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一、纠删码原理# y/ b& u/ f6 F% v0 G
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。% D% L/ T: J4 ]5 y
·检错码仅具备识别错码功能而无纠正错码功能。- A' W% G# M7 B7 d0 I5 J( s' |
·纠错码不仅具备识别错码功能,同时具备纠正错码功能。1 k" ]- [; ~& A
·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。9 @0 b2 [6 A5 V
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。, W, ~' p6 R* M# G! ?
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。" N( i7 g" S3 q3 ]6 \, R, T
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。! e( z: U8 U, a7 I: }
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。8 E1 A6 p+ d2 W: B1 d( r; G
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。
" w' i) k- X: h/ a" G
( D& E# W+ k( A, c1 ]: i7 \4 [3 O2 F
二、纠删码实践 q$ @ T+ @4 p: [) F* q6 I
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。
. H* M6 `% Z1 S- l+ w, E0 j1、创建纠删码配置文件:
/ t/ u# G7 m- n: ^# ceph osd erasure-code-profile set Ecprofilecrush-failure-domain=osd k=3 m=2
. [! w' S ]' q: z2、查看配置文件' a M! p* @* o4 _' p
# ceph osd erasure-code-profile ls
/ x. S7 m& a" x7 [. f/ R+ zEcprofile' H/ C, `7 ~( W6 Y+ a6 n! N
default# ^# Z# e' x2 [
# ceph osd erasure-code-profile get Ecprofile* K, r3 ~; y+ T& C6 a1 e
crush-device-class=
' K+ ~" v$ T% |- m5 T: z9 lcrush-failure-domain=osd/ y' D& m8 j- h8 B {# ?
crush-root=default
$ O. g9 k; y! c7 E' F. x- \; |jerasure-per-chunk-alignment=false
1 d1 B& {& G$ U- C. W. ck=3, }9 S. N1 o& v$ R, F" D* k, x7 e
m=2
" r; n8 z! R9 p, cplugin=jerasure
8 h9 k9 @. h! T8 Atechnique=reed_sol_van
4 x4 |4 k. u& aw=80 x3 i- K, ~9 _, T. b( q
我们顺便也看Ceph默认的配置文件
2 e7 G4 m3 `, O2 H* H# ceph osd erasure-code-profile get default
: X+ ~ b5 q! v* c$ M- W$ kk=2
4 @" ~7 R; C0 Z C) n/ lm=1
. t4 p5 w0 `: G# E* C1 aplugin=jerasure& f: f/ W4 b$ l1 m8 C: J
technique=reed_sol_van. @% ?5 b6 s1 H& [# e
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: H% q0 x* R4 M$ y, ^
# ceph osd pool create testcpool 16 16 erasureEcprofile
' Q; E, Z* Y" H) N) lpool 'testcpool' created9 A% U4 r( p, p5 `' H) n! a
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:' t% h) }, U1 ?4 g
# ceph osd dump | grep testcpool
* h& G" u2 T7 ?1 `3 Hpool 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! ^: V l) |- b% H% u
5、现在我们创建个文件放到纠删码池中。
7 Q- S: d; {7 i! y# echo test > test
2 v" @& s" ^2 ?# ceph osd pool ls- O8 O4 P, M0 k' ?% a
testcpool2 S* Q( D# j# J: f6 d2 t
# rados put -p testcpool object1 test+ h5 y2 |1 z) k! M. f: ~
# rados -p testcpool ls
8 b/ X' h3 z$ y- d- K0 Nobject13 J6 e8 }( d$ z" G3 G/ e, n; i
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。" n( G; a9 _5 C0 d
# ceph osd map testcpool object1% Y& o$ p) x0 \" c- W" w6 W7 v, T
osdmap e233 pool 'testcpool' (8) object'object1' -> pg 8.bac5debc (8.c) -> up ([5,1,3,2,4], p5) acting([5,1,3,2,4], p5)
) \! Y# f: O, g, Y9 {8 ^8 F* R0 \- l2 V( w& n& `1 Z
三、纠删码测试# x( W3 t+ ?2 y9 ^! n
1、我们先来关闭一个osd' |2 n- j; ~# m( T
# systemctl stop ceph-osd@3
7 w( o8 N6 k. c9 a2 a: J% Q& y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:
5 f a3 @. N# e9 ~7 d: Q# ceph osd map testcpool object1
: R) W* p2 T4 B' A5 E0 W# Y9 u' Dosdmap e235 pool 'testcpool' (8) object'object1' -> pg 8.bac5debc (8.c) -> up ([5,1,NONE,2,4], p5) acting ([5,1,NONE,2,4],p5)
6 d- |% t, z$ Q0 ?8 j' ~6 E$ g1 V2、我们再来关闭一个osd; U W# s8 h4 P" g( Z
# systemctl stop ceph-osd@5
- T' r* B1 {8 g! n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:
7 O( V* n* a% Q5 t# ceph osd map testcpool object1 s2 R! f3 Z- j( E
osdmap e237 pool 'testcpool' (8) object'object1' -> pg 8.bac5debc (8.c) -> up ([NONE,1,NONE,2,4], p1) acting([NONE,1,NONE,2,4], p1). N$ h) U; A6 B- B
3、我们从纠删码池中下载文件( z+ f5 Z8 B, J% r& g
## rados get -p testcpool object1 /tmp/devops
$ n' r& c7 M! N3 ]2 z4 X
4 F+ a* `$ E- t" b) l+ _% L' _3 X E* `2 N, u+ Q: _3 O" Z
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