华云数据：Ceph的正确玩法之Ceph纠删码理论与实践

hanniuniu12

　　随着云计算业务的快速发展，国内外云计算企业的专利之争也愈发激烈。在云计算这样的技术领域，专利储备往往代表着企业最新的技术实力。华云数据本期“智汇华云”专栏将针对“Ceph的正确玩法之Ceph纠删码理论与实践”技术，与大家共同分享云计算领域的最新技术与解决方案。
　　该文章为本系列的最后一篇文章，我们将在之后继续推出其他系列类别的文章，敬请关注！
　　

　　一、纠删码原理
　　纠删码（Erasure Coding，EC）是一种编码容错技术，最早是在通信行业解决部分数据在传输中的损耗问题。其基本原理就是把传输的信号分段，加入一定的校验再让各段间发生相互关联，即使在传输过程中丢失部分信号，接收端仍然能通过算法将完整的信息计算出来。在数据存储中，纠删码将数据分割成片段，把冗余数据块扩展和编码，并将其存储在不同的位置，比如磁盘、存储节点或者其他地理位置。如果需要严格区分，实际上按照误码控制的不同功能，可分为检错、纠错和纠删3种类型。
　　·检错码仅具备识别错码功能而无纠正错码功能。
　　·纠错码不仅具备识别错码功能，同时具备纠正错码功能。
　　·纠删码则不仅具备识别错码和纠正错码的功能，而且当错码超过纠正范围时，还可把无法纠错的信息删除。
　　从纠删码基本的形态看，它是k个数据块+m个校验块的结构，其中k和m值可以按照一定的规则设定，可以用公式：n=k+m来表示。变量k代表原始数据或符号的值。变量m代表故障后添加的提供保护的额外或冗余符号的值。变量n代表纠删码过程后创建的符号的总值。当小于m个存储块（数据块或校验块）损坏的情况下，整体数据块可以通过计算剩余存储块上的数据得到，整体数据不会丢失。
　　下面以k=2，m=1为例，介绍一下如何以纠删码的形式将一个名称为cat.jpg的对象存放在Ceph中，假定该对象的内容为ABCDEFGH。客户端在将cat.jpg上传到Ceph以后，会在主OSD中调用相应的纠删码算法对数据进行编码计算：将原来的ABCDEFGH拆分成两个分片，对应图11-2中的条带分片1（内容为ABCD）和条带分片2（内容为EFGH），之后再计算出另外一个校验条带分片3（内容为WXYZ）。按照crushmap所指定的规则，将这3个分片随机分布在3个不同的OSD上面，完成对这个对象的存储操作。如图所示。
　　

　　下面再看一下如何使用纠删码读取数据，同样还是以cat.jpg为例。客户端在发起读取cat.jpg请求以后，这个对象所在PG的主OSD会向其他关联的OSD发起读取请求，比如主OSD是图中的OSD1，当请求发送到了OSD2和OSD3，此时刚好OSD2出现故障无法回应请求，导致最终只能获取到OSD1（内容为ABCD）和OSD3（WXYZ）的条带分片，此时OSD1作为主OSD会对OSD1和OSD3的数据分片做纠删码解码操作，计算出OSD2上面的分片内容（即EFGH），之后重新组合出新的cat.jpg内容（ABCDEFGH），最终将该结果返回给客户端。整个过程如图所示。
　　

　　虽然纠删码能够提供和副本相近的数据可靠性，并降低冗余数据的开销，整体上能提高存储设备的可用空间。但是，纠删码所带来的额外开销主要是大量计算和网络高负载，优点同时伴随缺点。特别是在一个硬盘出现故障的情况下，重建数据非常耗费CPU资源，而且计算一个数据块时需要读出大量数据并通过网络传输。相比副本数据恢复，纠删码数据恢复时给网络带来巨大的负担。因此，使用纠删码对硬件的设备性能是一个较大的考验，这点需要注意。另外，需要注意的是，使用纠删码所建立的存储资源池无法新建RBD块设备。
　　Ceph安装后默认有Default Rule，这个Rule默认是在Host层级进行三副本读写。副本技术带来的优点是高可靠性、优异的读写性能和快速的副本恢复。然而，副本技术带来的成本压力是较高的，特别是三副本数据情景下，每TB数据的成本是硬盘裸容量3倍以上（包括节点CPU和内存均摊开销）。纠删码具备与副本相近的高可用特性，而且降低了冗余数据的开销，同时带来了大量计算和网络高负载。
　　二、纠删码实践
　　纠删码是通过创建erasure类型的Ceph池实现的。这些池是基于一个纠删码配置文件进行创建的，在这个配置文件中定义了纠删码的特征值。现在我们将创建一个纠删码配置文件，并根据这个配置文件创建纠删码池。下面的命令将创建一个名为Ecprofile的纠删码配置文件，它定义的特征值是：k=3和m=2，两者分别表示数据块和校验块的数量。所以，每一个存储在纠删码池中的对象都将分为3（即k）个数据块，和2（即m）个额外添加的校验块，一共有5个块（k+m）。最后，这5（即k+m）个块将分布在不同故障区域中的OSD上。
　　1、创建纠删码配置文件：
　　# ceph osd erasure-code-profile  set Ecprofilecrush-failure-domain=osd k=3 m=2
　　2、查看配置文件
　　# ceph osd erasure-code-profile ls
　　Ecprofile
　　default
　　# ceph osd erasure-code-profile get  Ecprofile
　　crush-device-class=
　　crush-failure-domain=osd
　　crush-root=default
　　jerasure-per-chunk-alignment=false
　　k=3
　　m=2
　　plugin=jerasure
　　technique=reed_sol_van
　　w=8
　　我们顺便也看Ceph默认的配置文件
　　# ceph osd erasure-code-profile get default
　　k=2
　　m=1
　　plugin=jerasure
　　technique=reed_sol_van
　　3、基于上一步生成的纠删码配置文件新建一个erasure类型的Ceph池：
　　# ceph osd pool create Ecpool 16 16 erasureEcprofile
　　pool 'Ecpool' created
　　4、检查新创建的池的状态，你会发现池的大小是5（k+m），也就是说，erasure大小是5。因此，数据将被写入五个不同的OSD中：
　　# ceph osd dump | grep Ecpool
　　pool 8 'Ecpool' erasure size 5 min_size 4crush_rule 3 object_hash rjenkins pg_num 16 pgp_num 16 last_change 231 flagshashpspool stripe_width 12288
　　5、现在我们创建个文件放到纠删码池中。
　　# echo test > test
　　# ceph osd pool ls
　　Ecpool
　　# rados put -p Ecpool object1 test
　　# rados -p  Ecpool ls
　　object1
　　6、检查EC池中和object1的OSDmap。命令的输出将清晰地显示对象的每个块所在的OSDID。正如步骤1）中说明的那样，object1被分为3（m）个数据块和2（k）个额外的校验块，因此，5个块分别存储在Ceph集群完全不同的OSD上。在这个演示中，object1一直存储在这5个OSD中，它们是osd.5、osd.1、osd.3、osd.2、osd.4。
　　# ceph osd map Ecpool object1
　　osdmap e233 pool 'Ecpool' (8) object'object1' -> pg 8.bac5debc (8.c) -> up ([5,1,3,2,4], p5) acting([5,1,3,2,4], p5)
　　三、纠删码测试
　　1、我们先来关闭一个osd
　　# systemctl stop ceph-osd@3
　　停止osd.3，检查EC池和object1的OSDmap。你应该注意，这里的osd.3变成NONE了，这意味着osd.3在这个池是不可用的：
　　# ceph osd map Ecpool object1
　　osdmap e235 pool 'Ecpool' (8) object'object1' -> pg 8.bac5debc (8.c) -> up ([5,1,NONE,2,4], p5) acting ([5,1,NONE,2,4],p5)
　　2、我们再来关闭一个osd
　　# systemctl stop ceph-osd@5
　　停止osd.5，检查EC池和object1的OSDmap。你应该注意，这里的osd.5变成NONE了，这意味着osd.5在这个池是不可用的：
　　# ceph osd map Ecpool object1
　　osdmap e237 pool 'Ecpool' (8) object'object1' -> pg 8.bac5debc (8.c) -> up ([NONE,1,NONE,2,4], p1) acting([NONE,1,NONE,2,4], p1)
　　3、我们从纠删码池中下载文件
　　## rados get  -p Ecpool object1 /tmp/wyl