Ceph分布式存储系统研究.pdf

2023 年第 6 期38科技、经济、市场技术平台Ceph分布式存储系统研究武 枫（汉江师范学院，湖北 十堰 442000）摘 要：当前分布式存储技术发展迅猛，各式各样的分布式存储系统层出不穷，然而大多仍基于主从架构设计的思想。文章首先介绍了Ceph这一开源的、去中心化设计的分布式存储系统；其次基于特定版本的Ceph源码，对Ceph系统中OSD模块的读写流程进行了分析；最后基于搭建的Ceph系统，对该系统进行读写的压力测试，分析了各种因素下Ceph读取数据时的I/O性能，以期为今后在生产环境部署和使用Ceph时提供实验数据方面的论证。关键词：分布式存储系统；Ceph；去中心化；性能测试0 引言近年来，随着信息化技术的不断发展及其在各行各业的深入融合，数据量和计算量呈几何倍的增长态势，单机瓶颈的现象日益突出。在当下大数据信息时代，如果不具备处理和分析海量数据的能力，则企业无法通过获取更多有价值的数据创造更多利润。面对这一现象，众多的分布式计算框架和分布式存储系统如雨后春笋般涌现。目前，主流分布式存储系统，如hadoop分布式文件系统（Hadoop Distribute File system，HDFS）等都采用主从架构的设计思想，在这种方式下，用户访问数据时虽然是多对多的直接访问，但元数据的查询与访问请求仍集中在少数元数据服务器上，成为了限制整个系统性能的瓶颈。针对此问题，一款开源的无中心化设计思想的分布式文件系统Ceph提出了解决方案。通过可控的、可扩展的、分布式的副本数据放置算法（Controlled Scalable Decentralized Placement of Replicated Data，CRUSH）计算数据存储的地址，对象的元数据分布在各台物理机，其扁平化的寻址设计使得Ceph客户端可以和存储集群中的任意节点进行通信，从而解决了主从架构模型存在的缺陷。正是Ceph分布式文件系统的特性，使得它一经发布就得到了学术界和工业界的广泛支持。1 Ceph简介Ceph是一个提供了块存储、文件存储、对象存储3种存储方式的高度统一的分布式存储系统，允许用户自己选择所需的方式存储数据。此外，Ceph不仅是一款开源的软件使用免费，而且具有高可靠性，提供Web管理界面，拥有组织管理海量数据的能力且易于扩展，允许成千上万的客户端访问PB级甚至更高级别数据，能够在各种“云”上运行，对硬件无特殊的需求，可以运行在没有厂商锁定的普通硬件上，从软件层上满足企业的各种存储需求。一个Ceph集群（Ceph Storage Cluster）由大量的Ceph节点（Ceph Node）构成，集群通过各节点之间的相互通信保证系统的动态复制和数据迁移。Ceph的逻辑架构见图1。图1 Ceph逻辑架构图（1）Ceph最底层是基础存储系统（Reliable,Aut-onomic Distributed Object Store，RADOS），它是由大量存储节点组成的一个可靠的自主分布式对象存储基金项目：汉江师范学院科学研究计划项目“基于spark技术的学生课堂行为分析与检测研究”（课题编号：XJ2021001102）。科技、经济、市场2023 年第 6 期39技术平台集群系统，简称RADOS。（2）LIBRADOS是基础库，它位于RADOS的上一层，该层负责对RADOS层进行封装，提供了大量灵活操作底层RADOS的接口。（3）LIBRADOS层的上面就是应用接口层，该层提供了3种接口，用于满足不同用户在不同场景下的业务需求。（4）最上层是应用层，该层适用于不同场景下对Ceph各个应用接口的各种应用访问。例如：兼容S3和Swift接口协议的对象存储访问，基于RBD的云主机访问、基于CephFS的文件存储等。2 OSD读写流程Ceph系统的librados提供了面向对象的高度封装的读写接口，并在此基础上实现了文件的读写流程。本小节基于Ceph源码的方式追踪Ceph在对象存储设备（Object Storage Device，OSD）模块的读写流程（见图2）。图2 Ceph读写流程在rbd上 处 理 完 毕 后，OSD模 块 的ms_fast_dispatch作为接受message的入口函数，会负责检查service服务，并将message封装成oprequest。此外，还会获取session信息和集群最新的osdmap。随后，dispatch_session_waiting函数会循环依次处理队列waiting_on_map中的元素，处理逻辑是将这些元素和OSDmap进行对比，获取他们的pgid，然后调用enqueue_op函数处理。enqueue_op函数会更新osdmap并调用do_request从而进入PG处理流程。do_request函数负责检查PG状态，根据消息类型进行不同处理。下一步是处理find_object_context函数，该函数主要根据不同情况调用PrimaryLogPG:get_object_context函数获取对象上下文。最后通过execute_ctx函数检查对象状态、获取上下文相关信息，并调用prepare_transaction函数将操作封装至事务中，调用相关的读写函数。prepare_transaction函数通过do_osd_ops生成原始op对应的PG事务，op针对head对象操作通过make_writeable检查是否需要预先执行克隆操作，同时execute_ctx函数还会通过创建repop回调函数在数据处理完毕后进行收尾工作。提交事务后，交由filestore进行处理。3 读写性能测试3.1 Ceph平台部署学校大数据与云计算实验室机房的服务器作为硬件资源，使用其中3台服务器搭建Ceph存储系统，分别命名为node21、node22和node29，并且安装CephL版本（12.2.12）。由于3台服务器都是性能较高的真实服务器，为了充分验证Ceph集群的高可靠性，本实验在3台服务器上均部署了Monitor服务进程和Manager服务。同时，为了验证Cephfs的存储，同样部署了MDS集群（见图3）。每台服务器挂载3个磁盘运行3个OSD进程，其中，node21上的manger和 元 数 据 服 务（Metadata Server，MDS）为 活 跃 状态，node22和node29上 的manger与MDS服 务 作 为热备，处于Standby状态。图3 Ceph集群架构3.2 Ceph读写性能测试针对上述搭建的Ceph集群，使用fio测试工具对其进行读写压力测试，测试文件系统每秒进行输入输出操作（Input/Output Operations Per Second，IOPS）。本次实验通过编写linux脚本代码自动化运行fio的测试命令，分别测试在不同的io引擎、单次块文件不同大小、不同I/O队列深度和不同的线程下整个存储2023 年第 6 期40科技、经济、市场技术平台系统的读、随机读、写、随机写4种情况下的吞吐量。测试一共分为2轮进行，测试方案见表1。为了使测试结果更加贴近真实的生产环境，测试过程中使用Linux命令对服务器的内存进行压缩，缩至标准PC机的性能，其他存储设备缓存均已绕过。表1 Ceph读写性能测试指标第一轮测试第二轮测试ioengineLibaio/psynclibaiobs4K4K/64k/256k/2M/4Miodepth1/321numjob1/101/4/8/16Obs,stripe_unit,stripe_count4M-4M-1/4M-1M-44m-4m-13.3 测试结果和结论由第一轮测试和第二轮测试的结果对比可知，当其他因变量一致，选择不同的I/O引擎时，可以看出使用内存的libaio引擎的cephfs读写速度要比不使用内存direct引擎的读写速度快许多；在其他条件一样的情况下，提高块尺寸（Block Size，BS）的大小能够提升读写性能，而且对读性能的提升要高于写的性能提升。其中，BS大小在1M-2M时读写性能表现得最好，说明Ceph最适合读写此区间的文件；针对条带化参数obs、stripe_unit和stripe_count这组参数测试后发现，采用cephfs默认的（4M-4M-1）读写性能最好。图4显示的一组实验是当使用blocksize的大小为2M时，分别使用1、4、8、16个线程在写、随机写、读、随机读4种I/O操作时的IOPS大小。图4 4种读写模式在不同线程下的IOPS大小4 结束语数据存储需求的爆炸式增长，促进了各种分布存储技术的迅猛发展，相对于主流分布式存储系统HDFS这类主从架构设计的缺陷，作为一种去中心化的分布式对象存储系统，Ceph没有所谓的主节点，用户直接和各数据节点通信，不仅具有高可靠性和高可用性，同时还拥有更强的横向扩展能力。此处不仅对Ceph分布式存储系统的架构进行了介绍，还基于CephL版本（12.2.12）的源码，对Ceph OSD流程中的读写进行了深入探究。在搭建含有3个节点的Ceph集群上，使用fio测试工具对其读写性能进行测试，测试结果表明：Ceph分布式存储系统不仅具有高可靠性和高可用性，还丰富了数据访问方式，读写性能也能够满足常用需求，可以作为未来数据中心的存储方案之一。参考文献：1 张晓,张思蒙,石佳,等.Ceph分布式存储系统性能优化技术研究综述 J.计算机科学,2021,48(2):1-12.2 陈晓丹,庞双龙,曾德生,等.Ceph存储系统在云计算环境中的应用 J.电子技术,2020,49(8):40-42.3 夏畅.Ceph分布式存储技术研究与设计 J.网络安全和信息化,2021,6(6):93-96.4 夏亚楠,王勇.Ceph存储系统中节点的容错选择算法 J.桂林电子科技大学学报,2022,42(5):384-390.5 曹晓裴.面向分布式存储系统Ceph的遥感影像瓦片存储及其关键技术 D.杭州:浙江大学,2020.6 黄遵祥,朱磊基,熊勇.一种基于双控节点的Ceph写性能优化方法 J.中国科学院大学学报,2022,39(6):817-826.7 余春雷,王娥,刘星等.图因子分解的故障节点快速修复J.计算机系统应用,2023,32(2):394-399.8 刘张榕,余根坚.融合Ethereum和IPFS加密算法的分布式数据存储传输研究 J.佳木斯大学学报(自然科学版),2022,40(6):47-50,133.9 王琪,张嘉政,刘文奇.一种基于区块链技术的公安执法电子证据系统的设计与实现 J.智能系统学报,2022,17(6):1182-1193.10 张兴军,梁宁静,刘云飞,等.SA-RSR：一种适用于异或类纠删码分布式存储系统的数据读取最优恢复方法（英文）J.Frontiers of Information Technology&Electronic Engineering,2022,23(6):858-876.