Ceph分布式存储的简单介绍与Ceph集群的部署搭建

（Reliab1e，Autonomic，Distributed object store）即可靠的、自动化的、分布式的对象存储

RADOS是Ceph最底层的功能模块，是一个无限可扩容的对象存储服务，能将文件拆解成无数个对象（碎片）存放在硬盘中，大大提高了数据的稳定性。
它主要由OSD和Monitor两个组件组成，OSD和Monitor都可以部署在多台服务器中，这就是ceph分布式的由来，高扩展性的由来。

2.3.2 LIBRADOS 基础库

Librados提供了与RADOS进行交互的方式，并向上层应用提供Ceph服务的API接口，因此上层的RBD、RGW和CephFS都是通过Librados访问的，目前提供PHP、Ruby、Java、Python、Go、C和C++支持，以便直接基于RADOS（而不是整个Ceph）进行客户端应用开发。

2.3.3 高层应用接口：包括了三个部分

1. 对象存储接口 RGW（RADOS Gateway）
   网关接口，基于Librados开发的对象存储系统，提供S3和Swift兼容的RESTful API接口。

2. 块存储接口 RBD（Reliable Block Device）
   基于Librados提供块设备接口，主要用于Host/VM。

3. 文件存储接口 CephFS（Ceph File System）
   Ceph文件系统，提供了一个符合POSIX标准的文件系统，它使用Ceph存储集群在文件系统上存储用户数据。基于Librados提供的分布式文件系统接口。

2.3.4 应用层

基于高层接口或者基础库Librados开发出来的各种APP，或者Host、VM等诸多客户端

2.4 Ceph 的核心组件

Ceph是一个对象式存储系统，它把每一个待管理的数据流（如文件等数据）切分为一到多个固定大小（默认4兆）的对象数据（Object），并以其为原子单元（原子是构成元素的最小单元）完成数据的读写

2.4.1 OSD（Object Storage Daemon，守护进程 ceph-osd）

是负责物理存储的进程，一般配置成和磁盘一一对应，一块磁盘启动一个OSD进程。主要功能是存储数据、复制数据、平衡数据、恢复数据，以及与其它OSD间进行心跳检查，负责响应客户端请求返回具体数据的进程等。通常至少需要3个OSD来实现冗余和高可用性。

2.4.2 PG（Placement Group 归置组）

PG 是一个虚拟的概念而已，物理上不真实存在。它在数据寻址时类似于数据库中的索引：Ceph 先将每个对象数据通过HASH算法固定映射到一个 PG 中，然后将 PG 通过 CRUSH 算法映射到 OSD。

2.4.3 Pool

Pool 是存储对象的逻辑分区，它起到 namespace 的作用。每个 Pool 包含一定数量（可配置）的 PG。Pool 可以做故障隔离域，根据不同的用户场景统一进行隔离。

Pool中数据保存方式支持两种类型：
●多副本（replicated）：类似 raid1，一个对象数据默认保存 3 个副本，放在不同的 OSD
●纠删码（Erasure Code）：类似 raid5，对 CPU 消耗稍大，但是节约磁盘空间，对象数据保存只有 1 个副本。由于Ceph部分功能不支持纠删码池，此类型存储池使用不多

Pool、PG 和 OSD 的关系：
一个Pool里有很多个PG；一个PG里包含一堆对象，一个对象只能属于一个PG；PG有主从之分，一个PG分布在不同的OSD上（针对多副本类型）
1
2
3
4
5
6

2.4.4 Monitor（守护进程 ceph-mon）

用来保存OSD的元数据。负责维护集群状态的映射视图（Cluster Map：OSD Map、Monitor Map、PG Map 和 CRUSH Map），维护展示集群状态的各种图表， 管理集群客户端认证与授权。一个Ceph集群通常至少需要 3 或 5 个（奇数个）Monitor 节点才能实现冗余和高可用性，它们通过 Paxos 协议实现节点间的同步数据。

2.4.5 Manager（守护进程 ceph-mgr）

负责跟踪运行时指标和 Ceph 集群的当前状态，包括存储利用率、当前性能指标和系统负载。为外部监视和管理系统提供额外的监视和接口，例如 zabbix、prometheus、 cephmetrics 等。一个 Ceph 集群通常至少需要 2 个 mgr 节点实现高可用性，基于 raft 协议实现节点间的信息同步。

2.4.6 MDS（Metadata Server，守护进程 ceph-mds）

是 CephFS 服务依赖的元数据服务。负责保存文件系统的元数据，管理目录结构。对象存储和块设备存储不需要元数据服务；如果不使用 CephFS 可以不安装。

2.5 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。

2.5.1 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。

2.5.2 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 的主要功能包括：
1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
1
2
3
4
5
6
7

2.6 Ceph 数据的存储过程

1. 客户端从 mon 获取最新的 Cluster Map

2. 在 Ceph 中，一切皆对象。Ceph 存储的数据都会被切分成为一到多个固定大小的对象（Object）。Object size 大小可以由管理员调整，通常为 2M 或 4M。

每个对象都会有一个唯一的 OID，由 ino 与 ono 组成：
ino ：即是文件的 FileID，用于在全局唯一标识每一个文件
ono ：则是分片的编号

OID 的好处是可以唯一标示每个不同的对象，并且存储了对象与文件的从属关系。由于 Ceph 的所有数据都虚拟成了整齐划一的对象，所以在读写时效率都会比较高。
1
2
3
4
5

3. 通过对 OID 使用 HASH 算法得到一个16进制的特征码，用特征码与 Pool 中的 PG 总数取余，得到的序号则是 PGID 。

4. PG 会根据设置的副本数量进行复制，通过对 PGID 使用 CRUSH 算法算出 PG 中目标主和次 OSD 的 ID，存储到不同的 OSD 节点上（其实是把 PG 中的所有对象存储到 OSD 上）。

2.7 Ceph 集群部署方式

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。

2.8 Ceph 的使用场景

1. 存储集群全采用万兆网络
2. 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
3. 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）
4. OSD 使用 SATA 亦可
5. 根据容量规划集群
6. 至强E5 2620 V3或以上 CPU，64GB或更高内存
7. 集群主机分散部署，避免机柜的电源或者网络故障

3. 基于 ceph-deploy方式 部署 Ceph 集群

3.1 前置准备

由于是测试环境，可以让多个组件运行在同一个主机上。

业务网络：puplic network

集群网络：cluster network

3.2 部署前置环境

3.2.1 关闭防火墙和selinux策略

#所有节点服务器
systemctl disable --now firewalld
setenforce 0
sed -i 's/enforcing/disabled/' /etc/selinux/config
1
2
3
4

3.2.2 修改主机名，创建管理用户

hostnamectl set-hostname admin
hostnamectl set-hostname node01
hostnamectl set-hostname node02
hostnamectl set-hostname node03
hostnamectl set-hostname client
1
2
3
4
5

3.2.3 修改本地hosts文件，添加域名映射

cat >> /etc/hosts << EOF
192.168.67.100 admin
192.168.67.101 node01
192.168.67.102 node02
192.168.67.103 node03
192.168.67.104 client
EOF
1
2
3
4
5
6
7

3.2.4 安装常用软件和依赖包

yum -y install epel-release
#安装epel仓库

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
#安装依赖环境
#如果安装失败可能网有点卡，试试重新安装
1
2
3
4
5
6

3.2.5 在 admin 管理节点配置所有节点的 ssh 免密登录

ssh-keygen -t rsa -P '' -f ~/.ssh/id_rsa
1

sshpass -p '123123' ssh-copy-id -o StrictHostKeyChecking=no root@admin

sshpass -p '123123' ssh-copy-id -o StrictHostKeyChecking=no root@node01

sshpass -p '123123' ssh-copy-id -o StrictHostKeyChecking=no root@node02

sshpass -p '123123' ssh-copy-id -o StrictHostKeyChecking=no root@node03
1
2
3
4
5
6
7

3.2.6 各节点配置时间同步（必做）

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
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

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 crond
systemctl restart crond

#关闭无关服务
systemctl disable --now postfix
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11

3.2.7 配置 Ceph yum源

wget https://download.ceph.com/rpm-nautilus/el7/noarch/ceph-release-1-1.el7.noarch.rpm --no-check-certificate
#下载 Ceph 存储系统的 RPM 安装包

rpm -ivh ceph-release-1-1.el7.noarch.rpm --force
#rpm安装ceph存储系统
1
2
3
4
5

3.2.8 组件节点服务器配置双网卡

#node1 node2 node3 
poweroff
然后添加网卡

#添加完成后，修改新网卡的IP地址
#不需要网关和dns
##以node1为例##
cd /etc/sysconfig/network-scripts/

cp ifcfg-ens33 ifcfg-ens36

vim ifcfg-ens36
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12

#修改完成后，重启服务
systemctl restart network

#然后通过scp，传输配置文件，修改
scp ./ifcfg-ens36 192.168.67.102:/etc/sysconfig/network-scripts/

scp ./ifcfg-ens36 192.168.67.103:/etc/sysconfig/network-scripts/
1
2
3
4
5
6
7

3.3 部署Ceph集群

3.3.1 为所有节点创建 Ceph 工作目录

后续的工作都在该目录下进行

mkdir -p /etc/ceph
1

3.3.2 安装 ceph-deploy 部署工具

#管理节点
cd /etc/ceph

yum install -y ceph-deploy
#安装

ceph-deploy --version
#查看工具版本
1
2
3
4
5
6
7
8

3.3.3 在管理节点为其它节点安装 Ceph 软件包

#ceph-deploy 2.0.1 默认部署的是 mimic 版的 Ceph，若想安装其他版本的 Ceph，可以用 --release 手动指定版本
cd /etc/ceph
ceph-deploy install --release nautilus node0{1..3} admin


yum clean all
yum -y install epel-release
yum -y install yum-plugin-priorities
yum -y install ceph-release ceph ceph-radosgw
#ceph-deploy install 本质就是在执行下面的命令：


#也可采用手动安装 Ceph 包方式，在其它节点上执行下面的命令将 Ceph 的安装包都部署上：
sed -i 's#download.ceph.com#mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/ceph#' /etc/yum.repos.d/ceph.repo
yum install -y ceph-mon ceph-radosgw ceph-mds ceph-mgr ceph-osd ceph-common ceph
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15

3.3.4 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 192.168.67.0/24 --cluster-network 192.168.100.0/24 node01 node02 node03
1
2
3

#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
1
2
3
4
5
6

3.3.5 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
1
2
3
4

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
1
2
3
4
5
6

#命令执行成功后会在 /etc/ceph 下生成配置文件
ls /etc/ceph
1
2

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
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20

#在 mon 节点上查看自动开启的 mon 进程
ps aux | grep ceph
1
2

#在管理节点查看 Ceph 集群状态
cd /etc/ceph
ceph -s
1
2
3

ceph quorum_status --format json-pretty | grep leader
#查看 mon 集群选举的情况
1
2

#注：扩容 mon 节点
ceph-deploy mon add <节点名称>
1
2

3.3.6 部署能够管理 Ceph 集群的节点（可选）

#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
1
2
3
4
5
6

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
1
2

#在 mon 任意节点上查看
ls /etc/ceph


ceph -s
1
2
3
4
5

3.3.7 部署 osd 存储节点

node01 node02 node03 添加硬盘

echo "- - -" >/sys/class/scsi_host/host0/scan
echo "- - -" >/sys/class/scsi_host/host1/scan
echo "- - -" >/sys/class/scsi_host/host2/scan
#刷新虚拟机的三给端口，依次显示新加的硬盘
1
2
3
4

#主机添加完硬盘后不要分区，直接使用
lsblk 

#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
1
2
3
4
5
6
7
8

#在管理节点，为node1 2 3 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
1
2
3
4

#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

#添加 OSD 中会涉及到 PG 的迁移
#由于此时集群并没有数据，因此 health 的状态很快就变成 OK
#如果在生产环境中添加节点则会涉及到大量的数据的迁移。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12

#查看osd状态
ceph osd stat
或
ceph osd tree
1
2
3
4

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


- `id`: OSD的唯一标识符。
- `host`: OSD所在的主机名
- `used`: OSD已使用的存储容量。
- `avail`: OSD可用的存储容量。
- `wr ops`: OSD每秒写入操作的数量。
- `wr data`: OSD每秒写入数据的数量。
- `rd ops`: OSD每秒读取操作的数量。
- `rd data`: OSD每秒读取数据的数量。
- `state`: OSD的状态，"exists"表示OSD存在，"up"表示OSD正常运行。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12

ceph osd df    #查看 osd 容量，需部署 mgr 后才能执行

- `ID`: OSD的唯一标识符。
- `CLASS`: OSD的存储类别。
- `WEIGHT`: OSD的权重。
- `REWEIGHT`: OSD的重新加权比例。
- `SIZE`: OSD的总存储容量。
- `RAW USE`: OSD当前使用的原始存储容量。
- `DATA`: OSD数据存储使用量。
- `OMAP`: OSD的OMAP（Object Map）数据存储使用量。
- `META`: OSD元数据存储使用量。
- `AVAIL`: OSD可用的存储容量。
- `%USE`: OSD使用率百分比。
- `VAR`: OSD使用率方差。
- `PGS`: OSD分布的PG（Placement Group）数量。
- `STATUS`: OSD的状态，"up"表示OSD正常运行。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16

3.3.8 部署 mgr 节点

在管理节点上操作

#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

#查看 ceph 集群状态
ceph -s
1
2
3
4
5
6
7
8

#解决 HEALTH_WARN 
#问题：mons are allowing insecure global_id reclaim
1
2

ceph config set mon auth_allow_insecure_global_id_reclaim false
#禁用不安全模式

ceph -s
#再次查看
1
2
3
4
5

#注：扩容 mgr 节点
ceph-deploy mgr create <节点名称>
1
2

3.3.9 开启监控模块

#在 ceph-mgr Active节点执行命令开启
#active状态的节点 用ceph -s查看
ceph -s | grep mgr
1
2
3

#在node01执行
#安装监控模块
yum install -y ceph-mgr-dashboard

cd /etc/ceph

ceph mgr module ls | grep dashboard
1
2
3
4
5
6
7

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

ceph config set mgr mgr/dashboard/ssl false
#禁用 dashboard 的 ssl 功能
1
2
3
4
5

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

ceph mgr module disable dashboard
ceph mgr module enable dashboard --force
#重启 dashboard
1
2
3
4
5
6
7

ceph mgr services
#确认访问 dashboard 的 url
1
2

#设置 dashboard 账户以及密码
#方式一
echo "123456" > dashboard_passwd.txt
ceph dashboard set-login-credentials admin -i dashboard_passwd.txt


#方式二
ceph dashboard ac-user-create admin administrator -i dashboard_passwd.txt
1
2
3
4
5
6
7
8

浏览器访问：http://192.168.67.101:8000 
账号密码为 admin/123456
1
2