分布式存储系统 Ceph 介绍与环境部署-ceph分布式存储

一、概述

Ceph是当前非常流行的开源分布式存储系统，具有高扩展性、高性能、高可靠性等优点，同时提供块存储服务(rbd)、对象存储服务(rgw)以及文件系统存储服务(cephfs)，Ceph在存储的时候充分利用存储节点的计算能力，在存储每一个数据时都会通过计算得出该数据的位置，尽量的分布均衡。目前也是OpenStack的主流后端存储。

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。考虑了容灾域的隔离，能够实现各类负载的副本放置规则，例如跨机房、机架感知等。能够支持上千个存储节点的规模，支持TB到PB级的数据。
高可用性副本数可以灵活控制。支持故障域分隔，数据强一致性。多种故障场景自动进行修复自愈。没有单点故障，自动管理。
高可扩展性去中心化。扩展灵活。随着节点增加而线性增长。
特性丰富支持三种存储接口：块存储、文件存储、对象存储。支持自定义接口，支持多种语言驱动。

GitHub地址：https://github.com/ceph/ceph
官方文档：https://docs.ceph.com/en/latest/start/intro/

二、Ceph 架构

支持三种接口：

Object：有原生的API，而且也兼容Swift和S3的API。
Block：支持精简配置、快照、克隆。
File：Posix接口，支持快照。

RADOS——全称Reliable Autonomic Distributed Object Store，即可靠的、自动化的、分布式对象存储系统。RADOS是Ceph集群的精华，用户实现数据分配、Failover等集群操作。
Librados——Rados提供库，因为RADOS是协议很难直接访问，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、C和C++支持。
MDS——存储Ceph文件系统的元数据。

三、Ceph核心组件介绍

OSD——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。

OSD 是Ceph集群中存储实际用户数据的惟一组件，通常，一个OSD守护进程绑定到集群中的一个物理磁盘。因此，通常来说，Ceph集群中物理磁盘的总数与在每个物理磁盘上存储用户数据的OSD守护进程的总数相同。

PG——ceph中引入了PG（placement group)的概念，PG是一个虚拟的概念而已，并不对应什么实体。ceph先将object映射成PG，然后从PG映射成OSD。

Pool——Pool是存储对象的逻辑分区，它规定了数据冗余的类型和对应的副本分布策略，支持两种类型：副本（replicated）和纠删码（ Erasure Code）。

Pool、PG和OSD的关系：

一个Pool里有很多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（针对三副本类型）;

Monitor监控——一个Ceph集群需要多个Monitor组成的小集群，它们通过Paxos同步数据，用来保存OSD的元数据。负责监控整个Ceph集群运行的Map视图（如OSD Map、Monitor Map、PG Map和CRUSH Map），维护集群的健康状态，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。
MDS——MDS全称Ceph Metadata Server，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。
Mgr——ceph 官方开发了 ceph-mgr，主要目标实现 ceph 集群的管理，为外界提供统一的入口。例如cephmetrics、zabbix、calamari、prometheus。

Ceph manager守护进程(Ceph -mgr)是在Kraken版本中引入的，它与monitor守护进程一起运行，为外部监视和管理系统提供额外的监视和接口。

RGW——RGW全称RADOS gateway，是Ceph对外提供的对象存储服务，接口与S3和Swift兼容。
CephFS——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。与RBD（块存储）和RGW（对象存储）一样，CephFS服务也作为librados的本机接口实现。

四、Ceph 三种存储类型

1）块存储服务(RBD)

块是一个字节序列（通常为 512）。基于块的存储接口是一种成熟且常见的数据存储方式介质包括硬盘、固态硬盘、CD、软盘，甚至磁带。块设备接口的无处不在非常适合交互具有包括 Ceph 在内的海量数据存储。Ceph 数据块设备可精简配置、可调整大小，并按条带方式存储数据在多个 OSD。

优点：

通过Raid与LVM等手段，对数据提供了保护；
多块廉价的硬盘组合起来，提高容量；
多块磁盘组合出来的逻辑盘，提升读写效率；

缺点：

采用SAN架构组网时，光纤交换机，造价成本高；
主机之间无法共享数据；

使用场景：

docker容器、虚拟机磁盘存储分配；
日志存储；
文件存储；

总结：一个Linux内核级的块设备，允许用户像任何其他Linux块设备一样访问Ceph。

2）文件系统存储服务(CephFS)

Ceph 文件系统（CephFS），是建立在 Ceph 分布式对象存储的顶部， CephFS提供了最先进的、多用途、高度可用且高性能的文件存储在各种场景应用，包括共享home目录、FTP和NFS 共享存储等等。

Ceph有了块存储，为什么还需要文件系统接口呢？

主要是因为应用场景的不同,Ceph的块设备具有优异的读写性能,但不能多处挂载同时读写,目前主要用在OpenStack上作为虚拟磁盘,而Ceph的文件系统接口读写性能较块设备接口差,但具有优异的共享性。

优点：

造价低，随便一台机器就可以了。
方便文件共享。

缺点：

读写速率低。
传输速率慢。

使用场景：

日志存储。
有目录结构的文件存储。

3）对象存储服务(RGW)

Ceph 对象网关是构建在 librados.它在应用程序和 Ceph 之间提供了一个 RESTful 网关。存储集群。 Ceph 对象存储支持两种接口：

S3 兼容：通过接口提供对象存储功能与 Amazon S3 RESTful API 的大部分子集兼容。
快速兼容：通过接口提供对象存储功能与 OpenStack Swift API 的一大块子集兼容。

优点：

具备块存储的读写高速。
具备文件存储的共享等特性。

使用场景：

图片存储。
视频存储。

五、Ceph版本发行生命周期

Ceph从Nautilus版本（14.2.0）开始，每年都会有一个新的稳定版发行，预计是每年的3月份发布，每年的新版本都会起一个新的名称（例如，“Mimic”）和一个主版本号（例如，13 代表 Mimic，因为“M”是字母表的第 13 个字母）。

版本号的格式为x.y.z，x表示发布周期（例如，13 代表 Mimic，17代表Quincy），y表示发布版本类型，即

x.0.z - y等于0，表示开发版本
x.1.z - y等于1，表示发布候选版本（用于测试集群）
x.2.z - y等于2，表示稳定/错误修复版本（针对用户）

在Octopus版本后使用cephadm来部署ceph集群，如果使用cephadm部署，在后期新的版本升级时，可以做到完全自动化，并可以通过ceph -W cephadm查看升级进度，升级完成后，无法降级，升级时请不要跨版本升级，例如：当前使用Octopus升级到Quincy，要先把Octopus升级到Pacific，然后在升级至Quincy，这是最稳妥的方式。

稳定版本的生命周期在第一个发布月份后，大约2年时间将停止该版本的更新维护，具体版本发布时间见下表。

六、Ceph 集群部署

Ceph的部署工具：

ceph-deploy：官方的部署工具，不再积极维护ceph-deploy。它不支持RHEL8，CentOS 8或更新的操作系统。
ceph-ansible：红帽的部署工具
ceph-chef：利用chef进行自动部署Ceph的工具
puppet-ceph：puppet的ceph模块
cephadm——cephadm 仅支援 Octopus 及更新版本（推荐）。

1）集群部署规划

IP	hostname	角色	磁盘	操作系统
192.168.182.130	local-168-182-130	monitor,mgr,rgw,mds,osd	2*20G	centos7
192.168.182.131	local-168-182-131	monitor,mgr,rgw,mds,osd	2*20G	centos7
192.168.182.132	local-168-182-132	monitor,mgr,rgw,mds,osd	2*20G	centos7

monitor：Ceph监视管理节点，承担Ceph集群重要的管理任务，一般需要3或5个节点。
mgr： Ceph 集群管理节点（manager），为外界提供统一的入口。
rgw: Ceph对象网关，是一种服务，使客户端能够利用标准对象存储API来访问Ceph集群。
mds：Ceph元数据服务器，MetaData Server，主要保存的文件系统服务的元数据，使用文件存储时才需要该组件。
osd：Ceph存储节点Object Storage Daemon，实际负责数据存储的节点。

2）前期准备

关闭filewalld服务

systemctl stop firewalld.service
systemctl disable firewalld.service

2、关闭并禁用SELinux

sed -i 's/^SELINUX=enforcing$/SELINUX=disabled/' /etc/selinux/config
setenforce 0

3、配置hosts

192.168.182.130 local-168-182-130
192.168.182.131 local-168-182-131
192.168.182.132 local-168-182-132

4、ssh免密配置

ssh-keygen
# ...一路Enter
ssh-copy-id root@local-168-182-130  //会有一次密码输入
ssh-copy-id root@local-168-182-131
ssh-copy-id root@local-168-182-132

4、配置时间同步

yum install -y chrony
systemctl enable --now chronyd

3）添加磁盘

如果添加完磁盘，看不到，可以执行以下命令：

# 重新扫描SCSI总线添加设备
echo "- - -" > /sys/class/scsi_host/host0/scan
echo "- - -" > /sys/class/scsi_host/host1/scan
echo "- - -" > /sys/class/scsi_host/host2/scan

4）安装docker :（所有节点操作，包括新增）

# centos7
wget -O /etc/yum.repos.d/CentOS-Base.repo http://mirrors.aliyun.com/repo/Centos-7.repo

# 安装yum-config-manager配置工具
yum -y install yum-utils
# 设置yum源
yum-config-manager --add-repo http://mirrors.aliyun.com/docker-ce/linux/centos/docker-ce.repo
# 安装docker-ce版本
yum install -y docker-ce

#启动docker服务并开机自启
systemctl enable --now docker

# 查看版本号
docker --version
# 查看版本具体信息
docker version

# Docker镜像源设置
# 修改文件 /etc/docker/daemon.json，没有这个文件就创建
# 添加以下内容后，重启docker服务：
cat >/etc/docker/daemon.json<<EOF
{
   "registry-mirrors": ["http://hub-mirror.c.163.com"]
}
EOF

systemctl restart docker

5）安装cephadm

下载cephadm脚本：（只在主节点操作）

mkdir -p /opt/ceph/my-cluster ; cd /opt/ceph/my-cluster
curl --silent --remote-name --location https://github.com/ceph/ceph/raw/octopus/src/cephadm/cephadm  -o cephadm
chmod +x cephadm
# 或者：
#curl https://raw.githubusercontent.com/ceph/ceph/v15.2.1/src/cephadm/cephadm -o cephadm
#chmod +x cephadm 
#//**//下载出错：配置/etc/hosts 文件--—> 199.232.28.133 raw.githubusercontent.com

# 安装python3:（所有节点执行）
yum install python3 -y

# 配置ceph存储库  ：（或指定版本）
./cephadm add-repo --release octopus
#或
#./cephadm add-repo --version 15.2.1

# 开始安装ceph-common，ceph工具
./cephadm install ceph-common ceph
# 安装cephadm工具
./cephadm install
which cephadm
which ceph

6）初始化 ceph 集群

当前节点安装 mon、 mgr 角色,部署 prometheus、 grafana、 alertmanager、 node-exporter等服务。

#先安装一个节点，其它节点通过后面的命令添加到集群中即可
#您需要知道用于集群的第一个监视器守护程序的IP地址。
#如果有多个网络和接口，要确保选择任何可供访问Ceph群集的主机访问的网络和接口。

cephadm bootstrap --mon-ip 192.168.182.130

##### 命令特点：

#在本地主机上为新集群创建监视和管理器守护程序。
#为Ceph集群生成一个新的SSH密钥，并将其添加到root用户的/root/.ssh/authorized_keys文件中。
#将与新集群进行通信所需的最小配置文件编写为/etc/ceph/ceph.conf。
#将client.admin管理密钥的副本写入/etc/ceph/ceph.client.admin.keyring。
#将公用密钥的副本写入 /etc/ceph/ceph.pub。

# 查看部署的服务
docker ps 

#=======输出信息=======
Ceph Dashboard is now available at:

             URL: https://local-168-182-130:8443/
            User: admin
        Password: 0ard2l57ji

You can access the Ceph CLI with:

        sudo /usr/sbin/cephadm shell --fsid d1e9b986-89b8-11ed-bec2-000c29ca76a9 -c /etc/ceph/ceph.conf -k /etc/ceph/ceph.client.admin.keyring

Please consider enabling telemetry to help improve Ceph:

        ceph telemetry on

For more information see:

        https://docs.ceph.com/docs/master/mgr/telemetry/

根据提示可知，有个web地址：https://ip:8443/，这里的截图是部署完之后的截图。

通过ceph命令查看集群状态

ceph -s

7）添加新节点

在新主机的根用户authorized_keys文件中安装群集的公共SSH密钥：

ssh-copy-id -f -i /etc/ceph/ceph.pub root@local-168-182-131
ssh-copy-id -f -i /etc/ceph/ceph.pub root@local-168-182-132

配置新节点

ceph orch host add local-168-182-131
ceph orch host add local-168-182-132

#第一次部署新节点时直接用上边的命令即可：
#但是之后的节点新增有可能上述命令出错：
ceph orch host add local-168-182-131 192.168.182.133  #后边跟上对应的IP

# 查看节点
ceph orch host ls

8）部署监视器（monitor）

# ceph orch apply mon *<number-of-monitors>*
# 确保在此列表中包括第一台（引导）主机。
ceph orch apply mon local-168-182-130,local-168-182-131,local-168-182-132

9）部署 osd

存储设备清单可以显示为：

ceph orch device ls

可用存储设备的条件：

设备必须没有分区。
设备不得具有任何LVM状态。
不得安装设备。
该设备不得包含文件系统。
该设备不得包含Ceph BlueStore OSD。
设备必须大于5 GB。

创建osd的方式：

# 【第一种方式】告诉Ceph使用任何可用和未使用的存储设备：
ceph orch apply osd --all-available-devices

# 【第二种方式】或者使用下面命令指定使用的磁盘（推荐使用这种方式吧）
#1. ceph orch daemon add osd *<host>*:*<device-path>*
#例如：
#从特定主机上的特定设备创建OSD：
ceph orch daemon add osd local-168-182-130:/dev/sdb
ceph orch daemon add osd local-168-182-130:/dev/sdc

ceph orch daemon add osd local-168-182-131:/dev/sdb
ceph orch daemon add osd local-168-182-131:/dev/sdc

ceph orch daemon add osd local-168-182-132:/dev/sdb
ceph orch daemon add osd local-168-182-132:/dev/sdc

删除OSD节点:(安全)

#1.停止osd进程
ceph osd stop x  //(x 可以通过ceph osd ls 查看)
#停止osd的进程，这个是通知集群这个osd进程不在了，不提供服务了，因为本身没权重，就不会影响到整体的分布，也就没有迁移
#2.将节点状态标记为out
ceph osd out osd.x
#停止到osd的进程，这个是通知集群这个osd不再映射数据了，不提供服务了，因为本身没权重，就不会影响到整体的分布，也就没有迁移
#3. 从crush中移除节点
ceph osd crush remove osd.x
这个是从crush中删除，
#4. 删除节点
ceph osd rm osd.x
这个是从集群里面删除这个节点的记录ls
#5. 删除节点认证（不删除编号会占住）
ceph auth del osd.x
这个是从认证当中去删除这个节点的信息

10）部署mds(cephFS元数据守护程序)

# ceph orch apply mds *<fs-name>* --placement="*<num-daemons>* [*<host1>* ...]"

ceph orch apply mds myfs --placement="3 local-168-182-130 local-168-182-131 local-168-182-132"

11）部署RGW

# 为特定领域和区域部署一组radosgw守护程序：
# ceph orch apply rgw *<realm-name>* *<zone-name>* --placement="*<num-daemons>* [*<host1>* ...]"

ceph orch apply rgw myorg us-east-1 --placement="3 local-168-182-130 local-168-182-131 local-168-182-132"

###说明：
#myorg : 领域名  （realm-name）
#us-east-1: 区域名 （zone-name）myrgw

#Cephadm将等待运行正常的群集，并在部署rgw守护程序之前自动创建所提供的领域和区域（realm-name和zone-name不存在的情况）

查看集群状态

ceph -s

12）添加专用的ceph-mgr节点

# ceph-mgr节点默认会挑选一主一备
# 添加新节点
ceph orch host add local-168-182-131 192.168.182.133

# 部署ceph-mgr
ceph orch apply mgr local-168-182-130,local-168-182-131,local-168-182-132

# ceph orch apply mgr local-168-182-130,local-168-182-131,local-168-182-132,local-168-182-133