHostKeyChecking=no root@node03

配置时间同步(所有主机)

systemctl enable --now chronyd
timedatectl set-ntp true					#开启 NTP
timedatectl set-timezone Asia/Shanghai		#设置时区
chronyc -a makestep							#强制同步下系统时钟
timedatectl status							#查看时间同步状态
chronyc sources -v							#查看 ntp 源服务器信息
timedatectl set-local-rtc 0					#将当前的UTC时间写入硬件时钟

#重启依赖于系统时间的服务
systemctl restart rsyslog 
systemctl restart crond

#关闭无关服务
systemctl disable --now postfix

配置Ceph yum源（所有主机）

wget https://download.ceph.com/rpm-nautilus/el7/noarch/ceph-release-1-1.el7.noarch.rpm --no-check-certificate

rpm -ivh ceph-release-1-1.el7.noarch.rpm --force

为所有节点都创建一个 Ceph 工作目录，后续的工作都在该目录下进行
mkdir -p /etc/ceph

安装 ceph-deploy 部署工具
cd /etc/ceph
yum install -y ceph-deploy

ceph-deploy --version

所有节点安装 Ceph 软件包
yum clean all
yum -y install epel-release
yum -y install yum-plugin-priorities
yum -y install ceph-release ceph ceph-radosgw

生成初始配置

#在管理节点运行下述命令，告诉 ceph-deploy 哪些是 mon 监控节点
cd /etc/ceph
ceph-deploy new --public-network 192.168.88.0/24 --cluster-network 192.168.100.0/24 node01 node02 node03

#命令执行成功后会在 /etc/ceph 下生成配置文件
ls /etc/ceph
ceph.conf					#ceph的配置文件
ceph-deploy-ceph.log		#monitor的日志
ceph.mon.keyring			#monitor的密钥环文件

在管理节点初始化mon节点

cd /etc/ceph
ceph-deploy mon create node01 node02 node03			#创建 mon 节点，由于 monitor 使用 Paxos 算法，其高可用集群节点数量要求为大于等于 3 的奇数台

ceph-deploy --overwrite-conf mon create-initial		#配置初始化 mon 节点，并向所有节点同步配置
													# --overwrite-conf 参数用于表示强制覆盖配置文件

ceph-deploy gatherkeys node01						#可选操作，向 node01 节点收集所有密钥

#命令执行成功后会在 /etc/ceph 下生成配置文件
ls /etc/ceph
ceph.bootstrap-mds.keyring			#引导启动 mds 的密钥文件
ceph.bootstrap-mgr.keyring			#引导启动 mgr 的密钥文件
ceph.bootstrap-osd.keyring			#引导启动 osd 的密钥文件
ceph.bootstrap-rgw.keyring			#引导启动 rgw 的密钥文件
ceph.client.admin.keyring			#ceph客户端和管理端通信的认证密钥，拥有ceph集群的所有权限
ceph.conf
ceph-deploy-ceph.log
ceph.mon.keyring

#在 mon 节点上查看自动开启的 mon 进程
ps aux | grep ceph

#在管理节点查看 Ceph 集群状态
cd /etc/ceph
ceph -s

#查看 mon 集群选举的情况
ceph quorum_status --format json-pretty | grep leader
"quorum_leader_name": "node01",

#扩容 mon 节点
ceph-deploy mon add <节点名称>

部署能够管理Ceph集群的节点

#可实现在各个节点执行 ceph 命令管理集群
cd /etc/ceph
ceph-deploy --overwrite-conf config push node01 node02 node03		#向所有 mon 节点同步配置，确保所有 mon 节点上的 ceph.conf 内容必须一致

ceph-deploy admin node01 node02 node03			#本质就是把 ceph.client.admin.keyring 集群认证文件拷贝到各个节点

#在 mon 节点上查看
ls /etc/ceph
ceph.client.admin.keyring  ceph.conf  rbdmap  tmpr8tzyc

cd /etc/ceph
ceph -s

部署mgr节点

#ceph-mgr守护进程以Active/Standby模式运行，可确保在Active节点或其ceph-mgr守护进程故障时，其中的一个Standby实例可以在不中断服务的情况下接管其任务。根据官方的架构原则，mgr至少要有两个节点来进行工作。
cd /etc/ceph
ceph-deploy mgr create node01 node02

#解决 HEALTH_WARN 问题：mons are allowing insecure global_id reclaim问题：
禁用不安全模式：ceph config set mon auth_allow_insecure_global_id_reclaim false

部署osd存储节点

#如果是利旧的硬盘，则需要先擦净（删除分区表）磁盘（可选，无数据的新硬盘可不做）
cd /etc/ceph
ceph-deploy disk zap node01 /dev/sdb
ceph-deploy disk zap node02 /dev/sdb
ceph-deploy disk zap node03 /dev/sdb

#添加 osd 节点
ceph-deploy --overwrite-conf osd create node01 --data /dev/sdb
ceph-deploy --overwrite-conf osd create node02 --data /dev/sdb
ceph-deploy --overwrite-conf osd create node03 --data /dev/sdb

#查看 ceph 集群状态
ceph -s
ceph osd stat
ceph osd tree
rados df
ssh root@node01 systemctl status ceph-osd@0
ssh root@node02 systemctl status ceph-osd@1
ssh root@node03 systemctl status ceph-osd@2

#查看 osd 状态，需部署 mgr 后才能执行
ceph osd status 

#查看 osd 容量，需部署 mgr 后才能执行
ceph osd df 

#扩容 osd 节点
cd /etc/ceph
ceph-deploy --overwrite-conf osd create node01 --data /dev/sdc
ceph-deploy --overwrite-conf osd create node02 --data /dev/sdc
ceph-deploy --overwrite-conf osd create node03 --data /dev/sdc
ceph-deploy --overwrite-conf osd create node01 --data /dev/sdd
ceph-deploy --overwrite-conf osd create node02 --data /dev/sdd
ceph-deploy --overwrite-conf osd create node03 --data /dev/sdd

开启监控模块

#在 ceph-mgr Active节点执行命令开启
ceph -s | grep mgr
yum install -y ceph-mgr-dashboard
cd /etc/ceph
ceph mgr module ls | grep dashboard

#开启 dashboard 模块
ceph mgr module enable dashboard --force

#禁用 dashboard 的 ssl 功能
ceph config set mgr mgr/dashboard/ssl false

#配置 dashboard 监听的地址和端口
ceph config set mgr mgr/dashboard/server_addr 0.0.0.0
ceph config set mgr mgr/dashboard/server_port 8000

#重启 dashboard
ceph mgr module disable dashboard
ceph mgr module enable dashboard --force

#确认访问 dashboard 的 url
ceph mgr services

#设置 dashboard 账户以及密码
echo "123" > dashboard_passwd.txt
ceph dashboard set-login-credentials admin -i dashboard_passwd.txt
  或
ceph dashboard ac-user-create admin administrator -i dashboard_passwd.txt

浏览器访问：http://192.168.88.40:8000 ，账号密码为 admin/123