作為一名存儲(chǔ)行業(yè)的架構(gòu)師，我對(duì)文件系統(tǒng)情有獨(dú)鐘。這些系統(tǒng)用來(lái)存儲(chǔ)系統(tǒng)的用戶界面，雖然它們傾向于提供一系列類似的功能，但它們還能夠提供差異顯著的功能。Ceph 也不例外，它還提供一些您能在文件系統(tǒng)中找到的最有趣的功能。
Ceph 最初是一項(xiàng)關(guān)于存儲(chǔ)系統(tǒng)的 PhD 研究項(xiàng)目，由 Sage Weil 在 University of California, Santa Cruz（UCSC）實(shí)施。但是到了 2010 年 3 月底，您可以在主線 Linux 內(nèi)核（從 2.6.34 版開始）中找到 Ceph 的身影。雖然 Ceph 可能還不適用于生產(chǎn)環(huán)境，但它對(duì)測(cè)試目的還是非常有用的。本文探討了 Ceph 文件系統(tǒng)及其獨(dú)有的功能，這些功能讓它成為可擴(kuò)展分布式存儲(chǔ)的最有吸引力的備選。
Ceph 目標(biāo)
開發(fā)一個(gè)分布式文件系統(tǒng)需要多方努力，但是如果能準(zhǔn)確地解決問題，它就是無(wú)價(jià)的。Ceph 的目標(biāo)簡(jiǎn)單地定義為：
- 可輕松擴(kuò)展到數(shù) PB 容量
- 對(duì)多種工作負(fù)載的高性能（每秒輸入/輸出操作[IOPS]和帶寬）
- 高可靠性
不幸的是，這些目標(biāo)之間會(huì)互相競(jìng)爭(zhēng)（例如，可擴(kuò)展性會(huì)降低或者抑制性能或者影響可靠性）。Ceph 開發(fā)了一些非常有趣的概念（例如，動(dòng)態(tài)元數(shù)據(jù)分區(qū)，數(shù)據(jù)分布和復(fù)制），這些概念在本文中只進(jìn)行簡(jiǎn)短地探討。Ceph 的設(shè)計(jì)還包括保護(hù)單一點(diǎn)故障的容錯(cuò)功能，它假設(shè)大規(guī)模（PB 級(jí)存儲(chǔ)）存儲(chǔ)故障是常見現(xiàn)象而不是例外情況。最后，它的設(shè)計(jì)并沒有假設(shè)某種特殊工作負(fù)載，但是包括適應(yīng)變化的工作負(fù)載，提供最佳性能的能力。它利用 POSIX 的兼容性完成所有這些任務(wù)，允許它對(duì)當(dāng)前依賴 POSIX 語(yǔ)義（通過以 Ceph 為目標(biāo)的改進(jìn)）的應(yīng)用進(jìn)行透明的部署。最后，Ceph 是開源分布式存儲(chǔ)，也是主線 Linux 內(nèi)核（2.6.34）的一部分。
Ceph 架構(gòu)
現(xiàn)在，讓我們探討一下 Ceph 的架構(gòu)以及高端的核心要素。然后我會(huì)拓展到另一層次，說明 Ceph 中一些關(guān)鍵的方面，提供更詳細(xì)的探討。
Ceph 生態(tài)系統(tǒng)可以大致劃分為四部分（見圖 1）：客戶端（數(shù)據(jù)用戶），元數(shù)據(jù)服務(wù)器（緩存和同步分布式元數(shù)據(jù)），一個(gè)對(duì)象存儲(chǔ)集群（將數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)作為對(duì)象存儲(chǔ)，執(zhí)行其他關(guān)鍵職能），以及最后的集群監(jiān)視器（執(zhí)行監(jiān)視功能）。
圖 1. Ceph 生態(tài)系統(tǒng)的概念架構(gòu)
如圖 1 所示，客戶使用元數(shù)據(jù)服務(wù)器，執(zhí)行元數(shù)據(jù)操作（來(lái)確定數(shù)據(jù)位置）。元數(shù)據(jù)服務(wù)器管理數(shù)據(jù)位置，以及在何處存儲(chǔ)新數(shù)據(jù)。值得注意的是，元數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一個(gè)存儲(chǔ)集群（標(biāo)為 “元數(shù)據(jù) I/O”）。實(shí)際的文件 I/O 發(fā)生在客戶和對(duì)象存儲(chǔ)集群之間。這樣一來(lái)，更高層次的 POSIX 功能（例如，打開、關(guān)閉、重命名）就由元數(shù)據(jù)服務(wù)器管理，不過 POSIX 功能（例如讀和寫）則直接由對(duì)象存儲(chǔ)集群管理。
另一個(gè)架構(gòu)視圖由圖 2 提供。一系列服務(wù)器通過一個(gè)客戶界面訪問 Ceph 生態(tài)系統(tǒng)，這就明白了元數(shù)據(jù)服務(wù)器和對(duì)象級(jí)存儲(chǔ)器之間的關(guān)系。分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)可以在一些層中查看，包括一個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備的格式（Extent and B-tree-based Object File System [EBOFS] 或者一個(gè)備選），還有一個(gè)設(shè)計(jì)用于管理數(shù)據(jù)復(fù)制，故障檢測(cè)，恢復(fù)，以及隨后的數(shù)據(jù)遷移的覆蓋管理層，叫做 Reliable Autonomic Distributed Object Storage（RADOS）。最后，監(jiān)視器用于識(shí)別組件故障，包括隨后的通知。
圖 2. Ceph 生態(tài)系統(tǒng)簡(jiǎn)化后的分層視圖
Ceph 組件
了解了 Ceph 的概念架構(gòu)之后，您可以挖掘到另一個(gè)層次，了解在 Ceph 中實(shí)現(xiàn)的主要組件。Ceph 和傳統(tǒng)的文件系統(tǒng)之間的重要差異之一就是，它將智能都用在了生態(tài)環(huán)境而不是文件系統(tǒng)本身。
圖 3 顯示了一個(gè)簡(jiǎn)單的 Ceph 生態(tài)系統(tǒng)。Ceph Client 是 Ceph 文件系統(tǒng)的用戶。Ceph Metadata Daemon 提供了元數(shù)據(jù)服務(wù)器，而 Ceph Object Storage Daemon 提供了實(shí)際存儲(chǔ)（對(duì)數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)兩者）。最后，Ceph Monitor 提供了集群管理。要注意的是，Ceph 客戶，對(duì)象存儲(chǔ)端點(diǎn)，元數(shù)據(jù)服務(wù)器（根據(jù)文件系統(tǒng)的容量）可以有許多，而且至少有一對(duì)冗余的監(jiān)視器。那么，這個(gè)文件系統(tǒng)是如何分布的呢？
圖 3. 簡(jiǎn)單的 Ceph 生態(tài)系統(tǒng)
Ceph 客戶端
因?yàn)?Linux 顯示文件系統(tǒng)的一個(gè)公共界面（通過虛擬文件系統(tǒng)交換機(jī) [VFS]），Ceph 的用戶透視圖就是透明的。管理員的透視圖肯定是不同的，考慮到很多服務(wù)器會(huì)包含存儲(chǔ)系統(tǒng)這一潛在因素（要查看更多創(chuàng)建 Ceph 集群的信息，見 參考資料 部分）。從用戶的角度看，他們?cè)L問大容量的存儲(chǔ)系統(tǒng)，卻不知道下面聚合成一個(gè)大容量的存儲(chǔ)池的元數(shù)據(jù)服務(wù)器，監(jiān)視器，還有獨(dú)立的對(duì)象存儲(chǔ)設(shè)備。用戶只是簡(jiǎn)單地看到一個(gè)安裝點(diǎn)，在這點(diǎn)上可以執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)文件 I/O。
Ceph 文件系統(tǒng) — 或者至少是客戶端接口 — 在 Linux 內(nèi)核中實(shí)現(xiàn)。值得注意的是，在大多數(shù)文件系統(tǒng)中，所有的控制和智能在內(nèi)核的文件系統(tǒng)源本身中執(zhí)行。但是，在 Ceph 中，文件系統(tǒng)的智能分布在節(jié)點(diǎn)上，這簡(jiǎn)化了客戶端接口，并為 Ceph 提供了大規(guī)模（甚至動(dòng)態(tài)）擴(kuò)展能力。
Ceph 使用一個(gè)有趣的備選，而不是依賴分配列表（將磁盤上的塊映射到指定文件的元數(shù)據(jù)）。Linux 透視圖中的一個(gè)文件會(huì)分配到一個(gè)來(lái)自元數(shù)據(jù)服務(wù)器的 inode number（INO），對(duì)于文件這是一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)符。然后文件被推入一些對(duì)象中（根據(jù)文件的大?。?。使用 INO 和 object number（ONO），每個(gè)對(duì)象都分配到一個(gè)對(duì)象 ID（OID）。在 OID 上使用一個(gè)簡(jiǎn)單的哈希，每個(gè)對(duì)象都被分配到一個(gè)放置組。放置組（標(biāo)識(shí)為 PGID）是一個(gè)對(duì)象的概念容器。最后，放置組到對(duì)象存儲(chǔ)設(shè)備的映射是一個(gè)偽隨機(jī)映射，使用一個(gè)叫做 Controlled Replication Under Scalable Hashing（CRUSH）的算法。這樣一來(lái)，放置組（以及副本）到存儲(chǔ)設(shè)備的映射就不用依賴任何元數(shù)據(jù)，而是依賴一個(gè)偽隨機(jī)的映射函數(shù)。這種操作是理想的，因?yàn)樗汛鎯?chǔ)的開銷最小化，簡(jiǎn)化了分配和數(shù)據(jù)查詢。
分配的最后組件是集群映射。集群映射 是設(shè)備的有效表示，顯示了存儲(chǔ)集群。有了 PGID 和集群映射，您就可以定位任何對(duì)象。
Ceph 元數(shù)據(jù)服務(wù)器
元數(shù)據(jù)服務(wù)器（cmds）的工作就是管理文件系統(tǒng)的名稱空間。雖然元數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)兩者都存儲(chǔ)在對(duì)象存儲(chǔ)集群，但兩者分別管理，支持可擴(kuò)展性。事實(shí)上，元數(shù)據(jù)在一個(gè)元數(shù)據(jù)服務(wù)器集群上被進(jìn)一步拆分，元數(shù)據(jù)服務(wù)器能夠自適應(yīng)地復(fù)制和分配名稱空間，避免出現(xiàn)熱點(diǎn)。如圖 4 所示，元數(shù)據(jù)服務(wù)器管理名稱空間部分，可以（為冗余和性能）進(jìn)行重疊。元數(shù)據(jù)服務(wù)器到名稱空間的映射在 Ceph 中使用動(dòng)態(tài)子樹邏輯分區(qū)執(zhí)行，它允許 Ceph 對(duì)變化的工作負(fù)載進(jìn)行調(diào)整（在元數(shù)據(jù)服務(wù)器之間遷移名稱空間）同時(shí)保留性能的位置。
圖 4. 元數(shù)據(jù)服務(wù)器的 Ceph 名稱空間的分區(qū)
但是因?yàn)槊總€(gè)元數(shù)據(jù)服務(wù)器只是簡(jiǎn)單地管理客戶端人口的名稱空間，它的主要應(yīng)用就是一個(gè)智能元數(shù)據(jù)緩存（因?yàn)閷?shí)際的元數(shù)據(jù)最終存儲(chǔ)在對(duì)象存儲(chǔ)集群中）。進(jìn)行寫操作的元數(shù)據(jù)被緩存在一個(gè)短期的日志中，它最終還是被推入物理存儲(chǔ)器中。這個(gè)動(dòng)作允許元數(shù)據(jù)服務(wù)器將最近的元數(shù)據(jù)回饋給客戶（這在元數(shù)據(jù)操作中很常見）。這個(gè)日志對(duì)故障恢復(fù)也很有用：如果元數(shù)據(jù)服務(wù)器發(fā)生故障，它的日志就會(huì)被重放，保證元數(shù)據(jù)安全存儲(chǔ)在磁盤上。
元數(shù)據(jù)服務(wù)器管理 inode 空間，將文件名轉(zhuǎn)變?yōu)樵獢?shù)據(jù)。元數(shù)據(jù)服務(wù)器將文件名轉(zhuǎn)變?yōu)樗饕?jié)點(diǎn)，文件大小，和 Ceph 客戶端用于文件 I/O 的分段數(shù)據(jù)（布局）。
Ceph 監(jiān)視器
Ceph 包含實(shí)施集群映射管理的監(jiān)視器，但是故障管理的一些要素是在對(duì)象存儲(chǔ)本身中執(zhí)行的。當(dāng)對(duì)象存儲(chǔ)設(shè)備發(fā)生故障或者新設(shè)備添加時(shí)，監(jiān)視器就檢測(cè)和維護(hù)一個(gè)有效的集群映射。這個(gè)功能按一種分布的方式執(zhí)行，這種方式中映射升級(jí)可以和當(dāng)前的流量通信。Ceph 使用 Paxos，它是一系列分布式共識(shí)算法。
Ceph 對(duì)象存儲(chǔ)
和傳統(tǒng)的對(duì)象存儲(chǔ)類似，Ceph 存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)不僅包括存儲(chǔ)，還包括智能。傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)是只響應(yīng)來(lái)自啟動(dòng)者的命令的簡(jiǎn)單目標(biāo)。但是對(duì)象存儲(chǔ)設(shè)備是智能設(shè)備，它能作為目標(biāo)和啟動(dòng)者，支持與其他對(duì)象存儲(chǔ)設(shè)備的通信和合作。
從存儲(chǔ)角度來(lái)看，Ceph 對(duì)象存儲(chǔ)設(shè)備執(zhí)行從對(duì)象到塊的映射（在客戶端的文件系統(tǒng)層中常常執(zhí)行的任務(wù)）。這個(gè)動(dòng)作允許本地實(shí)體以最佳方式?jīng)Q定怎樣存儲(chǔ)一個(gè)對(duì)象。Ceph 的早期版本在一個(gè)名為 EBOFS 的本地存儲(chǔ)器上實(shí)現(xiàn)一個(gè)自定義低級(jí)文件系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一個(gè)到底層存儲(chǔ)的非標(biāo)準(zhǔn)接口，這個(gè)底層存儲(chǔ)已針對(duì)對(duì)象語(yǔ)義和其他特性（例如對(duì)磁盤提交的異步通知）調(diào)優(yōu)。今天，B-tree 文件系統(tǒng)（BTRFS）可以被用于存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，它已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了部分必要功能（例如嵌入式完整性）。
因?yàn)?Ceph 客戶實(shí)現(xiàn) CRUSH，而且對(duì)磁盤上的文件映射塊一無(wú)所知，下面的存儲(chǔ)設(shè)備就能安全地管理對(duì)象到塊的映射。這允許存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)復(fù)制數(shù)據(jù)（當(dāng)發(fā)現(xiàn)一個(gè)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)）。分配故障恢復(fù)也允許存儲(chǔ)系統(tǒng)擴(kuò)展，因?yàn)楣收蠙z測(cè)和恢復(fù)跨生態(tài)系統(tǒng)分配。Ceph 稱其為 RADOS（見 圖 3）。
其他有趣功能
如果文件系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和自適應(yīng)特性不夠，Ceph 還執(zhí)行一些用戶可視的有趣功能。用戶可以創(chuàng)建快照，例如，在 Ceph 的任何子目錄上（包括所有內(nèi)容）。文件和容量計(jì)算可以在子目錄級(jí)別上執(zhí)行，它報(bào)告一個(gè)給定子目錄（以及其包含的內(nèi)容）的存儲(chǔ)大小和文件數(shù)量。
Ceph 的地位和未來(lái)
雖然 Ceph 現(xiàn)在被集成在主線 Linux 內(nèi)核中，但只是標(biāo)識(shí)為實(shí)驗(yàn)性的。在這種狀態(tài)下的文件系統(tǒng)對(duì)測(cè)試是有用的，但是對(duì)生產(chǎn)環(huán)境沒有做好準(zhǔn)備。但是考慮到 Ceph 加入到 Linux 內(nèi)核的行列，還有其創(chuàng)建人想繼續(xù)研發(fā)的動(dòng)機(jī)，不久之后它應(yīng)該就能用于解決您的海量存儲(chǔ)需要了。
其他分布式文件系統(tǒng)
Ceph 在分布式文件系統(tǒng)空間中并不是唯一的，但它在管理大容量存儲(chǔ)生態(tài)環(huán)境的方法上是獨(dú)一無(wú)二的。分布式文件系統(tǒng)的其他例子包括 Google File System（GFS），General Parallel File System（GPFS），還有 Lustre，這只提到了一部分。Ceph 背后的想法為分布式文件系統(tǒng)提供了一個(gè)有趣的未來(lái)，因?yàn)楹Ａ考?jí)別存儲(chǔ)導(dǎo)致了海量存儲(chǔ)問題的唯一挑戰(zhàn)。
展望未來(lái)
Ceph 不只是一個(gè)文件系統(tǒng)，還是一個(gè)有企業(yè)級(jí)功能的對(duì)象存儲(chǔ)生態(tài)環(huán)境。在 參考資料 部分中，您將會(huì)找到如何設(shè)置一個(gè)簡(jiǎn)單 Ceph 集群（包括元數(shù)據(jù)服務(wù)器，對(duì)象存儲(chǔ)服務(wù)器和監(jiān)視器）的信息。Ceph 填補(bǔ)了分布式存儲(chǔ)中的空白，看到這個(gè)開源產(chǎn)品如何在未來(lái)演變也將會(huì)是很有趣的。
