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一、纠删码原理
' x8 J! v k7 q4 F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。
% i9 N ?& ]2 L* C% @·检错码仅具备识别错码功能而无纠正错码功能。! u4 A' f3 V& [5 g2 A" ]6 k
·纠错码不仅具备识别错码功能,同时具备纠正错码功能。) V% k; o; F. Y3 b6 C
·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。
( a" v6 T( K W2 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。
1 B; N) c3 J( [* c# T- _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。
3 L( E8 O& H- o2 N9 ^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。( v$ k* e% F L+ V& A
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。
5 w( [" ^5 V6 v* E9 g$ E( kCeph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。- T) H' O5 O" |3 u
/ n+ @& o! M) F0 E4 Z0 N; z2 W
& r: B& T) a# V; {2 {二、纠删码实践) k- O u( Y# r& T- i0 Q1 O
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。; y4 |/ U% k2 g: O4 X g
1、创建纠删码配置文件:
6 g! a; r; E- [: \! [# ceph osd erasure-code-profile set Ecprofilecrush-failure-domain=osd k=3 m=2
, w% A% X! H0 \1 r) z) O2、查看配置文件
% g ]. B; L% _- L; S9 [# ceph osd erasure-code-profile ls
- O; p! ]/ `! y. q9 L! f DEcprofile
0 o2 m7 A/ c. B2 _; z9 h: P9 ldefault; B5 b% {; \ y3 ^3 u& c$ x }% `
# ceph osd erasure-code-profile get Ecprofile
5 e! H9 Y$ p" Z" D& C9 pcrush-device-class=
- E" @! j# C( wcrush-failure-domain=osd
, E! {' k) i) j$ H! u4 kcrush-root=default
' w3 L- |# L D/ T. ojerasure-per-chunk-alignment=false: V; x9 f2 K% M7 y! m
k=3
1 [5 a* ~% I! ]& A9 |/ t W- O, Um=2' e% f( N8 P! @- }1 F
plugin=jerasure
8 n7 V ~# S n, D0 W& `9 w) Vtechnique=reed_sol_van+ h, n; I# O- y: `9 ]
w=8
) Q4 b; `+ S2 c1 t$ R) h& f我们顺便也看Ceph默认的配置文件7 {! n$ j/ j, P. P; H; [
# ceph osd erasure-code-profile get default+ h9 }" Z0 f+ o& u* m$ m- K
k=2) p* z8 P/ }3 s' W( M6 _ x
m=1. V7 U( G: n! t3 C! k8 G+ `
plugin=jerasure
0 W3 f) k: x( k1 Ctechnique=reed_sol_van/ ~# \$ w! u# z9 h7 \2 H0 j
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:5 s- c& e( f" Q9 W& G5 w: A
# ceph osd pool create testcpool 16 16 erasureEcprofile
/ r: ?% Z6 n. k/ Opool 'testcpool' created
0 f! H5 R* ^& Z. Y4、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:6 U+ [* c9 P5 D( D2 M: W b0 j
# ceph osd dump | grep testcpool
- E/ u% `& ?" g' G1 Zpool 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& c7 D6 t L; w# R
5、现在我们创建个文件放到纠删码池中。, k. ~ C7 P$ d1 {( h! R+ N1 o
# echo test > test0 x& M! {& h% v, q+ T' }) d
# ceph osd pool ls
$ X1 Y8 P1 h! U, C, \0 ctestcpool! R# k- k, b. n. ]; {
# rados put -p testcpool object1 test# @' e- H) I6 J( b
# rados -p testcpool ls
) z6 v3 O3 B, f9 nobject1
# b3 B" C/ i$ z& K. r9 Y6、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。% d( n5 [0 ^% j. l0 h; m8 x
# ceph osd map testcpool object1
r( {& o( @1 F; }% |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)! B* Z7 D! k3 k2 W" a
! Q& _# S, | k& j/ E! A- X) _6 }
三、纠删码测试
* u7 b$ j% X$ P1 T- j; E+ j. Q1、我们先来关闭一个osd
. y5 W( z$ V7 x0 X& u. }. e# systemctl stop ceph-osd@37 J! S" } } c* U9 [7 ?4 \
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:- Q& ]# b) o: b- B
# ceph osd map testcpool object1
( t4 l0 p+ A* G3 l! K2 d( H4 q$ Aosdmap 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)% A( W' G% ]/ |# q+ S3 t; V: I9 \
2、我们再来关闭一个osd- {# `1 U2 Q0 q! Z/ [, N
# systemctl stop ceph-osd@5$ Y2 T! @' o9 P! R, 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:
2 W# {% z, K n7 o6 d# ceph osd map testcpool object1
" g/ e' U1 E; {: a8 c0 fosdmap 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)1 Y I ?; A9 h& U/ v4 g4 Z: V8 q
3、我们从纠删码池中下载文件+ u/ ~2 _- m) ^4 ^
## rados get -p testcpool object1 /tmp/devops
( N0 a- a* L: _/ E& h7 q; ?3 e B8 D0 a( y
, t# j# `9 s1 l: m
7 v$ @2 ]. D" s- \. F+ A |
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