一文参透分布式存储系统Ceph的架构设计、集群搭建（手把手）

一文参透分布式存储系统Ceph的架构设计、集群搭建（手把手）

Ceph概述

1.1 背景

Ceph是一个去中心化的分布式存储系统， 提供较好的性能、可靠性和可扩展性。Ceph项目最早起源于Sage就读博士期间的工作（最早的成果于2004年发表），并随后贡献给开源社区， 遵循LGPL协议（LESSER GENERAL PUBLIC LICENSE的简写，中文译为“较宽松公共许可证”）。在经过了数年的发展之后，目前已得到众多云计算厂商（OpenStack、CloudStack、OpenNebula、Hadoop）的支持并被广泛应用。

1.2 介绍

Ceph是一个可靠、自动重均衡、自动恢复的分布式存储系统，根据场景划分可以将Ceph分为三大块，分别是对象存储、块设备和文件系统服务。

Ceph的主要优点是分布式存储，在存储每一个数据时，都会通过计算得出该数据存储的位置，尽量将数据分布均衡，不存在传统的单点故障的问题，可以水平扩展。

Ceph存储集群至少需要一个Ceph Monitor和两个OSD守护进程。而运行Ceph文件系统客户端时，则必须要有元数据服务器（Metadata Server）。

1.3 特点

Ceph适合跨集群的小文件存储， 拥有以下特点：

高性能Client和Server直接通信， 不需要代理和转发；Client不需要负责副本的复制， 有Primary主节点负责， 这样可以有效降低clien网络的消耗;采用CRUSH算法，数据分布均衡，并行度高，支持上千个存储节点， 支持TB及PB级数据。高可用性数据多副本， 支持故障域分隔，数据强一致性；没有单点故障，较好的容错性， 有效支撑各种故障场景；支持所有故障的检测和自动恢复，可以做到自动化管理；支持并行恢复，能够极大的降低数据恢复时间， 提高数据的可靠性。高扩展性高度并行化设计，没有单个中心控制组件，所有负载都能动态的划分到各个服务器上。去中心化、灵活、随节点增加线性增长。场景丰富支持三种存储接口类型: 块存储、文件存储、对象存储。 同时支持自定义接口，C++为底层实现， 兼容多种语言。

块存储： 将磁盘空间映射给主机使用， 适用 docker容器、虚拟机磁盘存储分配；日志存储， 文件存储。文件存储： 解决块存储无法共享问题， 在服务器架设FTP和NFS服务器，适用目录结构的存储、日志存储等。对象存储： 大容量硬盘， 安装存储管理软件， 对外提供读写访问能力， 具备块存储的高速读写能力， 也具备文件存储共享的特性； 适用图片存储或视频存储。

1.4 分布式存储系统横纵对比

2. Ceph架构设计

2.1 Ceph整体设计

基础存储系统RADOSReliable, Autonomic,Distributed Object Store，即可靠的、自动化的、分布式的对象存储这就是一个完整的对象存储系统，所有存储在Ceph系统中的用户数据事实上最终都是由这一层来存储的。而Ceph的高可靠、高可扩展、高性能、高自动化等等特性本质上也是由这一层所提供的。基础库librados这层的功能是对RADOS进行抽象和封装，并向上层提供API，以便直接基于RADOS（而不是整个Ceph）进行应用开发。特别要注意的是，RADOS是一个对象存储系统，因此，librados实现的API也只是针对对象存储功能的。RADOS采用C++开发，所提供的原生librados API包括C和C++两种。高层应用接口这层包括了三个部分：RADOS GW（RADOS Gateway）、 RBD（Reliable Block Device）和Ceph FS（Ceph File System），其作用是在librados库的基础上提供抽象层次更高、更便于应用或客户端使用的上层接口。其中，RADOS GW是一个提供与Amazon S3和Swift兼容的RESTful API的gateway，以供相应的对象存储应用开发使用。RADOS GW提供的API抽象层次更高，但功能则不如librados强大。应用层这层是不同场景下对于Ceph各个应用接口的各种应用方式，例如基于librados直接开发的对象存储应用，基于RADOS GW开发的对象存储应用，基于RBD实现的云硬盘等等。librados和RADOS GW的区别在于，librados提供的是本地API，而RADOS GW提供的则是RESTfulAPI。由于Swift和S3支持的API功能近似，这里以Swift举例说明。Swift提供的API功能主要包括：

用户管理操作：用户认证、获取账户信息、列出容器列表等；容器管理操作：创建/删除容器、读取容器信息、列出容器内对象列表等；对象管理操作：对象的写入、读取、复制、更新、删除、访问许可设置、元数据读取或更新等。

2.2 逻辑架构

2.3 Ceph 专业术语

OSD: Ceph的对象存储设备，OSD守护进程的功能是存储数据，处理数据的复制、恢复、回填、再均衡，并通过检查其他OSD守护进程的心跳来向Ceph Monitors 提供一些监控信息。Monitors: Ceph监视器，Monitor维护着展示集群状态的各种图表，包括监视器图、OSD图、归置组（PG）图、和CRUSH图。PG：Ceph归置组，每个Object最后都会通过CRUSH计算映射到某个PG中，一个PG可以包含多个Object。MDS: Ceph元数据服务器（MDS），为Ceph文件系统存储元数据。CephFS: Ceph文件系统，CephFS提供了一个任意大小且兼容POSIX的分布式文件系统。RADOS: Reliable Autonomic Distributed Object Store，表示可靠、自动、分布式的对象存储。Ceph中的一切都是以对象形式存储，RADOS就负责存储这些对象，RADOS层确保数据一致性和可靠性。Librados：librados库是一种用来简化访问RADOS的方法，目前支持PHP、Python、Ruby、Java、C和C++语言。RBD：Ceph 的块设备，它对外提供块存储，可以被映射、格式化进而像其他磁盘一样挂载到服务器。RGW/RADOSGW：Ceph 对象网关，它提供了一个兼容S3和Swift的restful API接口。

3. Ceph集群部署配置

3.1 部署结构

虚拟机创建三台服务器，CENTOS版本为7.6， IP网段192.168.116.0/24。三台主机名称为：

CENTOS7-1: IP为192.168.116.141， 既做管理节点， 又做子节点。CENTOS7-2: IP为192.168.116.142， 子节点。CENTOS7-3: IP为192.168.116.143， 子节点。

3.2 系统配置

系统配置工作， 三台节点依次执行：

修改主机名称 [root@CENTOS7-1 ~]# vi /etc/hostname

CENTOS7-1

编辑hosts文件

192.168.116.141 CENTOS7-1192.168.116.142 CENTOS7-2192.168.116.143 CENTOS7-3

[Ceph]name=Ceph packages for $basearchbaseurl=noarch packages# 官方源#baseurl=清华源baseurl=source packagesbaseurl=安装ceph与ceph-deploy组件 ```sh yum update && yum -y install ceph ceph-deploy

安装完成， 如果执行ceph-deploy出现ImportError: No module named pkg_resources

安装python2-pip： yum -y install python2-pip

yum install epel-release -y

安装NTP时间同步工具

yum install ntp ntpdate ntp-doc -y

确保时区是正确， 设置开机启动：

systemctl enable ntpd

并将时间每隔1小时自动校准同步。编辑 vi /etc/rc.d/rc.local 追加：

/usr/sbin/ntpdate ntp1.aliyun.com > /dev/null 2>&1; /sbin/hwclock -w

配置定时任务, 执行crontab -e 加入：

0 */1 * * * ntpdate ntp1.aliyun.com > /dev/null 2>&1; /sbin/hwclock -w

3.3 免密码SSH登陆

官方建议不用系统内置用户， 创建名为ceph_user用户， 密码也设为ceph_user：

useradd -d /home/ceph_user -m ceph_userpasswd ceph_user

设置sudo权限

echo "ceph_user ALL = (root) NOPASSWD:ALL" | sudo tee /etc/sudoers.d/ceph_usersudo chmod 0440 /etc/sudoers.d/ceph_user

ssh-copy-id ceph_user@CENTOS7-1ssh-copy-id ceph_user@CENTOS7-2ssh-copy-id ceph_user@CENTOS7-3

修改管理节点上的​​~/.ssh/config​​ 文件， 简化SSH远程连接时的输入信息：管理节点是会有root和ceph_user多个用户， ssh远程连接默认会以当前用户身份进行登陆，如果我们是root身份进行远程连接， 还是需要输入密码， 我们想简化， 该怎么处理？切换root身份，

su root

修改~/.ssh/config 文件

Host CENTOS7-1 Hostname CENTOS7-1 User ceph_userHost CENTOS7-2 Hostname CENTOS7-2 User ceph_userHost CENTOS7-3 Hostname CENTOS7-3 User ceph_user

注意修改文件权限， 不能采用777最大权限：

chmod 600 ~/.ssh/config

进行ssh远程连接时， Host的主机名称是区分大小写的， 所以要注意配置文件的主机名称。开放端口， 非生产环境， 可以直接禁用防火墙：

systemctl stop firewalld.servicesystemctl disable firewalld.service

SELINUX设置SELinux设为禁用：

setenforce 0

永久生效： 编辑 vi /etc/selinux/config修改：

SELINUX=disabled

3.4 集群搭建配置

采用root身份进行安装

在管理节点创建集群配置目录，cd /usr/local：

mkdir ceph-clustercd ceph-cluster

注意： 此目录作为ceph操作命令的基准目录， 会存储处理配置信息。创建集群， 包含三台机器节点：

ceph-deploy new CENTOS7-1 CENTOS7-2 CENTOS7-3

创建成功后， 会生一个配置文件。如果接下来集群的安装配置出现问题， 可以执行以下命令清除， 再重新安装：

ceph-deploy purge CENTOS7-1 CENTOS7-2 CENTOS7-3ceph-deploy purgedata CENTOS7-1 CENTOS7-2 CENTOS7-3ceph-deploy forgetkeys

将三台节点的mon信息也删除

rm -rf /var/run/ceph/

修改配置文件， 有些配置后面需用到：

vi /usr/local/ceph-cluster/ceph.conf

加入：

[global]# 公网网络public network = 192.168.116.0/24# 设置pool池默认分配数量 默认副本数为3osd pool default size = 2# 容忍更多的时钟误差mon clock drift allowed = 2mon clock drift warn backoff = 30# 允许删除poolmon_allow_pool_delete = true[mgr]# 开启WEB仪表盘mgr modules = dashboard

第一项为副本数， 设为2份。第二项为对外IP访问网段，注意根据实际IP修改网段。第三、四项为允许一定时间的漂移误差。执行安装：

ceph-deploy install CENTOS7-1 CENTOS7-2 CENTOS7-3

如果出现错误：

ceph_deploy][ERROR ] RuntimeError: Failed to execute command: ceph --version

可以在各节点上单独进行安装：

yum -y install ceph

如果没有仓库文件ceph.repo， 按上面的步骤手工创建。初始monitor信息：

ceph-deploy mon create-initial## ceph-deploy --overwrite-conf mon create-initial

ceph-deploy admin CENTOS7-1 CENTOS7-2 CENTOS7-3

安装mgr(管理守护进程)， 大于12.x版本需安装， 我们装的是最新版，需执行：

ceph-deploy mgr create CENTOS7-1 CENTOS7-2 CENTOS7-3

ceph-deploy osd create --data /dev/sdb CENTOS7-2

三台节点都需分别依次执行。

ceph-deploy gatherkeys CENTOS7-1

验证节点：输入ceph health 或 ceph -s查看， 出现HEALTH_OK代表正常。

![file](如果出现错误:

[root@CENTOS7-1 ~]# ceph -s cluster: id: 0ec99aa9-e97e-43d3-b5b9-90eb21c4abff health: HEALTH_WARN 1 filesystem is degraded 1 osds down 1 host (1 osds) down Reduced data availability: 41 pgs inactive Degraded data redundancy: 134/268 objects degraded (50.000%), 22 pgs degraded, 87 pgs undersized 39 slow ops, oldest one blocked for 2286 sec, daemons [osd.0,mon.CENTOS7-2,mon.CENTOS7-3] have slow ops. clock skew detected on mon.CENTOS7-2, mon.CENTOS7-3 services: mon: 3 daemons, quorum CENTOS7-1,CENTOS7-2,CENTOS7-3 mgr: centos7-1(active), standbys: centos7-3, centos7-2 mds: fs_test-1/1/1 up {0=centos7-1=up:replay} osd: 3 osds: 1 up, 2 in data: pools: 9 pools, 128 pgs objects: 134 objects, 64 KiB usage: 1.0 GiB used, 19 GiB / 20 GiB avail pgs: 32.031% pgs unknown 134/268 objects degraded (50.000%) 65 active+undersized 41 unknown 22 active+undersized+degraded

在各节点执行命令, 确保时间同步一致:

ntpdate ntp1.aliyun.com

3.5 安装管理后台

开启dashboard模块

ceph mgr module enable dashboard

生成签名

ceph dashboard create-self-signed-cert

创建目录mkdir mgr-dashboard

[root@CENTOS7-1 mgr-dashboard]# pwd/usr/local/ceph-cluster/mgr-dashboard

生成密钥对

cd /usr/local/ceph-cluster/mgr-dashboard

openssl req -new -nodes -x509 -subj "/O=IT/CN=ceph-mgr-dashboard" -days 3650 -keyout dashboard.key -out dashboard.crt -extensions v3_ca

[root@CENTOS7-1 mgr-dashboard]# lltotal 8-rw-rw-r-- 1 ceph_user ceph_user 1155 Jul 14 02:26 dashboard.crt-rw-rw-r-- 1 ceph_user ceph_user 1704 Jul 14 02:26 dashboard.key

启动dashboard

ceph mgr module disable dashboardceph mgr module enable dashboard

设置IP与PORT

ceph config set mgr mgr/dashboard/server_addr 192.168.116.141ceph config set mgr mgr/dashboard/server_port 18843

关闭HTTPS

ceph config set mgr mgr/dashboard/ssl false

查看服务信息

[root@CENTOS7-1 ceph-cluster]# ceph mgr services{ "dashboard": "dashboard set-login-credentials admin admin

访问

3.6 创建Cephfs

集群创建完后， 默认没有文件系统， 我们创建一个Cephfs可以支持对外访问的文件系统。

ceph-deploy --overwrite-conf mds create CENTOS7-1 CENTOS7-2 CENTOS7-3

创建两个存储池, 执行两条命令：

ceph osd pool create cephfs_data 128ceph osd pool create cephfs_metadata 64

少于5个OSD可把pg_num设置为128OSD数量在5到10，可以设置pg_num为512OSD数量在10到50，可以设置pg_num为4096OSD数量大于50，需要计算pg_num的值通过下面命令可以列出当前创建的存储池：

ceph osd lspools

创建fs, 名称为fs_test:

ceph fs new fs_test cephfs_metadata cephfs_data

状态查看， 以下信息代表正常：

[root@CENTOS7-1 mgr-dashboard]# ceph fs lsname: fs_test, metadata pool: cephfs_metadata, data pools: [cephfs_data ]

[root@CENTOS7-1 mgr-dashboard]# ceph mds statfs_test-1/1/1 up {0=centos7-1=up:active}

附： 如果创建错误， 需要删除， 执行：

ceph fs rm fs_test --yes-i-really-mean-itceph osd pool delete cephfs_data cephfs_data --yes-i-really-really-mean-it

确保在ceph.conf中开启以下配置：

[mon]mon allow pool delete = true

采用fuse挂载先确定ceph-fuse命令能执行， 如果没有， 则安装：

yum -y install ceph-fuse

创建挂载目录

mkdir -p /usr/local/cephfs_directory

挂载cephfs

[root@node3 ~]# ceph-fuse -k /etc/ceph/ceph.client.admin.keyring -m 192.168.116.141:6789 /usr/local/cephfs_directoryceph-fuse[6687]: starting ceph client2019-07-14 21:39:09.644181 7fa5be56e040 -1 init, newargv = 0x7fa5c940b500 newargc=9ceph-fuse[6687]: starting fuse

查看磁盘挂载信息

[root@CENTOS7-1 mgr-dashboard]# df -hFilesystem Size Used Avail Use% Mounted on/dev/mapper/centos-root 38G 3.0G 35G 8% /devtmpfs 1.9G 0 1.9G 0% /devtmpfs 1.9G 0 1.9G 0% /dev/shmtmpfs 1.9G 20M 1.9G 2% /runtmpfs 1.9G 0 1.9G 0% /sys/fs/cgroup/dev/sda1 197M 167M 31M 85% /boottmpfs 378M 0 378M 0% /run/user/0tmpfs 1.9G 24K 1.9G 1% /var/lib/ceph/osd/ceph-0ceph-fuse 27G 0 27G 0% /usr/local/cephfs_directorytmpfs 378M 0 378M 0% /run/user/1000

/usr/local/cephfs_directory目录已成功挂载。

3.7 客户端连接验证(Rados Java)

安装好JDK、GIT和MAVEN。-rados java客户端源码

git clone rados-java]# pwd/usr/local/sources/rados-java

执行MAVEN安装, 忽略测试用例：

[root@CENTOS7-1 rados-java]# mvn install -Dmaven.test.skip=true

生成jar包， rados-0.7.0.jar

[root@CENTOS7-1 target]# ll总用量 104drwxr-xr-x 3 root root 17 8月 11 18:32 classesdrwxr-xr-x 2 root root 27 8月 11 18:32 dependenciesdrwxr-xr-x 3 root root 25 8月 11 18:32 generated-sourcesdrwxr-xr-x 2 root root 28 8月 11 18:32 maven-archiverdrwxr-xr-x 3 root root 35 8月 11 18:32 maven-status-rw-r--r-- 1 root root 105701 8月 11 18:32 rados-0.7.0.jar

创建软链接， 加入CLASSPATH

ln -s /usr/local/sources/rados-java/target/rados-0.7.0.jar /opt/jdk1.8.0_301/jre/lib/ext/rados-0.7.0.jar

安装jna

yum -y install jna

创建软链接

ln -s /usr/share/java/jna.jar /opt/jdk1.8.0_301/jre/lib/ext/jna.jar

查看

[root@CENTOS7-1 target]# ll /opt/jdk1.8.0_301/jre/lib/ext/jna.jarlrwxrwxrwx 1 root root 23 8月 11 19:00 /opt/jdk1.8.0_301/jre/lib/ext/jna.jar -> /usr/share/java/jna.jar

[root@CENTOS7-1 target]# ll /opt/jdk1.8.0_301/jre/lib/ext/rados-0.7.0.jarlrwxrwxrwx 1 root root 52 8月 11 18:59 /opt/jdk1.8.0_301/jre/lib/ext/rados-0.7.0.jar -> /usr/local/sources/rados-java/target/rados-0.7.0.jar

创建JAVA测试类CephClient类，注意， 最新版0.6的异常处理包位置已发生变化。

import com.ceph.rados.Rados;import com.ceph.rados.exceptions.*;import java.io.File;public class CephClient { public static void main (String args[]){ try { Rados cluster = new Rados("admin"); System.out.println("Created cluster handle."); File f = new File("/etc/ceph/ceph.conf"); cluster.confReadFile(f); System.out.println("Read the configuration file."); cluster.connect(); System.out.println("Connected to the cluster."); } catch (RadosException e) { System.out.println(e.getMessage() + ": " + e.getReturnValue()); } }}

运行验证需要在linux环境下运行，且要在client节点。编译并运行：

[root@CENTOS7-1 sources]# javac CephClient.java [root@CENTOS7-1 sources]# java CephClientCreated cluster handle.Read the configuration file.Connected to the cluster.

成功与ceph建立连接。注意：如果java和javac版本不同，可以使用rpm -qa |grep java 进行查找， rpm -e --nodeps jdk进行删除，source /etc/profile进行生效jdk的位数为64位

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