每天5分钟复习OpenStack（十）Ceph 架构

在很多关于Ceph的文章中，通常会介绍一堆概念。虽然这些概念很重要，但是对于一个新手来说，同时接受太多的概念实际上很难消化。因此，在阅读本章节时要保持轻松的心情，只需要对所有的概念有个了解就可以了，因为这些概念在接下来的Ceph章节中都会被反复提到。

1、Ceph是什么？

“Ceph is a unified, distributed storage system designed for excellent performance, reliability and scalability.”这句话说出了Ceph的特性，它是可靠的、可扩展的、统一的、分布式的存储系统。Ceph可以同时提供对象存储RADOSGW（Reliable、Autonomic、Distributed、Object Storage Gateway）、块存储RBD（Rados Block Device）、文件系统存储Ceph FS（Ceph Filesystem）3种功能。

可靠性，因为它使用数据冗余和容错机制来保护数据的完整性和可靠性。它将数据分散存储在多个存储节点上，通过数据复制和数据恢复技术来避免数据丢失。即使一个存储节点发生故障，数据仍然可以通过其他节点进行访问和恢复。（ceph 是支持多种冗余级别的最小称为盘级别冗余）
可扩展性，因为它使用了分布式存储架构。它可以通过增加存储节点，来扩展存储容量和性能。每个节点都可以平行处理和存储数据，因此可以线性地增加整个系统的存储容量和吞吐量。这种可扩展性使得Ceph非常适合处理大规模数据存储和处理需求。
统一性：因为它提供了多种存储功能，包括对象存储、块存储和文件系统存储。这些不同类型的存储可以在同一个Ceph集群中同时存在，并且可以根据不同的应用需求进行灵活部署和管理。这种统一性简化了存储架构和管理，并且提供了更好的灵活性和应用兼容性。
分布式：因为它将数据分散存储在多个节点上，并且通过网络连接实现节点之间的通信和数据传输。每个节点都可以独立处理和存储数据，没有单点故障，并且可以进行横向扩展。分布式架构提供了高可用性、高性能和灵活性，并且使得Ceph能够适应各种应用场景和规模

2、三种存储类型

文件存储：文件存储是一种以文件为单位进行数据存储的方式。在文件存储中，数据以文件的形式存储在文件系统中，可以通过文件名或路径来进行访问和管理。文件存储适用于存储相对较小的文件，并提供了对文件的完整控制和管理，例如读取、写入、修改和删除文件。常见的文件存储如NFS。其最常见的用途就是可以多用户同时挂载后，同时进行读写操作。

为什么我们需要文件存储，有块存储不就够了吗？

在回答这个问题之前，让我们先讨论一下数据库。在数据库等系统中，无论是主从还是多主架构，都面临着数据不一致的问题。主从架构下，备库的数据会延迟于主库，而多主从架构下，如果数据是分布式存放的，则请求只能发送到相应的节点，如果是非分布式存放的，则会有多份数据，导致集群的整体利用率不高。

试想一下，如果我们能将数据只存放一份，其在本质上就解决了在不同节点上数据不一致的问题，我们可以采用类似NFS的架构，将一个目录映射到多个数据库节点上，而多个数据库实例实际上请求的都是同一份数据原文件。此时利用的就是文件存储能支持多用户同时挂载和读写。

块存储是否就不支持多用户同时读写了？

块存储也支持多用户同时读写，但是需要通过适当的权限控制和管理来确保数据的一致性和安全性，也就是说需要自行解决数据一致性问题。
块存储

块存储是一种以块（通常是固定大小的数据块）为单位进行数据存储的方式。在块存储中，数据以块的形式存储在独立的存储设备上，每个块都有唯一的标识符。块存储将数据划分为相对较小且固定大小的块，这些块可以根据需要进行读取、写入和修改。块存储适用于需要随机读写访问的应用，如数据库、虚拟机和操作系统。块存储可以理解为一个磁盘或分区，在linux 系统中此类设备被映射为一个块类型的文件。如下图中的类型为b(block)

ll /dev/sda

brw-rw---- 1 root disk 8, 0 Nov 13 17:53 /dev/sda

而对块设备如果用mkfs.xfs 或 mkfs.ext4 等命令执行文件系统初始化后就是一个文件系统设备。

对象存储 对象存储以对象形式存储数据，每个对象都有唯一的标识符。对象通常包含数据本身以及与其相关的元数据。云存储服务如Amazon S3和OpenStack Swift就是典型的对象存储系统。当你上传照片到云相册或者将文件存储到云端时，这些数据都会以对象的形式存储。每个对象都有一个唯一的标识符，比如URL或者API密钥。

ceph自身是一个对象存储，其能提供对象存储我们能理解，为什么其还能提供块存储和文件存储了？

通用的 RADOS 存储结构和可靠的分布式存储技术。通过统一接口可以更好地处理各种数据类型，以及整合其他存储服务的优势，从而提供块存储和对象存储和文件存储三种存储功能。

3 、 Ceph的逻辑分层

Ceph 官方给的逻辑架构如下图

可以总结为两部分，一个集群、一个客户端。集群就是底层的RADOS集群。客户端就是在RADOS集群之上，利用librados 编程接口的进一步抽象。其本质都是RADOS集群的客户端。

3.1、客户端

如果说RADOS集群是一个具备自我修复等特性，提供了一个可靠、自动、智能的分布式存储，那用户怎么使用他了？因此RADOS提供了供librados库，允许应用程序直接访问，支持C/C++、Java和Python等语言。

那是否有一个librados库就可以被用户直接访问到了，理论上只需要调用其库就可以使用DADOS集群。

但是又有多少人有能力直接用编程能力去访问RADOS集群了。

因此在librados库基础上做了进一步的封装，针对主流的块存储使用提供了 RBD，针对文件存储使用提供Ceph FS ,基于当前流行的RESTful协议的网关，并且兼容S3和Swift，提供了radosgw 。

因为无论是librados、rdb radosgw Ceph fs 都是RADOS的客户端。

3.2 、RADOS集群

一个最小化的RADOS集群只有三个组件 MON 和MGR 和 OSD ，其系统架构如下

看到这可能有小伙伴会说不对把，不是应该还有mds吗？

先说mds，其主要功能就给文件存储提供元数据索引的，如果我们Ceph集群不需要文件存储，就不需要mds组件了。

3.3 RADOS集群组件

mon: Ceph Monitor是负责监视整个群集的运行状况的，这些信息都是由维护集群成员的守护程序来提供的，如各个节点之间的状态、集群配置信息。Ceph monitor map包括OSD Map、PG Map、MDS Map和CRUSH等，这些Map被统称为集群Map。这五张map可以说代表了mon的大部分功能。
MGR：Ceph ManagerMGR 承载了许多辅助功能，如监控、报告和资源分配。现在，Ceph Manager Daemon 更多地实现了监视、管理及一些自动化任务，包括维护集群元数据、系统故障检测等。它可以实现跨多个 Ceph 组件的自动容灾和调度，提高整个系统的稳定性和可靠性。
OSD: OSD是Ceph的对象存储守护进程。它负责存储数据，处理数据复制、恢复、重新平衡，并通过检查其他守护进程是否有故障来向Ceph Monitor提供一些监控信息。每个存储服务器（存储节点）运行一个或多个OSD守护进程，通常每个磁盘存储设备对应一个OSD守护进程

总结：一个集群需要被访问，总需是先需要一个认证功能，认证之后将用户的请求调度到后端真正的服务，这个过程就是mon的功能，因为其是分布式的存储，其靠Paxos算法来保证数据一致性。为了集群的稳定，mon维护了集群的map。 mgr则更多是提供监控和辅助功能来减轻mon的负担，osd则是数据真正的存放位置。

在上文中我们说过Ceph集群是无中心节点的分布式存储，那其是怎么做到了？

一切的一切都是靠计算，简单的说就是真正的数据存储在那个osd上，其是靠计算出来，而非查询元数据节点查询出来的。这个计算的过程就是CRUSH算法。关于CRUSH算法我们将在后面章节来讨论，这里我们了解Ceph集群的结构，下一章我们将手动部署一套最小化的Ceph集群来体验下Ceph存储的使用。