基于Ceph对象存储构建实践

一、存储发展

数据存储是人类永恒的话题和不断探索的主题

• 绳结记事 原始社会，文字未发明之前 ，人们所使用的一种记事方法，在绳子上打结记事。
• 穿孔卡 穿孔卡片是始于20世纪的主要存储方法，也是最早的机械化信息存储形式，进入20世纪60年代后，逐渐被其他存储手段取代。目前穿孔卡片已经极少使用，除非用于读出当年存储的历史数据。
• 磁鼓存储器 20世纪50年代，磁鼓作为内存储器应用于IBM 650。在后续的IBM 360/91和DEC PDP-11中，磁鼓也用作交换区存储和页面存储。磁鼓的代表性产品是IBM 2301固定头磁鼓存储器。磁鼓是利用铝鼓筒表面涂覆的磁性材料来存储数据的。鼓筒旋转速度很高，因此存取速度快。它采用饱和磁记录，从固定式磁头发展到浮动式磁头，从采用磁胶发展到采用电镀的连续磁介质。这些都为后来的磁盘存储器打下了基础。 磁鼓最大的缺点是存储容量太小。一个大圆柱体只有表面一层用于存储，而磁盘的两面都可用来存储，显然利用率要高得多。因此，当磁盘出现后，磁鼓就被淘汰了。
• 磁带 磁带是从1951年起被作为数据存储设备使用的，磁带是所有存储媒体中单位存储成本最低、容量最大、标准化程度最高的常用存储介质之一。从 20 世纪 70 年代后期到 80 年代出现了小型的盒式磁带，长度为 90 分钟的磁带每一面可以记录大约 660KB的数据。
• 软盘 软盘发明于1969年，直径是8英寸，单面容量80KB。4年后，5.25英寸、容量为320KB的软盘诞生了。软盘的发展趋势是盘片直径越来越小，而容量却越来越大，可靠性也越来越高。图2-10是三种典型的软盘，其中a为不同外观尺寸的软盘，b中3.5英寸软盘的容量为1.44MB，曾经作为主要的移动存储介质被广泛使用。到了20世纪90年代后期，出现了容量为250MB的3.5英寸软盘产品，但由于兼容性、可靠性、成本等原因，并未被广泛使用，如今已难寻踪迹。
• 光盘 早期光盘主要用于电影行业，第一张光盘于1987年进入市场， 直径为30cm，每一面可以记录60分钟的音视频。
• 硬盘存储器 第一款硬盘驱动器是IBM Model 350 Disk File， 于 1956 年制造，包含了 50 张 24 英寸的盘片，总容量不到5MB，机械硬盘发展至今，单盘容量已经超过16T了 。

二、存储的三种方式

2.1 块存储

2.1.1 DAS

直接附加存储（Directed Attached Storage，DAS） 作为一种最简单的外接存储方式，通过数据线直接连接在各种服务器或客户端扩展接口上。它本身是硬件的堆叠，不带有任何存储操作系统，因而也不能独立于服务器对外提供存储服务。DAS常见的形式是外置磁盘阵列，通常的配置就是RAID控制器+一堆磁盘。DAS方便安装、成本较低的特性使其特别适合于对存储容量要求不高、服务器数量较少的中小型数据中心。

2.1.2 SAN

存储区域网络（Storage Area Network，简称SAN），SAN默认指FC-SAN，SAN存储有两种结构：

1. FC-SAN 典型的SAN利用光纤通道（Fiber Channel，FC）技术连接节点，并使用光纤通道交换机（FC Switch）提供网络交换。不同于通用的数据网络，存储区域网络中的数据传输基于FC协议栈。在FC协议栈之上运行的SCSI协议提供存储访问服务。与之相对的iSCSI存储协议，则提供了一种低成本的替代方式，即将SCSI协议运行于TCP/IP协议栈之上。为了区别这两种存储区域网络，前者通常称为FC-SAN，后者称为IP-SAN。
2. IP-SAN 由于FC-SAN的高成本，人们就开始考虑构建基于以太网技术的存储网络，使得的iSCSI可以实现在IP网络上运行SCSI协议。但是在SAN中，传输的指令是 SCSI的读写指令，不是IP数据包。iSCSI（互联网小型计算机系统接口）是一种在TCP/IP上进行数据块传输的标准。它是由Cisco和IBM两家发起的，并且得到了各大存储厂商的大力支持。iSCSI可以实现在IP网络上运行SCSI协议，使其能够在诸如高速千兆以太网上进行快速的数据存取备份操作。为了与之前基于光纤技术的FC-SAN区分开来，这种技术被称为IP-SAN。

优点

• 高性能，集中化的管理，稳定性和安全性得到保障

缺点

• 成本昂贵，磁盘阵列的兼容性限制了设备选择空间及资源共享

2.2 NAS存储

图片来源：redhat官网

Network Attached Storage 网络附加存储，采用 NFS 或 CIFS 协议访问数据，以文件为传输协议，通过 TCP/IP实现网络化存储，可扩展性好、价格便宜、用户易管理，如目前在集群计算中应用较多的NFS文件系统。

优点

• 造价成本低，有一个服务器，装上网络文件存储软件，就可以提供给其他服务器挂载访问。
• 文件级的数据共享

缺点

• 读写速率低

2.3 对象存储

块存储读写快、不利于数据共享，文件存储数据共享方便、但是读写慢，能否弄一个读写快而且可以共享数据的存储，于是对象存储就诞生了。块存储和文件存储是我们比较熟悉的两种主流的存储类型，而对象存储（Object-based Storage）是一种新的网络存储架构。

2.3.1 3个核心概念

1、对象

对象是对象存储中的最小单元，比如照片就是一个对象，对象由元数据信息(MataData，包含Length，lastModify等），用户数据(Data)，用户自定义的数据信息（拍摄者、拍摄设备等）和文件名（Key）组成。

2、存储桶

作为存放对象的容器

3、用户

对象存储的使用者，存储桶的拥有者，每个用户使用AccessKeyId 和 SecretAccessKey对称加密的方法来验证某个请求的发送者身份。

2.3 对象存储适合存什么

用来存海量非结构化数据的，对象存储将数据以对象的方式存储，而不是以传统的文件和数据块的形式存储，每个对象都要存储数据、元数据和一个唯一的标识符。

• 图片
• 视频
• 音频
• 文档
• 代码js/html

缺点

• 应用代码需要改动，无法修改对象，需要一次性完整写入

优点

• 无限扩容

三、基于Ceph的对象存储构建实践

3.1 什么是Ceph

加州大学 Santa Cruz 分校的 Sage Weil(DreamHost 的联合创始人)博士论文设计的新一代自由软件分布式文件系统。软件定义存储(Software Defined Storage, SDS)，统一的存储解决方案，提供了三种存储方式：块存储、文件存储、对象存储。Ceph的架构如下：

图片来源：Ceph官网

3.2 Ceph组件

• Ceph Monitor(监视器，简称Mon) Mon通过保存一份集群状态映射来的维护整个集群的健康状态。它分别为每个组件维护映射信息。所有集群节点都向Mon节点汇报状态信息。
• RADOS (Reliable Autonomix Distributed Object Store)，是存储集群的基础。在Ceph中所有的数据都是以对象的形式存储，RADOS就负责存这些数据，不考虑它们的类型。
• Ceph对象存储设备OSD Ceph 分布式对象存储系统的对象存储守护进程。它负责把对象存储到本地文件系统，并使之通过网络可访问。
• RADOS网关(RGW) 提供了兼容Amazon S3和OpenStack对象存储API(Swift)的restful API接口。支持多租户和OpenStack Keystone身份验证。
• MDS(Ceph元数据服务器) 为CephFS跟踪文件层次结构和存储元数据。
• librados librados库为PHP，Ruby，Java，Python，C和C++这些编程语言提供了方便地访问RADOS接口的方式。
• RBD(RADOS块设备) Ceph块设备，原名是 RADOS 块设备，提供可靠的分布式和高性能块存储磁盘给客户端，将块数据以顺序条带化的形式分散存储在的多个 OSD 上，支持自动精简配置、动态调整大小、完整和增量快照、写实复制克隆等企业级特性，而且RBD服务已经被封装成了基于 librados 的一个原生接口。
• CephFS(Ceph Filesystem) Ceph文件系统提供了一个使用Ceph存储集群存储用户数据的与POSIX兼容的文件系统。和RBD、RGW一样，基于librados封装了原生接口。

3.3 Ceph的特点

• 高性能 摒弃了传统的集中式存储元数据寻址的方案，采用CRUSH算法，数据分布均衡，并行度高
• 高可用性 数据强一致性，多种故障场景自愈
• 高扩展性 去中心化、灵活扩展
• 特性丰富 支持三种存储接口：块存储、对象存储、文件存储 支持多种语言（Python、C++、Java、PHP、Ruby等）驱动，自定义接口

3.4 基于Ceph的对象存储实践

客户端通过 4，7 层负载均衡，基于HTTP协议，将请求转发至对象存储网关（Rados GateWay）, 对象存储网关通过Sockets与集群通信，至此，完成了整个数据的传输。

3.5 用户认证

1. 应用在发送请求前，使用用户私有秘钥（secret key）、请求内容等，采用与RGW网关约定好的算法计算出数字签名 后，将数字签名以及用户访问秘钥access_key封装在请求中发送给RGW网关
2. RGW网关接受到请求后，使用用户访问秘钥作为索引送RADOS集群中读取用户信息，并从用户信息中获取到用户私有秘钥。
3. 使用用户私有秘钥、请求内容等，采用与应用约定好的算法计算数字签名。
4. 判断RGW生成的数字签名和请求的签名是否匹配，如果匹配，则认为请求是真实的，用户认证通过，如果匹配返回 S3 error: 403 (SignatureDoesNotMatch)

3.6 对象存储IO路径分析

应用通过http协议将请求发送至对象存储网关，网关收到 I/O 请求后，从http语义中解析出S3或Swift数据并进行一系列检查，检查通过后，根据不同API操作请求执行不同的数据处理逻辑，通过 librados 接口从 RADOS Cluster中 GET 或者 PUT 数据，完成整个I/O过程。