ceph分布式存储的正确玩法之Ceph纠删码实践
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 testcpool 16 16 erasureEcprofile
pool 'testcpool' 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 testcpool
pool 8 'testcpool' 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
testcpool
# rados put -p testcpool object1 test
# rados -p testcpool ls
object1
6、检查testcpool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 testcpool object1
osdmap e233 pool 'testcpool' (8) object'object1' -> pg 8.bac5debc (8.c) -> up (, p5) acting(, 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testcpool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 testcpool object1
osdmap e235 pool 'testcpool' (8) object'object1' -> pg 8.bac5debc (8.c) -> up (, p5) acting (,p5)
2、我们再来关闭一个osd
# systemctl stop ceph-osd@5
停止osd.5，检查testcpool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 testcpool object1
osdmap e237 pool 'testcpool' (8) object'object1' -> pg 8.bac5debc (8.c) -> up (, p1) acting(, p1)
3、我们从纠删码池中下载文件
## rados get -p testcpool object1 /tmp/devops
19 纠删码存储池
Ceph 提供了一种在存储池中正常复制数据的替代方案，称为纠删存储池或纠删码存储池。纠删码存储池不能提供副本存储池的所有功能（例如，它们无法存储 RBD 存储池的元数据），但其所需的原始存储空间更少。一个能够存储 1 TB 数据的默认纠删码存储池需要 1.5 TB 的原始存储空间，以应对发生单个磁盘故障的情况。从这方面而言，纠删码存储池优于副本存储池，因为后者需要 2 TB 的原始存储空间才能实现相同目的。
有关纠删码的背景信息，请参见 https://en.wikipedia.org/wiki/Erasure_code。
有关 EC 存储池相关的存储池值列表，请参考纠删码存储池值。
19.1 纠删码存储池的先决条件
要使用纠删码，您需要：
在 CRUSH 索引中定义纠删码规则。
定义指定要使用的编码算法的纠删码配置。
创建使用上述规则和配置的存储池。
请记住，一旦创建好存储池且存储池中包含数据，便无法更改配置和配置中的详细信息。
确保纠删码存储池的 CRUSH 规则对 step 使用 indep。有关详细信息，请参见第 17.3.2 节 “firstn 和 indep”。
19.2 创建示例纠删码存储池
最简单的纠删码存储池相当于 RAID5，至少需要三个主机。以下过程介绍如何创建用于测试的存储池。
命令 ceph osd pool create 用于创建类型为纠删的存储池。12 表示归置组的数量。使用默认参数时，该存储池能够处理一个 OSD 的故障。
cephuser@adm > ceph osd pool create ecpool 12 12 erasure
pool 'ecpool' created
字符串 ABCDEFGHI 将写入名为 NYAN 的对象。
cephuser@adm > echo ABCDEFGHI | rados --pool ecpool put NYAN -
为了进行测试，现在可以禁用 OSD，例如，断开其网络连接。
要测试该存储池是否可以处理多台设备发生故障的情况，可以使用 rados 命令来访问文件的内容。
cephuser@adm > rados --pool ecpool get NYAN -
ABCDEFGHI
19.3 纠删码配置
调用 ceph osd pool create 命令来创建纠删码存储池时，除非指定了其他配置，否则会使用默认的配置。配置定义数据冗余。要进行这种定义，可以设置随意命名为 k 和 m 的两个参数。k 和 m 定义要将数据片段拆分成多少个块，以及要创建多少个编码块。然后，冗余块将存储在不同的 OSD 上。
纠删池配置所需的定义：
chunk
如果调用该编码函数，它会返回相同大小的块：可串联起来以重构造原始对象的数据块，以及可用于重构建丢失的块的编码块。
k
数据块的数量，即要将原始对象分割成的块数量。例如，如果 k = 2，则会将一个 10 kB 对象分割成各为 5 kB 的 k 个对象。纠删码存储池的默认 min_size 为 k + 1。不过，我们建议将 min_size 设置为 k + 2 或更大的值，以防丢失写入和数据。
m
编码块的数量，即编码函数计算的额外块的数量。如果有 2 个编码块，则表示可以移出 2 个 OSD，而不会丢失数据。
crush-failure-domain
定义要将块分布到的设备。其值需要设置为某个存储桶类型。有关所有的存储桶类型，请参见第 17.2 节 “存储桶”。如果故障域为机柜，则会将块存储在不同的机柜上，以提高机柜发生故障时的恢复能力。请记住，这需要 k+m 个机柜。
使用第 19.2 节 “创建示例纠删码存储池”中所用的默认纠删码配置时，如果单个 OSD 或主机发生故障，将不会丢失集群数据。因此，要存储 1 TB 数据，需要额外提供 0.5 TB 原始存储空间。也就是说，需要 1.5 TB 原始存储空间才能存储 1 TB 的数据（因为 k=2、m=1）。这相当于常见的 RAID 5 配置。作为对比，副本存储池需要 2 TB 原始存储空间才能存储 1 TB 数据。
可使用以下命令显示默认配置的设置：
cephuser@adm > ceph osd erasure-code-profile get default
directory=.libs
k=2
m=1
plugin=jerasure
crush-failure-domain=host
technique=reed_sol_van
选择适当的配置非常重要，因为在创建存储池后便无法修改配置。需要创建使用不同配置的新存储池，并将之前的存储池中的所有对象移到新存储池（请参见第 18.6 节 “存储池迁移”）。
最重要的几个配置参数是 k、m 和 crush-failure-domain，因为它们定义存储开销和数据持久性。例如，如果在两个机柜发生故障并且存储开销达到 66% 的情况下，必须能够维系所需的体系结构，可定义以下配置。请注意，这仅适用于拥有“rack”类型的存储桶的 CRUSH 索引：
cephuser@adm > ceph osd erasure-code-profile set myprofile \
k=3 \
m=2 \
crush-failure-domain=rack
对于此新配置，可以重复第 19.2 节 “创建示例纠删码存储池”中的示例：
cephuser@adm > ceph osd pool create ecpool 12 12 erasure myprofile
cephuser@adm > echo ABCDEFGHI | rados --pool ecpool put NYAN -
cephuser@adm > rados --pool ecpool get NYAN -
ABCDEFGHI
NYAN 对象将分割成三个 (k=3)，并将创建两个额外的块 (m=2)。m 值定义可以同时丢失多少个 OSD 而不会丢失任何数据。crush-failure-domain=rack 将创建一个 CRUSH 规则组，用于确保不会将两个块存储在同一个机柜中。
#1: 纠删码配置
19.3.1 创建新纠删码配置
以下命令可创建新纠删码配置：
root # ceph osd erasure-code-profile set NAME \
directory=DIRECTORY \
plugin=PLUGIN \
stripe_unit=STRIPE_UNIT \
KEY=VALUE ... \
--force
DIRECTORY
可选。设置从中加载纠删码插件的目录名称。默认为 /usr/lib/ceph/erasure-code。
PLUGIN
可选。使用纠删码插件可计算编码块和恢复缺失的块。可用的插件有“jerasure”、“isa”、“lrc”和“shes”。默认为“jerasure”。
STRIPE_UNIT
可选。数据块中每个条带的数据量。例如，如果配置拥有 2 个数据块且 stripe_unit 等于 4K，则会将范围 0-4K 的数据置于块 0 中，将 4K-8K 置于块 1 中，然后再将 8K-12K 置于块 0 中。需要有多个 4K 才能实现最佳性能。默认值取自创建存储池时的 Monitor 配置选项 osd_pool_erasure_code_stripe_unit。使用此配置的存储池的“stripe_width”等于数据块的数量乘以此“stripe_unit”。
KEY=VALUE
专用于选定纠删码插件的选项键/值对。
--force
可选。覆盖名称相同的现有配置，并允许设置不按 4K 对齐的 stripe_unit。
19.3.2 删除纠删码配置
以下命令可按 NAME 所标识的纠删码配置删除相应配置：
root # ceph osd erasure-code-profile rm NAME
重要重要
如果某个存储池引用了该配置，则删除将会失败。
19.3.3 显示纠删码配置的详细信息
以下命令可按 NAME 所标识的纠删码配置显示其详细信息：
root # ceph osd erasure-code-profile get NAME
19.3.4 列出纠删码配置
以下命令可列出所有纠删码配置的名称：
root # ceph osd erasure-code-profile ls
19.4 标记含 RADOS 块设备的纠删码存储池
要将 EC 池标记为 RBD 池，请对其进行相应标记：
cephuser@adm > ceph osd pool application enable rbd ec_pool_name
RBD 可在 EC 池中存储映像数据。但是，映像报头和元数据仍需要存储在副本存储池中。为此，假设您的存储池命名为“rbd”：
cephuser@adm > rbd create rbd/image_name --size 1T --data-pool ec_pool_name
您可以像使用任何其他映像一样正常使用该映像，只不过所有数据都将存储在 ec_pool_name 池而非“rbd”池中。 在 OpenStack 中使用 Ceph 纠删码（Erasure Coding, EC）池，通常涉及到以下几个步骤：
1. 配置 Ceph 集群以支持纠删码
首先，确保你的 Ceph 集群已经配置并支持纠删码。这通常涉及到以下几个步骤：
a. 创建纠删码池
在 Ceph 中，你可以创建一个使用纠删码的池。例如，使用 jerasure 和 reed_sol_van 算法创建一个纠删码池：
ceph osd pool create ec_pool 64 64 erasure code_profile ec_profile
ceph osd erasure-code-profile set ec_profile jerasure yel error_domain=1 k=8 m=2 ruleset-failure-domain=host crush-root=default
这里，k=8 表示数据块数量，m=2 表示校验块数量，error_domain=1 表示每个主机最多有一个故障域。
b. 验证池配置
确认池已正确配置为纠删码：
ceph osd pool get ec_pool erasure_code_profile
2. 在 OpenStack 中配置 Ceph 和使用纠删码池
在 OpenStack 中使用 Ceph 纠删码池，你需要在 Cinder 和 Nova 中配置 Ceph 以使用这个新的池。
a. 修改 Cinder 配置文件
编辑 Cinder 的配置文件（通常是 /etc/cinder/cinder.conf），并添加或修改以下设置：
volume_driver = cinder.volume.drivers.rbd.RBDDriver
rbd_pool = ec_pool
rbd_user = cinder-user
rbd_secret_uuid = <secret-uuid>
确保 rbd_secret_uuid 是你的 Ceph 认证密钥的 UUID。你可以使用以下命令生成 UUID：
uuidgen
b. 配置 Ceph 认证密钥
生成 Ceph 认证密钥并将其添加到 Cinder 和 Nova 的配置中：
ceph auth get-key client.cinder-user | base64
将输出添加到 Cinder 和 Nova 的配置文件中：
rbd_secret_uuid = <secret-uuid> from uuidgen
rbd_user = cinder-user
rbd_ceph_conf = /etc/ceph/ceph.conf
c. 重启 Cinder 服务以应用更改
systemctl restart openstack-cinder-api openstack-cinder-volume openstack-cinder-scheduler
3. 验证配置
确认 Cinder 可以正常使用纠删码池：
openstack volume create --image <image-id> --size 10 <volume-name>
检查卷是否正确创建在 EC 池中：
rbd ls -p ec_pool --id cinder-user --keyfile=/etc/ceph/ceph.client.cinder-user.keyring | grep <volume-name>
4. 在 Nova 中使用 Ceph 块存储（可选）
如果需要在 Nova 中使用 Ceph 块存储，确保 Nova 的配置也指向正确的 Ceph 用户和密钥。这通常涉及到编辑 /etc/nova/nova.conf 并添加类似的 RBD 设置。
5. 重启相关服务（如果需要）
根据需要重启 Nova 服务：
systemctl restart openstack-nova-compute openstack-nova-api openstack-nova-scheduler openstack-nova-conductor
通过以上步骤，你应该能够在 OpenStack 中成功配置和使用 Ceph 的纠删码池
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