分布式文件存储系统Ceph

1 分布式文件存储系统Ceph

 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。

1.1 Ceph介绍

​ 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都可与Ceph整合以支持虚拟机镜像的后端存储。

Ceph特点：

CRUSH算法:Crush算法是ceph的两大创新之一，简单来说，ceph摒弃了传统的集中式存储元数据寻址的方案，转而使用CRUSH算法完成数据的寻址操作。CRUSH在一致性哈希基础上很好的考虑了容灾域的隔离，能够实现各类负载的副本放置规则，例如跨机房、机架感知等。Crush算法有相当强大的扩展性，理论上支持数千个存储节点。
高性能:Ceph中的数据副本数量可以由管理员自行定义，并可以通过CRUSH算法指定副本的物理存储位置以分隔故障域，支持数据强一致性； ceph可以忍受多种故障场景并自动尝试并行修复。
高扩展性:Ceph本身并没有主控节点，扩展起来比较容易，并且理论上，它的性能会随着磁盘数量的增加而线性增长。
特性丰富:Ceph支持三种调用接口：对象存储，块存储，文件系统挂载。三种方式可以一同使用。在国内一些公司的云环境中，通常会采用ceph作为openstack的唯一后端存储来提升数据转发效率。

中文学习网：http://docs.ceph.org.cn/

Ceph架构：

组件对象讲解：

RADOS:就是这样一个可用于PB级规模数据存储集群的可伸缩的、可靠的对象存储服务，可以理解成Ceph的整个存储对象，包括逻辑对象。
File:用户上传的文件
object:上传的文件被切成N个小文件块对象，RADOS的基本存储单元。
MDS:元数据的内存缓存，为了加快元数据的访问。
CRUSH：Ceph寻址算法，用于计算当前文件存储到哪个PG对应的OSD中。
PG:对object的存储进行组织和位置映射。具体而言，一个PG负责组织若干个object（可以为数千个甚至更多），但一个object只能被映射到一个PG中，即，PG和object之间是“一对多”映射关系。同时，一个PG会被映射到n个OSD上，而每个OSD上都会承载大量的PG，即，PG和OSD之间是“多对多”映射关系。
OSD:RADOS中的存储节点被称为OSD

架构图讲解：

1:文件上传，先将文件切片成N个object（如果开启了cephFS，可以使用MDS缓存）
2:切片后的文件object会存入到Ceph中
3:文件存储前，会经过CRUSH算法，计算当前文件存储归结于哪个PG
4:PG是逻辑概念上对文件存储范围划分的索引
5:根据PG索引将文件存储到指定服务器的OSD中

1.2 Ceph集群搭建

​ 集群结构如上图，server1作为主节点(Dashbaord、mon、mds、rgw、mgr、osd)，server2和server3作为子节点(mon、mds、rgw、mgr、osd)。

节点中信息说明：

dashbaord:Ceph可视化管理界面。
rgw:RADOSGW,Ceph对象网关,使客户端能够利用标准对象存储API来访问Ceph集群。
mgr:ceph-mgr，主要目标实现 ceph 集群的管理，为外界提供统一的入口。
节点信息：
server1:192.168.100.131
server2:192.168.100.132
server3:192.168.100.133

1.2.1 准备工作

1)机器名称修改（131、132、133都执行）

我们给每台机器一个别名192.168.100.131->CENTOS1,192.168.100.132->CENTOS2,192.168.100.133->CENTOS3。

修改192.168.100.131/etc/hostname，添加CENTOS1

修改192.168.100.(同上)/etc/hostname，添加CENTOS2(同上)

修改192.168.100.133/etc/hostname，添加CENTOS3(同上)

配置名字解析IP：分别修改131、132、133的/etc/hosts文件，添加如下映射：

192.168.100.131 CENTOS1
192.168.100.132 CENTOS2
192.168.100.133 CENTOS3

2)YUM源修改（131、132、133都执行）

这里采用清华镜像源，提升加载速度。

vi /etc/yum.repos.d/ceph.repo,添加如下内容：

[Ceph]
name=Ceph packages for $basearch
baseurl=https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/ceph/rpm-mimic/el7/x86_64/
enabled=1
gpgcheck=1
type=rpm-md
gpgkey=https://download.ceph.com/keys/release.asc
[Ceph-noarch]
name=Ceph noarch packages
# 清华源
baseurl=https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/ceph/rpm-mimic/el7/noarch/
enabled=1
gpgcheck=1
type=rpm-md
gpgkey=https://download.ceph.com/keys/release.asc
[ceph-source]
name=Ceph source packages
baseurl=https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/ceph/rpm-mimic/el7/SRPMS/
enabled=1
gpgcheck=1
type=rpm-md
gpgkey=https://download.ceph.com/keys/release.asc

3)ceph与ceph-deploy安装（131）

更新yum源，并安装ceph和ceph-deploy，这个过程非常耗时间，执行如下命令：

yum update && yum -y install ceph ceph-deploy

注意：yum update和yum -y install python2-pip最好在每台机器都更新下yum。

安装过程中， 如果执行ceph-deploy出现ImportError: No module named pkg_resources,则需要安装python2-pip，执行yum -y install python2-pip安装即可。

如果遇到如下错误，安装下epel即可。

操作命令：(最好先执行该命令)

yum install epel-release -y
yum install lttng-ust -y

4)NTP时间同步工具（131执行）

为了保证时间同步，我们需要安装NTP时间同步工具：

yum install ntp ntpdate ntp-doc -y

设为开机启动：

systemctl enable ntpd

设置每隔1小时自动校准同步。编辑 vi /etc/rc.d/rc.local 追加：

/usr/sbin/ntpdate ntp1.aliyun.com > /dev/null 2>&1; /sbin/hwclock -w

配置定时任务, 执行crontab -e 加入：

0 */1 * * * ntpdate ntp1.aliyun.com > /dev/null 2>&1; /sbin/hwclock -w

5)免密配置（131、132、133都执行）

官方建议不用系统内置用户， 创建名为cuser用户， 密码也设为cuser：

useradd -d /home/cuser -m cuser
passwd cuser

设置sudo权限：(免密+只读权限)

echo "cuser ALL = (root) NOPASSWD:ALL" | sudo tee /etc/sudoers.d/cuser
sudo chmod 0440 /etc/sudoers.d/cuser

6)生成秘钥：（131执行）

切换用户： su cuser

执行ssh-keygen，一直按默认提示点击生成RSA密钥信息。

分发密钥至各机器节点

ssh-copy-id cuser@CENTOS1
ssh-copy-id cuser@CENTOS2
ssh-copy-id cuser@CENTOS3

修改管理节点上的 ~/.ssh/config （当前用户目录下的.ssh/config）文件， 简化SSH远程连接时的输入信息：

管理节点是会有root和cuser多个用户， ssh远程连接默认会以当前用户身份进行登陆， 如果我们是root身份进行远程连接， 还是需要输入密码，我们可以修改配置 使用root远程连接时也不用输入密码。

切换root身份，

su root

编辑config

vi ~/.ssh/config

添加如下内容：

Host CENTOS1
   Hostname CENTOS1
   User cuser
Host CENTOS2
   Hostname CENTOS2
   User cuser
Host CENTOS3
   Hostname CENTOS3
   User cuser

修改文件权限：

chmod 600 ~/.ssh/config

禁用SELINUX：

vi /etc/selinux/config
SELINUX=disabled

1.2.2 集群搭建

安装集群，用root安装，可以避免很多权限问题。

1)创建集群管理目录，作为ceph配置信息存储目录。

mkdir -p /usr/local/bobo/cephcluster
cd /usr/local/bobo/cephcluster

2)创建集群

ceph-deploy new CENTOS1  CENTOS2 CENTOS3

创建成功后， 会生配置文件和秘钥信息。

3)修改配置文件

编辑ceph.conf文件vi /usr/local/bobo/cephcluster/ceph.conf，添加如下配置：

#对外开放网段
public network = 192.168.100.0/24
# 设置pool池默认分配数量
osd pool default size = 2
# 容忍更多的时钟误差
mon clock drift allowed = 2
mon clock drift warn backoff = 30
# 允许删除pool
mon_allow_pool_delete = true
[mgr]
# 开启WEB仪表盘
mgr modules = dashboard

注意：Pool是存储对象的逻辑分区，它规定了数据冗余的类型和对应的副本分布策略。

完整内容如下：

文件修改后执行安装（131执行），此时3台机器都会执行安装执行如下安装命令：

ceph-deploy install  CENTOS1  CENTOS2 CENTOS3

如果出现ceph_deploy][ERROR ] RuntimeError: Failed to execute command: ceph --version错误，可以直接在每个节点单独执行yum -y install ceph进行单独安装。如果没有仓库文件ceph.repo， 按上面的步骤手工创建。

4)初始化Monitor信息

ceph-deploy mon create-initial

此时会生成很多秘钥文件信息

5)同步管理信息

ceph-deploy admin  CENTOS1  CENTOS2 CENTOS3

6)安装mgr(管理守护进程)

ceph-deploy mgr create CENTOS1  CENTOS2 CENTOS3

7)安装rgw

ceph-deploy rgw create CENTOS1 CENTOS2 CENTOS3

mds服务：

ceph-deploy mds create CENTOS1 CENTOS2 CENTOS3

注意：任意一个环节安装失败了，需要卸载重装：

ceph-deploy purge CENTOS1 CENTOS2 CENTOS3
ceph-deploy purgedata CENTOS1 CENTOS2 CENTOS3
ceph-deploy forgetkeys

将三台节点的mon信息也删除：

rm -rf /var/run/ceph/

如果出现错误：

ceph_deploy][ERROR ] RuntimeError: Failed to execute command: ceph --version

可以在各节点上单独进行安装：

yum -y install ceph

8)OSD安装

OSD服务是对象存储守护进程， 负责把对象存储到本地文件系统， 必须要有一块独立的磁盘作为存储。如果没有独立磁盘，怎么办？ 可以在Linux下面创建一个虚拟磁盘进行挂载。

添加磁盘:

执行fdisk -l查看磁盘信息如下，我们需要添加一个磁盘，直接用VMware添加即可。

使用VMware选择设置->硬盘->添加，如下图：

一直点击下一步，设置磁盘空间大小为10G即可。操作完后重启虚拟机，并输入fdisk -l查看磁盘信息如下，明显多了/dev/sdb 10G大小。

执行创建OSD命令：(注意，每条命令都是在131中执行，不要在每台机器中单独执行)

ceph-deploy osd create --data /dev/sdb CENTOS1
ceph-deploy osd create --data /dev/sdb CENTOS2
ceph-deploy osd create --data /dev/sdb CENTOS3

Monitor查看

在/usr/bin下执行./ceph -s可以查看集群状态。

可以执行ntpdate ntp1.aliyun.com同步各个节点的时间。

如果出现如下情况，执行systemctl restart ceph.target重启每个节点即可（131,132,133都执行）。

1.2.3 dashboard安装

​ Ceph 提供了原生的Dashboard功能，通过Dashboard可以获取Ceph集群的各种基本状态信息。我们接下来安装一下Dashboard，并使用它的功能。

1)开启dashboard模块

ceph mgr module enable dashboard

2)生成签名

ceph dashboard create-self-signed-cert

3)创建目录

mkdir -p /usr/local/bobo/cephcluster/mgr-dashboard

4)生成密钥对

openssl req -new -nodes -x509   -subj "/O=IT/CN=ceph-mgr-dashboard" -days 3650   -keyout dashboard.key -out dashboard.crt -extensions v3_ca

5)启动dashboard

ceph mgr module disable dashboard
ceph mgr module enable dashboard

6)设置IP与PORT

ceph config set mgr mgr/dashboard/server_addr 192.168.100.131
ceph config set mgr mgr/dashboard/server_port 9001

7)关闭HTTPS

ceph config set mgr mgr/dashboard/ssl false

8)查看服务信息

ceph mgr services

9)设置管理员账号密码

ceph dashboard set-login-credentials admin admin

10)访问<https://192.168.100.131:8443/#/dashboard>

11)RGW访问

访问 http://192.168.100.131:7480/ 效果如下：

1.3 Cephfs管理

集群创建完后， 默认没有文件系统， 我们创建一个Cephfs可以支持对外访问的文件系统。

1）创建两个存储池, 执行两条命令：

ceph osd pool create cephfs_data 128
ceph osd pool create cephfs_metadata 64

少于5个OSD可把pg_num设置为128

OSD数量在5到10，可以设置pg_num为512

OSD数量在10到50，可以设置pg_num为4096

OSD数量大于50，需要计算pg_num的值

通过下面命令可以列出当前创建的存储池：

ceph osd lspools

2）创建fs, 名称为fs_test:

ceph fs new fs_test cephfs_metadata cephfs_data

3）状态查看， 以下信息代表正常

ceph fs ls：

name: fs_test, metadata pool: cephfs_metadata, data pools: [cephfs_data ]

ceph mds stat:

fs_test-0/0/1 up

4）fuse挂载

先确定ceph-fuse命令能执行， 如果没有， 则安装：

yum -y install ceph-fuse

创建挂载目录

mkdir -p /usr/local/gupao/cephfs_directory

挂载cephfs

ceph-fuse -k /etc/ceph/ceph.client.admin.keyring -m 192.168.100.131:6789 /usr/local/gupao/cephfs_directory

出现下面信息表示挂载成功了：

ceph-fuse[28003]: starting fuse

5）挂载信息查看

[root@CENTOS1 cephcluster]# df -h
Filesystem               Size  Used Avail Use% Mounted on
devtmpfs                 4.1G     0  4.1G   0% /dev
tmpfs                    4.1G     0  4.1G   0% /dev/shm
tmpfs                    4.1G   20M  4.1G   1% /run
tmpfs                    4.1G     0  4.1G   0% /sys/fs/cgroup
/dev/mapper/centos-root   17G  2.0G   16G  12% /
/dev/sda1               1014M  189M  826M  19% /boot
tmpfs                    4.1G   28K  4.1G   1% /var/lib/ceph/osd/ceph-0
tmpfs                    838M     0  838M   0% /run/user/0
ceph-fuse                 13G     0   13G   0% /usr/local/gupao/cephfs_directory

1.4 Ceph Swift API接口开发

  Swift是由Rackspace开发的用来为云计算提供可扩展存储的项目。专注于对象存储， 并提供一套REST风格的Api来访问， 与Ceph强一致性不同， 它是最终一致性。两者都是优秀的开源项目， 并无明显优劣之分，在使用场景上有所不同， 如果是专注于对象存储， 那么可以选择swift即可满足需要， 如果还有块存储要求， 那么选择Ceph更为合适。这里选择Ceph， 因为通过网关可以适配兼容swift api， 同时在数据访问上具有较强的扩展性。

1.4.1 准备工作

创建Swift用户, 用于接口请求认证

sudo radosgw-admin user create --subuser="cephtester:subtester" --uid="cephtester" --display-name="cephtester" --key-type=swift --secret="gupao" --access=full

uid 为主用户， subuser为子用户信息， secret指定密钥， 不指定则随机生成， access拥有权限设定,代码中需使用返回信息中的user和secret_key。

swift_keys:

"swift_keys": [
    {
        "user": "cephtester:subtester",
        "secret_key": "gupao"
    }
],

创建管理员账号：

radosgw-admin user create --uid=mgruser --display-name=mgruser  --system

返回信息如下：

{
    "user_id": "mgruser",
    "display_name": "mgruser",
    "email": "",
    "suspended": 0,
    "max_buckets": 1000,
    "auid": 0,
    "subusers": [],
    "keys": [
        {
            "user": "mgruser",
            "access_key": "AZ6L40PH9WB37EKVVMCZ",
            "secret_key": "rk8PEjtYaMTo7nMDM62hqqN1tOnZPBEe4GA0LQMW"
        }
    ],
    "swift_keys": [],
    "caps": [],
    "op_mask": "read, write, delete",
    "system": "true",
    "default_placement": "",
    "placement_tags": [],
    "bucket_quota": {
        "enabled": false,
        "check_on_raw": false,
        "max_size": -1,
        "max_size_kb": 0,
        "max_objects": -1
    },
    "user_quota": {
        "enabled": false,
        "check_on_raw": false,
        "max_size": -1,
        "max_size_kb": 0,
        "max_objects": -1
    },
    "temp_url_keys": [],
    "type": "rgw",
    "mfa_ids": []
}

根据生成的access_key与secret_key， 执行：

ceph dashboard set-rgw-api-access-key AZ6L40PH9WB37EKVVMCZ
ceph dashboard set-rgw-api-secret-key rk8PEjtYaMTo7nMDM62hqqN1tOnZPBEe4GA0LQMW

打开管理界面，http://192.168.100.131:9001/#/rgw/user 可以查看到我们刚才创建的两个用户：

1.4.2 文件服务搭建

  我们搭建一个单独的工程，专门用于实现文件上传和文件下载，工程坐标如下：

<groupId>com.bobo.vip.mall</groupId>
<version>1.0-SNAPSHOT</version>
<artifactId>mall-file-service</artifactId>

pom.xml:

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<project xmlns="http://maven.apache.org/POM/4.0.0" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance" xsi:schemaLocation="http://maven.apache.org/POM/4.0.0 http://maven.apache.org/xsd/maven-4.0.0.xsd">
    <parent>
        <artifactId>mall-service</artifactId>
        <groupId>com.gupaoedu.vip.mall</groupId>
        <version>0.0.1-SNAPSHOT</version>
    </parent>
    <modelVersion>4.0.0</modelVersion>
    <artifactId>mall-file-service</artifactId>
    <description>
        文件上传微服务
    </description>
    <dependencies>
        <!-- Rados Java Api依赖 -->
        <dependency>
            <groupId>com.ceph</groupId>
            <artifactId>rados</artifactId>
            <version>0.6.0</version>
        </dependency>
        <!-- Cephfs 文件系统依赖 -->
        <dependency>
            <groupId>com.ceph</groupId>
            <artifactId>libcephfs</artifactId>
            <version>0.80.5</version>
        </dependency>
        <!--swift-->
        <dependency>
            <groupId>org.javaswift</groupId>
            <artifactId>joss</artifactId>
            <version>0.10.2</version>
        </dependency>
    </dependencies>
</project>

bootstrap.yml:

server:
  port: 8082
spring:
  application:
    name: mall-file
  cloud:
    nacos:
      config:
        file-extension: yaml
        server-addr: 192.168.100.130:8848
      discovery:
        #Nacos的注册地址
        server-addr: 192.168.100.130:8848
ceph:
  username: cephtester:subtester  #Ceph配置 主用户名：子用户名
  password: gupao #秘钥
  authUrl: http://192.168.100.131:7480/auth/1.0 #接口访问路径
  defaultContainerName: user_datainfo #默认容器名字
#图片路径
cephurl: http://localhost:8082/file/download/
#日志配置
logging:
  pattern:
    console: "%msg%n"

创建com.bobo.vip.mall.file.ceph.ContainerConfig配置类，在类中创建Account和Container对象，代码如下：

@Configuration
@ConfigurationProperties(prefix = "ceph")
@Data
public class ContainerConfig { 
    private String username;
    private String password;
    private String authUrl;
    private String defaultContainerName;
    /*** * Ceph的账户信息配置 * @return */
    @Bean
    public Account account(){ 
        // Ceph的账户信息配置
        AccountConfig config = new AccountConfig();
        config.setUsername(username);
        config.setPassword(password);
        config.setAuthUrl(authUrl);
        config.setAuthenticationMethod(AuthenticationMethod.BASIC);
        return  new AccountFactory(config).createAccount();
    }
    /*** * 容器对象 * @return */
    @Bean
    public Container container(){ 
        // 获取容器信息
        Container newContainer = account().getContainer(defaultContainerName);
        if(!newContainer.exists()) { 
            return newContainer.create();
        }else { 
            return newContainer;
        }
    }
}

创建文件上传下载工具类com.gupaoedu.vip.mall.file.ceph.FileHandler，代码如下：

@Component
public class FileHandler { 
    @Autowired
    private Container container;
    /**** * 文件上传 */
    public void upload(String filename,byte[] buffer) { 
        //获取容器对象
        StoredObject object = container.getObject(filename);
        //文件上传
        object.uploadObject(buffer);
    }
    /*** * 文件下载 */
    public byte[] download(String filename){ 
        //获取容器中远程存储的信息
        StoredObject object = container.getObject(filename);
        //执行文件下载
        byte[] bytes = object.downloadObject();
        return bytes;
    }
}

控制器创建：com.gupaoedu.vip.mall.file.controller.FileController

@RestController
@RequestMapping(value = "/file")
public class FileController { 
    @Autowired
    private FileHandler fileHandler;
    @Value("${cephurl}")
    private String cephurl;
    /*** * 文件上传 * @param file * @return */
    @PostMapping(value = "/upload")
    public RespResult upload(MultipartFile file) throws IOException { 
        //上传
        fileHandler.upload(file.getOriginalFilename(),file.getBytes());
        return RespResult.ok(cephurl+file.getOriginalFilename());
    }
    /*** * 下载 * @return */
    @GetMapping(value = "/download/{filename}")
    public void download(@PathVariable String filename, HttpServletResponse response) throws IOException { 
        //下载
        byte[] bytes = fileHandler.download(filename);
        //输出文件
        ServletOutputStream os = response.getOutputStream();
        os.write(bytes);
    }
}

创建启动类：com.gupaoedu.vip.mall.file.MallFileApplication

@SpringBootApplication(exclude = DataSourceAutoConfiguration.class)
public class MallFileApplication { 
    public static void main(String[] args) { 
        SpringApplication.run(MallFileApplication.class,args);
    }
}

文件上传测试http://localhost:8082/file/upload

文件下载测试

搭建成功~！