腾讯云存储专家深度解读基于 Ceph 对象存储的混合云机制

摘要

毫无疑问,乘着云计算发展的东风,Ceph 已经是当今最火热的软件定义存储开源项目。如下图所示,它在同一底层平台之上可以对外提供三种存储接口,分别是文件存储、对象存储以及块存储,本文主要关注的是对象存储即 radosgw。

背景

毫无疑问,乘着云计算发展的东风,Ceph 已经是当今最火热的软件定义存储开源项目。如下图所示,它在同一底层平台之上可以对外提供三种存储接口,分别是文件存储、对象存储以及块存储,本文主要关注的是对象存储即 radosgw。

基于 Ceph 可方便快捷地搭建安全性好、可用性高、扩展性好的私有化存储平台。私有化存储平台虽然以其安全性的优势受到越来越多的关注,但私有化存储平台也存在诸多弊端。

例如在如下场景中,某跨国公司需要在国外访问本地的业务数据,我们该如何支持这种远距离的数据访问需求呢。如果仅仅是在私有化环境下,无非以下两种解决方案:

直接跨地域去访问本地数据中心中的数据,毫无疑问,这种解决方案会带来较高的访问延迟

在国外自建数据中心,不断将本地的数据异步复制到远程数据中心,这种解决方案的缺点是成本太高

在这种场景下,单纯的私有云存储平台并不能很好的解决的上面的问题。但是,通过采用混合云解决方案却能较好地满足上述需求。对于前文所述远距离数据访问的场景,我们完全能借助公有云在远程的数据中心节点作为存储点,将本地数据中心的数据异步复制到公有云,再通过终端直接访问公有云中的数据,这种方式在综合成本和快捷性方面具备较大优势,适合这种远距离的数据访问需求。

发展现状:RGW Cloud Sync 发展历程

基于 Ceph 对象存储的混合云机制是对 Ceph 生态的良好补充,基于此,社区将在 Mimic 这个版本上发布 RGW Cloud Sync 特性,初步支持将 RGW 中的数据导出到支持 s3 协议的公有云对象存储平台,比如我们测试中使用的腾讯云 COS,同 Mulsite 中的其他插件一样,RGW Cloud Sync 这个特性也是做成了一个全新的同步插件(目前称之为 aws sync module),能兼容支持 S3 协议。RGW Cloud Sync 特性的整体发展历程如下:

Suse 公司贡献了初始版本,这个版本仅支持简单上传 Red Hat 在这个初始版本之上实现了完整语义的支持,比如 multipart 上传、删除等,考虑到同步大文件的时候可能会造成内存爆炸的问题,还实现了流式上传

对于 Ceph 社区即将在 M 版本发布的这个公有云同步特性,腾讯云存储团队也在不断关注并进行了实际落地测试使用,并根据其中存在的问题进行了反馈及开发。在实际测试过程中,我们搭建了如下所示的运行环境:

其中,Cloud Zone 内部包含一个公有云同步插件,它被配置为只读 zone,用以将 Rgw Zone 中写入的数据跨地域同步至腾讯云公有云对象存储平台 COS 之上。顺利实现将数据从 RGW 中同步备份至公有云平台,并且支持自由定制来实现将数据导入至不同云端路径,同时我们还完善了同步状态显示功能,能较快监测到同步过程中发生的错误以及当前落后的数据等。

核心机制 Multisite

RGW Cloud Sync 这个特性本质上是基于 Multisite 之上的一个全新的同步插件(aws sync module)。首先来看 Multisite 的一些核心机制。Multisite 是 RGW 中数据远程备份的一种解决方案,本质上来说它是一种基于日志的异步复制策略,下图为一个 Multisite 的示意图。

Multisite 中主要有以下基本概念:

Zone:存在于一个独立的 Ceph 集群,由一组 rgw 提供服务,对应一组后台的 poolZonegroup:包含至少一个 Zone,Zone 之间同步数据和元数据 Realm:一个独立的命名空间,包含至少一个 Zonegroup,Zonegroup 之间同步元数据

下面来看 Multisite 中的一些工作机制,分别是 Data Sync、Async Framework、Sync Plugin 这三部分。其中 Data Sync 部分主要分析 Multisite 中的数据同步流程,Async Framework 部分会介绍 Multisite 中的协程框架,Sync Plugin 部分会介绍 Multisite 中的一些同步插件。

Data Sync

Data Sync 用以将一个 Zonegroup 内的数据进行备份,一个 Zone 内写入的数据会最终同步到 Zonegroup 内所有 Zone 上,一个完整的 Data Sync 流程包含如下三步:

Init:将远程的 source zone 与 local zone 建立日志分片对应关系,即将远程的 datalog 映射到本地,后续通过 datalog 就知道有没有数据需要更新 Build Full Sync Map:获取远程 bucket 的元信息并建立映射关系来记录 bucket 的同步状态,如果配置 multisite 的时候 source zone 是没有数据的,则这步会直接跳过 Data Sync:开始 object 数据的同步,通过 RGW api 来获取 source zone 的 datalog 并消费对应的 bilog 来同步数据

下面以一个 bucket 中数据的增量同步来阐述 Data Sync 的工作机制。了解 RGW 的人都应该知道,一个 bucket 实例至少包含一个 bucket shard,Data Sync 是以 bucket shard 为单位来同步的,每个 bucket shard 有一个 datalog shard 及 bilog shard 与之对应。在建立完对应关系及进行完全量同步之后,本地 Zone 会记录 Sourcezone 每个 datalog 分片对应的 sync_marker。此后 local zone 会定期将 sync_marker 与远程 datalog 的 max_marker 比对,若仍有数据未同步,则通过 rgw 消费 datalog entry,datalog entry 中记录了对应的 bucket shard,消费 bucket shard 对应的 bilog 则可进行数据同步。如下面这个图所示,远程的 datalog 是以 gw_data_chang_log_entry 这样一种格式来存储日志的,我们可发现,每条 datalog entry 中包含 rgw_data_change 这样一个域,而 rgw_data_change 中包括的 key 这个域则是 bucket shard 的名字,之后就可以找到与之对应的 bilog shard,从而消费 bilog 来进行增量同步。而全量同步其实就是没有开始这个 sync_marker, 直接从头开始消费 datalog 来进行数据同步。

Async Framework

RGW 中使用的异步执行框架是基于 boost::asio::coroutine 这个库来开发的,它是一个 stackless coroutine,和常见的协程技术不同,Async Framework 没有使用 ucontext 技术来保存当前堆栈信息来支持协程,而是使用宏的技巧来达到类似效果,它通过 reenter/yield/fork 几个伪关键字(宏)来实现协程。

RGWCoroutine 是 RGW 中定义的关于协程的抽象类,它本身也是 boost::asio::coroutine 的子类,它是用于描述一个任务流的,包含一个待实现的隐式状态机。RGWCoroutine 可以 call 其他 RGWCoroutine,也可以 spawn 一个并行的 RGWCoroutine。RGWCoroutine 类会包含一个 RGWCoroutinesStack 成员,使用 call 调用其他 RGWCoroutine 的时候会将其对应的任务流都存储在堆栈上,直到所有任务流完成之后控制权才会回到调用者处。然而,spawn 一个新的 RGWCoroutine 时候会生成一个新的任务栈来存储任务流,它不会阻塞当前正在执行的任务流。当一个协程需要执行一个异步 IO 操作的时候,它会标记自身为阻塞状态,而这个 IO 事件会在任务管理器处注册,一旦 IO 完成后任务管理器会解锁当前堆栈,从而恢复这个协程的控制。下图为一个简单的协程使用例子,实现了一个有预定周期的请求处理器。

Sync Plugin

前文所述的数据同步过程是将数据从一个 ceph zone 同步到另一 ceph zone,我们完全可以将过程抽象出来,使数据同步变得更加通用,方便添加不同的 sync module 来实现将数据迁移到不同的目的地。因为上层消费 datalog 的逻辑都是一致的,只有最后一步上层数据到目的地这步是不一样的,因此我们只需实现数据同步和删除的相关接口就可实现不同的同步插件,每个插件在 RGW 中都被称为一个 sync module,目前 Ceph 中有以下四个 sync module:

rgw:默认 sync module,用以在 ceph zone 之间同步数据 log:用于获取 object 的扩展属性并进行打印 elasticsearch:用于将数据的元信息同步至 ES 以支持一些搜索请求 aws:Mimic 版本发布,用于导出 RGW 中的数据到支持 S3 协议的对象存储平台 RGW Cloud Sync Streaming process

前文讲到 Suse 公司贡献了 RGW Cloud Sync 的初始版本,如下图所示,它的一个同步流程逻辑上来说主要分为三步,第一通过 aws sync module 通过 http connection 将远程的 object 拉取过来装载至内存中,之后将这个 object put 到云端,之后云端会返回一个 put result。

对于小文件来说,这个流程是没问题的,但是如果这个 object 比较大的情况,全部 load 到内存中就有问题了,因此 Red Hat 在此基础之上支持了 Streaming process。本质上是使用了一个新的协程,这里称之为 pipe CR,它采用类似管道的机制,同时保持两个 http connection,一个用于拉取远程 object,一个用于上传 object,且这两个过程是并行的,这样可以有效防止内存爆炸,具体如下图所示。

Multipart upload

Multipart upload 是在 Streaming process 基础之上用以支持大文件的分片上传。它的整体流程如下:

Json config

公有云存储环境相对来说比较复杂,需要更加复杂的配置来支持 aws sync module 的使用,因此 Red Hat 在这个插件上支持了 json config。

相对其他插件来说主要增加了三个配置项,分别是 host_style, acl_mapping,target_path,其中 host_style 是配置域名的使用格式,acl_mapping 是配置 acl 信息的同步方式,target_path 是配置元数据在目的处的存放点。如下图所示为一个实际使用的配置,它表示配置了 aws zone,采用 path-style 这种域名格式,target_path 是 rgw 加其所在 zonegroup 的名字并加上它的 user_id,之后是它的 bucket 名字,最终这个 object 在云端的路径就是 target_path 加上 object 名字。

后续工作

根据社区的规划,关于 RGW Cloud Sync 方面的后续工作主要有以下四项:

同步状态显示的优化,比如显示落后的 datalog、bucket、object 等,同时将一些同步过程中发生的错误上报至 Monitor 数据的反向同步,即支持将公有云的数据同步至 RGW 支持将 RGW 的数据导入更多的公有云平台,而不是仅仅支持 S3 协议的平台在此基础之上以 RGW 为桥梁来实现不同云平台之间的数据同步


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