Ceph 入门到实战之 RBD 块存储接口

时间:2022-07-23
本文章向大家介绍Ceph 入门到实战之 RBD 块存储接口，主要内容包括其使用实例、应用技巧、基本知识点总结和需要注意事项，具有一定的参考价值，需要的朋友可以参考一下。
Ceph 是一个统一的分布式存储系统，设计初衷是提供较好的性能、可靠性和可扩展性。Ceph 项目最早起源于 Sage 就读博士期间的工作（最早的成果于2004年发表），并随后贡献给开源社区。在经过了数年的发展之后，目前已得到众多云计算厂商的支持并被广泛应用。RedHat 及 OpenStack、Kubernetes 都可与 Ceph 整合以支持后端存储。

前面我们使用 ceph-deploy 搭建了 Ceph 集群，本文我们将学习使用 Ceph 集群创建资源池，创建RBD 块以及 RBD 块的使用。

1. Ceph RBD 存储使用

1.1 RBD 块存储概述

部署完 Ceph 集群之后，如何在Ceph集群中存储文件呢？ceph提供了三种接口供用户使用，分别是：

  • rbd，块存储，以块的方式使用，通常适用于和虚拟化如KVM结合，用于给虚拟化提供块存储设备
  • object storage，对象存储，通过radosgw提供对象存储api，供用户上传put和get下载对象文件
  • cephfs文，件存储，以cephfs挂载文件系统的方式使用ceph

A block is a sequence of bytes (for example, a 512-byte block of data). Block-based storage interfaces are the most common way to store data with rotating media such as hard disks, CDs, floppy disks, and even traditional 9-track tape. The ubiquity of block device interfaces makes a virtual block device an ideal candidate to interact with a mass data storage system like Ceph.

RBD（Rados Block Device）即Ceph提供的块存储接口，提供一个连续的序列化空间（可以理解为一个image），块存储能够实现传统存储介质如硬盘，CD，磁带库等存储的功能，RBD能够为虚拟机提供一个大规模，可扩展的存储空间，简单点来说，能够为虚拟机提供磁盘，可以在磁盘上做磁盘分区，格式化等操作，其具有如下特点：

  • Thin-provisioned，预分配，即瘦模式，随使用空间增长而增长
  • Images up to 16 exabytes，镜像最大可以支持16EB
  • Configurable striping，支持配置条带模式，
  • In-memory caching,内存缓存
  • Snapshots，快照
  • Copy-on-write cloning，copy-on-write克隆，用于大规模分发机器
  • Kernel driver support，内核驱动支持，内核支持rbd，cephfs
  • KVM/libvirt support，支持KVM和libvirt，用于KVM虚拟化场景
  • Back-end for cloud solutions，终端云解决方案，支持OpenStack，CloudStack，K8S等
  • Incremental backup，增量备份
  • Disaster recovery (multisite asynchronous replication)，灾难恢复，支持多地域异步复制

1.2 创建资源池 pool

我们先以Ceph RBD的方式来介绍Ceph集群的使用，通过在Ceph集群中创建一个RBD块文件供用户进行使用，要使用Ceph，首先需要一个资源池pool，pool是Ceph中数据存储抽象的概念，其由多个pg（Placegroup)和pgp组成，创建的时候可以指定pg的数量，pg的大小一般为2^n次方，如下先创建一个pool

1、创建一个pool，其名字为happylau，包含64个PG/PGP，

[root@node-1 ~]# ceph osd pool create happylau 64 64
pool 'happylau' created

2、可以查看pool的信息，如查看当前集群的pool列表——lspools,可以使用df查看资源池的存储空间

# 查看pool列表
[root@node-1 ~]# ceph osd lspools
1 happylau

# 查看存储空间使用情况
[root@node-1 ~]# ceph df
GLOBAL:
    SIZE        AVAIL       RAW USED     %RAW USED
    147 GiB     144 GiB      3.0 GiB          2.07
POOLS:
    NAME         ID     USED       %USED     MAX AVAIL     OBJECTS
    happylau     1      14 MiB      0.03        46 GiB          24

3、查看pg_num和pgp_num,副本数size大小

# 查看pg和pgp数量
[root@node-1 ~]# ceph osd pool get happylau pg_num
pg_num: 64
[root@node-1 ~]# ceph osd pool get happylau pgp_num
pgp_num: 64

# 查看size大小,默认为三副本
[root@node-1 ~]# ceph osd pool get happylau size
size: 3

关于pg_num和pgp_num的数量，官方推荐的计算方案为，每个OSD推荐使用100个PG，OSD的数量*100/pool副本数量，然后取最近2的^n次方的值，套公式，其值为：PGs=3*100/3=100，取最近的值为128，此时的设置低于官方建议。

             (OSDs * 100)
Total PGs =  ------------
              pool size

4、调整pool的pg_num和pgp_num数量,调整pg和pgp会涉及到数据迁移，如果线上业务情评估好，在低峰期做操作，避免数据rebalancing造成业务影响

[root@node-1 ~]# ceph osd pool set happylau pg_num 128
[root@node-1 ~]# ceph osd pool set happylau pgp_num 128

5、调整副本数，可以根据需要调整资源池pool的副本数，默认为三个，也可以手动调整pool副本数量的个数，以下调整pool资源池副本数量为2个副本

[root@node-1 ~]# ceph osd pool set happylau size 2
set pool 1 size to 2

查看校验pool副本个数
[root@node-1 ~]# ceph osd pool get happylau size
size: 2

此时，如果集群中有数据，Ceph会自动做数据均衡（rebalancing），将多余的pg同步到其他osd，确保当前pool资源池的副本数为2个，此时使用ceph -s查看集群，可以看到pool资源池的pg的数量

[root@node-1 ~]# ceph -s
  cluster:
    id:     760da58c-0041-4525-a8ac-1118106312de
    health: HEALTH_WARN
            application not enabled on 1 pool(s)
 
  services:
    mon: 1 daemons, quorum node-1
    mgr: node-1(active)
    osd: 3 osds: 3 up, 3 in
 
  data:
    pools:   1 pools, 128 pgs  #PGs数量
    objects: 24  objects, 14 MiB
    usage:   3.0 GiB used, 144 GiB / 147 GiB avail
    pgs:     128 active+clean
 
  io:
    client:   3.2 KiB/s wr, 0 op/s rd, 0 op/s wr

由上可以看到Ceph集群当前的整体情况，包含有cluster，services，data，io信息，health状态可以看到集群当前处于告警HEALTH_WARN状态，告警提示内容为“application not enabled on 1pool(s)”，资源池pool未启用application，Ceph 推荐开启application的功能。

6、开启application功能,application即设置资源池pool存储接口类型，包含三种：rbd，cephfs和,rgw，可以根据资源池pool的类型，设置不同的application，如下开启资源池为rbd类型

[root@node-1 ~]# ceph osd pool application enable happylau rbd
enabled application 'rbd' on pool 'happylau'

[root@node-1 ~]# ceph osd pool application get happylau
{
    "rbd": {}
}

再次查看Ceph，可以看到Ceph此时处于Health状态

[root@node-1 ~]# ceph -s
  cluster:
    id:     760da58c-0041-4525-a8ac-1118106312de
    health: HEALTH_OK
 
  services:
    mon: 1 daemons, quorum node-1
    mgr: node-1(active)
    osd: 3 osds: 3 up, 3 in
 
  data:
    pools:   1 pools, 128 pgs
    objects: 24  objects, 14 MiB
    usage:   3.0 GiB used, 144 GiB / 147 GiB avail
    pgs:     128 active+clean

至此，Ceph资源池pool相关操作到此完毕，接下来在pool中创建镜像。

1.3 RBD 块存储使用

Ceph RBD块存储主要为虚拟化如KVM提供块存储设备，KVM需要依赖于qemu和libvirt和RBD块存储交互，这也是和云平台如OpenStack，CloudStack，Kubernetes交互的基础，因此非常有必要掌握Ceph原生RBD块存储的使用。由于当前Ceph集群未与虚拟化或者云平台进行集成，因此采用原生的rbd接口与Ceph进行交互（云平台通过调用rbd接口完成块存储生命周期管理）。

1、rbd块存储接口交互的工具为rbd，通过rbd命令来实现RBD块的创建，如创建一个10G的块存储

[root@node-1 ~]# rbd create -p happylau --image ceph-rbd-demo.img --size 10G

2、如上创建了一个ceph-rbd-demo.img的RBD块文件，大小为10G，可以通过ls和info查看RBD镜像的列表和详情信息

# 查看RBD镜像列表
[root@node-1 ~]# rbd -p happylau ls
ceph-rbd-demo.img

# 查看RBD详情，可以看到镜像包含2560个objects，每个ojbect大小为4M，对象以rbd_data.10b96b8b4567开头
[root@node-1 ~]# rbd -p happylau info ceph-rbd-demo.img
rbd image 'ceph-rbd-demo.img':
  size 10 GiB in 2560 objects
  order 22 (4 MiB objects)
  id: 10b96b8b4567
  block_name_prefix: rbd_data.10b96b8b4567
  format: 2
  features: layering, exclusive-lock, object-map, fast-diff, deep-flatten
  op_features:
  flags:
  create_timestamp: Mon Mar  2 15:32:39 2020

3、RBD存储块已创建起来了，如何使用呢？如果已和虚拟化环境结合，创建好虚拟机然后在磁盘中写数据即可，但此时还未与虚拟化结合（结合难度也比较大，后续再专门讨论），rbd提供了一个map的工具，可以将一个RBD块映射到本地块进行使用，大大简化了使用过程，rbd map时候，exclusive-lock, object-map, fast-diff, deep-flatten的features不支持，因此需要先disable，否则会提示RBD image feature set mismatch报错信息

# 关闭默认的featrues
[root@node-1 ~]# rbd -p happylau --image ceph-rbd-demo.img feature disable deep-flatten
[root@node-1 ~]# rbd -p happylau --image ceph-rbd-demo.img feature disable fast-diff
[root@node-1 ~]# rbd -p happylau --image ceph-rbd-demo.img feature disable object-map
[root@node-1 ~]# rbd -p happylau --image ceph-rbd-demo.img feature disable exclusive-lock

# 查看校验featrue信息
[root@node-1 ~]# rbd -p happylau info ceph-rbd-demo.img
rbd image 'ceph-rbd-demo.img':
  size 10 GiB in 2560 objects
  order 22 (4 MiB objects)
  id: 10b96b8b4567
  block_name_prefix: rbd_data.10b96b8b4567
  format: 2
  features: layering
  op_features:
  flags:
  create_timestamp: Mon Mar  2 15:32:39 2020
  
# 将RBD块map到本地,此时map后，可以看到RBD块设备映射到了本地的一个/dev/rbd0设备上
[root@node-1 ~]# rbd map -p happylau --image ceph-rbd-demo.img
/dev/rbd0
[root@node-1 ~]# ls -l /dev/rbd0
brw-rw---- 1 root disk 251, 0 3月   2 15:58 /dev/rbd0

4、RBD块设备已映射到本地的/dev/rbd0设备上，因此可以对设备进行格式化操作使用

# 通过device list可以查看到当前机器RBD块设备的映射情况
[root@node-1 ~]# ls -l /dev/rbd0
brw-rw---- 1 root disk 251, 0 3月   2 15:58 /dev/rbd0

# 该设备可以像本地的一个盘来使用，因此可以对其进行格式化操作
[root@node-1 ~]# mkfs.xfs /dev/rbd0
meta-data=/dev/rbd0              isize=512    agcount=16, agsize=163840 blks
         =                       sectsz=512   attr=2, projid32bit=1
         =                       crc=1        finobt=0, sparse=0
data     =                       bsize=4096   blocks=2621440, imaxpct=25
         =                       sunit=1024   swidth=1024 blks
naming   =version 2              bsize=4096   ascii-ci=0 ftype=1
log      =internal log           bsize=4096   blocks=2560, version=2
         =                       sectsz=512   sunit=8 blks, lazy-count=1
realtime =none                   extsz=4096   blocks=0, rtextents=0
[root@node-1 ~]# blkid /dev/rbd0
/dev/rbd0: UUID="35f63145-0b62-416d-81f2-730c067652a8" TYPE="xfs"

# 挂载磁盘到系统中
[root@node-1 ~]# mkdir /mnt/ceph-rbd
[root@node-1 ~]# mount /dev/rbd0 /mnt/ceph-rbd/
[root@node-1 ~]# df -h /mnt/ceph-rbd/
文件系统        容量  已用  可用 已用% 挂载点
/dev/rbd0        10G   33M   10G    1% /mnt/ceph-rbd
[root@node-1 ~]# cd /mnt/ceph-rbd/
[root@node-1 ceph-rbd]# echo "testfile for ceph rbd" >rbd.log

5、通过rbd info可以看到镜像块存储对象的前缀为rbd_data.10b96b8b4567，即存储被切割为多个object，object的前缀以rbd_data.10b96b8b4567开头，可以通过rados查看存储池中的obejct,这些object会随着真实使用空间的增长而自动增长

rados对象检索

可以在rbd映射的磁盘中写入更多的数据，然后再通过rados查看object的情况，会发现创建了更多的object用于存储数据。object最大数量不会超过2560个，即10G（每个object 4M*2560）

6、至此，已经完成了rbd存储的创建和通过kernel的方式挂在到系统中使用，这种使用方式相对较少，一般以KVM的libvirt/qemu方式进行对接，如果需要卸载可以按照如下方式进行

# 卸载文件系统
[root@node-1 ~]# umount  /dev/rbd0

# 卸载块存储,再次使用rbd device ls查看显示为空则为卸载成功
[root@node-1 ~]# rbd device unmap -p happylau --image ceph-rbd-demo.img

2. Ceph 入门到实战课程

本文节选自 《Ceph 入门到实战》课程内容，本课程结合在企业实践由浅入深全面剖析 Ceph 存储，一共分为三篇：基础篇、进阶篇和高阶篇（课程内容已录制完成）。

基础篇: 介绍 Ceph 的基础概念，Ceph 分布式集群部署，RBD 块存储的使用，RGW 对象存储使用，CephFS 文件存储的使用。

进阶篇: 介绍 Ceph 运维中常见的操作，包括集群扩容，集群管理，CRUSHMAP 定制，RBD 快照克隆，RBD 增量备份与恢复，RGW 高可用集群。

高阶篇: 介绍 Ceph 和 Kubernetes 集成，Ceph 与 KVM 集成，Ceph 与 OpenStack 云平台集成，SDK 开发等内容。

说了这么多，看看目录吧

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