Kubernetes存储-Ceph存储

互联网 2022/1/12 6:06:20

Kubernetes存储-Ceph存储 原文链接:https://www.qikqiak.com/k8strain/storage/ceph/#_11 简介 Ceph 是一个统一的分布式存储系统,提供较好的性能、可靠性和可扩展性。 架构 支持的接口 ​ 1、Object:有原生 API,而且也兼容 Swift 和 S3 的 API ​ 2、Block:支持精简…

Kubernetes存储-Ceph存储

原文链接:https://www.qikqiak.com/k8strain/storage/ceph/#_11

简介

Ceph 是一个统一的分布式存储系统,提供较好的性能、可靠性和可扩展性。

架构

支持的接口

​ 1、Object:有原生 API,而且也兼容 Swift 和 S3 的 API

​ 2、Block:支持精简配置、快照、克隆

​ 3、File:Posix 接口,支持快照

image

组件

Monitor:一个 Ceph 集群需要多个 Monitor 组成的小集群,它们通过 Paxos 同步数据,用来保存 OSD 的元数据。

OSD:全称 Object Storage Device,也就是负责响应客户端请求返回具体数据的进程,一个 Ceph 集群一般都有很多个 OSD。主要功能用于数据的存储,当直接使用硬盘作为存储目标时,一块硬盘称之为 OSD,当使用一个目录作为存储目标的时候,这个目录也被称为 OSD

MDS:全称 Ceph Metadata Server,是 CephFS 服务依赖的元数据服务,对象存储和块设备存储不需要该服务。

Object:Ceph 最底层的存储单元是 Object 对象,一条数据、一个配置都是一个对象,每个 Object 包含 ID、元数据和原始数据。

Pool:Pool 是一个存储对象的逻辑分区,它通常规定了数据冗余的类型与副本数,默认为3副本。对于不同类型的存储,需要单独的 Pool,如 RBD。

PG:全称 Placement Grouops,是一个逻辑概念,一个 OSD 包含多个 PG。引入 PG 这一层其实是为了更好的分配数据和定位数据。每个 Pool 内包含很多个 PG,它是一个对象的集合,服务端数据均衡和恢复的最小单位就是 PG。

image

pool 是 ceph 存储数据时的逻辑分区,它起到 namespace 的作用

每个 pool 包含一定数量(可配置)的 PG

PG 里的对象被映射到不同的 Object 上

pool 是分布到整个集群的

FileStore与BlueStore:FileStore 是老版本默认使用的后端存储引擎,如果使用 FileStore,建议使用 xfs 文件系统。BlueStore 是一个新的后端存储引擎,可以直接管理裸硬盘,抛弃了 ext4 与 xfs 等本地文件系统。可以直接对物理硬盘进行操作,同时效率也高出很多。

RADOS:全称 Reliable Autonomic Distributed Object Store,是 Ceph 集群的精华,用于实现数据分配、Failover 等集群操作。

LibradosLibrados 是 Rados 提供库,因为 RADOS 是协议很难直接访问,因此上层的 RBD、RGW 和 CephFS 都是通过 librados 访问的,目前提供 PHP、Ruby、Java、Python、C 和 C++ 支持。

CRUSHCRUSH 是 Ceph 使用的数据分布算法,类似一致性哈希,让数据分配到预期的地方。

RBD:全称 RADOS Block Device,是 Ceph 对外提供的块设备服务,如虚拟机硬盘,支持快照功能。

RGW:全称是 RADOS Gateway,是 Ceph 对外提供的对象存储服务,接口与 S3 和 Swift 兼容。

CephFS:全称 Ceph File System,是 Ceph 对外提供的文件系统服务。

存储

块存储

典型设备:

​ 磁盘阵列,硬盘,主要是将裸磁盘空间映射给主机使用的。

优点:

​ 1、通过 Raid 与 LVM 等手段,对数据提供了保护。

​ 2、多块廉价的硬盘组合起来,提高容量。

​ 3、多块磁盘组合出来的逻辑盘,提升读写效率。

缺点:

​ 1、采用 SAN 架构组网时,光纤交换机,造价成本高。

​ 2、主机之间无法共享数据。

使用场景

​ 1、Docker 容器、虚拟机磁盘存储分配。

​ 2、日志存储

​ 3、文件存储

文件存储

典型设备

​ FTP、NFS 服务器,为了克服块存储文件无法共享的问题,所以有了文件存储,在服务器上架设 FTP 与 NFS 服务器,就是文件存储。

优点:

​ 1、造价低,随便一台机器就可以了

​ 2、方便文件可以共享

缺点:

​ 1、读写速率低

​ 2、传输速率慢

使用场景

​ 1、日志存储

​ 2、有目录结构的文件存储

对象存储

典型设备

​ 内置大容量硬盘的分布式服务器(swift, s3);多台服务器内置大容量硬盘,安装上对象存储管理软件,对外提供读写访问功能。

优点:

​ 1、具备块存储的读写高速。

​ 2、具备文件存储的共享等特性

使用场景:(适合更新变动较少的数据)

​ 1、图片存储

​ 2、视频存储

部署

由于我们这里在 Kubernetes 集群中使用,也为了方便管理,我们这里使用 Rook 来部署 Ceph 集群,Rook 是一个开源的云原生存储编排工具,提供平台、框架和对各种存储解决方案的支持,以和云原生环境进行本地集成。

Rook 将存储软件转变成自我管理、自我扩展和自我修复的存储服务,通过自动化部署、启动、配置、供应、扩展、升级、迁移、灾难恢复、监控和资源管理来实现。Rook 底层使用云原生容器管理、调度和编排平台提供的能力来提供这些功能,其实就是我们平常说的 Operator。Rook 利用扩展功能将其深度集成到云原生环境中,并为调度、生命周期管理、资源管理、安全性、监控等提供了无缝的体验。有关 Rook 当前支持的存储解决方案的状态的更多详细信息,可以参考 Rook 仓库 的项目介绍。

image

组件

​ 1、Rook Operator:Rook 的核心组件,Rook Operator 是一个简单的容器,自动启动存储集群,并监控存储守护进程,来确保存储集群的健康。

​ 2、Rook Agent:在每个存储节点上运行,并配置一个 FlexVolume 或者 CSI 插件,和 Kubernetes 的存储卷控制框架进行集成。Agent 处理所有的存储操作,例如挂接网络存储设备、在主机上加载存储卷以及格式化文件系统等。

​ 3、Rook Discovers:检测挂接到存储节点上的存储设备。

Rook 还会用 Kubernetes Pod 的形式,部署 Ceph 的 MON、OSD 以及 MGR 守护进程。Rook Operator 让用户可以通过 CRD 来创建和管理存储集群。每种资源都定义了自己的 CRD:

​ 1、RookCluster:提供了对存储机群的配置能力,用来提供块存储、对象存储以及共享文件系统。每个集群都有多个 Pool。

​ 2、Pool:为块存储提供支持,Pool 也是给文件和对象存储提供内部支持。

​ 3、Object Store:用 S3 兼容接口开放存储服务。

​ 4、File System:为多个 Kubernetes Pod 提供共享存储。

安装

首先在节点上安装lvm2软件包:

# Centos
sudo yum install -y lvm2

# Ubuntu
sudo apt-get install -y lvm2

这里部署用的是 release-1.2 版本的 Rook,部署清单文件地址:https://github.com/rook/rook/tree/release-1.2/cluster/examples/kubernetes/ceph。

从上面链接中获取 common.yaml 与 operator.yaml 两个资源清单文件:

# 会安装crd、rbac相关资源对象
$ kubectl apply -f common.yaml
# 安装 rook operator
$ kubectl apply -f operator.yaml

在继续操作之前,验证 rook-ceph-operator 是否处于“Running”状态:

$ kubectl get pod -n rook-ceph
NAME                                  READY   STATUS    RESTARTS   AGE
rook-ceph-operator-658dfb6cc4-qx9bg   1/1     Running   0          69s
rook-discover-t8xqd                   1/1     Running   0          13s
rook-discover-xxwf6                   1/1     Running   0          13s

可以看到 Operator 运行成功后,还会有一个 DaemonSet 控制器运行得 rook-discover 应用,当 Rook Operator 处于 Running 状态,我们就可以创建 Ceph 集群了。为了使集群在重启后不受影响,请确保设置的 dataDirHostPath 属性值为有效得主机路径。更多相关设置,可以查看集群配置相关文档。

创建如下资源清单:

apiVersion: ceph.rook.io/v1
kind: CephCluster
metadata:
  name: rook-ceph
  namespace: rook-ceph
spec:
  cephVersion:
    # 最新得 ceph 镜像, 可以查看 https://hub.docker.com/r/ceph/ceph/tags
    image: ceph/ceph:v14.2.5
  dataDirHostPath: /var/lib/rook  # 主机有效目录
  mon:
    count: 2
  dashboard:
    enabled: true
  storage:
    useAllNodes: true
    useAllDevices: false
    # 重要: Directories 应该只在预生产环境中使用
    directories:
    - path: /data/rook

其中有几个比较重要的字段:

  • dataDirHostPath:宿主机上的目录,用于每个服务存储配置和数据。如果目录不存在,会自动创建该目录。由于此目录在主机上保留,因此在删除 Pod 后将保留该目录,另外不得使用以下路径及其任何子路径:/etc/ceph/rook/var/log/ceph
  • useAllNodes:用于表示是否使用集群中的所有节点进行存储,如果在 nodes 字段下指定了各个节点,则必须将useAllNodes设置为 false。
  • useAllDevices:表示 OSD 是否自动使用节点上的所有设备,一般设置为 false,这样可控性较高
  • directories:一般来说应该使用一块裸盘来做存储,有时为了测试方便,使用一个目录也是可以的,当然生成环境不推荐使用目录。

除了上面这些字段属性之外还有很多其他可以细粒度控制得参数,可以查看集群配置相关文档。

现在直接创建上面的 CephCluster 对象即可,创建完成后,Rook Operator就会根据我们的描述信息去自动创建Ceph集群了。

验证

要验证集群是否处于正常状态,我们可以使用 Rook 工具箱 来运行 ceph status 命令查看。

Rook 工具箱是一个用于调试和测试 Rook 的常用工具容器,该工具基于 CentOS 镜像,所以可以使用 yum 来轻松安装更多的工具包。我们这里用 Deployment 控制器来部署 Rook 工具箱,部署的资源清单文件如下所示:

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: rook-ceph-tools
  namespace: rook-ceph
  labels:
    app: rook-ceph-tools
spec:
  replicas: 1
  selector:
    matchLabels:
      app: rook-ceph-tools
  template:
    metadata:
      labels:
        app: rook-ceph-tools
    spec:
      dnsPolicy: ClusterFirstWithHostNet
      containers:
      - name: rook-ceph-tools
        image: rook/ceph:v1.2.1
        command: ["/tini"]
        args: ["-g", "--", "/usr/local/bin/toolbox.sh"]
        imagePullPolicy: IfNotPresent
        env:
          - name: ROOK_ADMIN_SECRET
            valueFrom:
              secretKeyRef:
                name: rook-ceph-mon
                key: admin-secret
        securityContext:
          privileged: true
        volumeMounts:
          - mountPath: /dev
            name: dev
          - mountPath: /sys/bus
            name: sysbus
          - mountPath: /lib/modules
            name: libmodules
          - name: mon-endpoint-volume
            mountPath: /etc/rook
      # 如果设置 hostNetwork: false,  "rbd map" 命令会被 hang 住, 参考 https://github.com/rook/rook/issues/2021
      hostNetwork: true
      volumes:
        - name: dev
          hostPath:
            path: /dev
        - name: sysbus
          hostPath:
            path: /sys/bus
        - name: libmodules
          hostPath:
            path: /lib/modules
        - name: mon-endpoint-volume
          configMap:
            name: rook-ceph-mon-endpoints
            items:
            - key: data
              path: mon-endpoints

一旦 toolbox 的 Pod 运行成功后,我们就可以使用下面的命令进入到工具箱内部进行操作:

$ kubectl -n rook-ceph exec -it $(kubectl -n rook-ceph get pod -l "app=rook-ceph-tools" -o jsonpath='{.items[0].metadata.name}') bash

工具箱中的所有可用工具命令均已准备就绪,可满足您的故障排除需求。例如:

ceph status
ceph osd status
ceph df
rados df

比如现在我们要查看集群的状态,需要满足下面的条件才认为是健康的:

​ 1、所有 mons 应该达到法定数量

​ 2、mgr 应该是激活状态

​ 3、至少有一个 OSD 处于激活状态

​ 4、如果不是 HEALTH_OK 状态,则应该查看告警或者错误信息

# ceph status
  cluster:
    id:     01afabec-6f13-4336-a2cb-c91bbbca7798
    health: HEALTH_WARN
            OSD count 2 < osd_pool_default_size 3
 
  services:
    mon: 2 daemons, quorum a,b (age 3m)
    mgr: a(active, since 2m)
    osd: 2 osds: 2 up (since 2m), 2 in (since 2m)
 
  data:
    pools:   0 pools, 0 pgs
    objects: 0 objects, 0 B
    usage:   45 GiB used, 25 GiB / 70 GiB avail
    pgs:     

如果群集运行不正常,可以查看 Ceph 常见问题以了解更多详细信息和可能的解决方案。

Dashboard

Ceph 有一个 Dashboard 工具,我们可以在上面查看集群的状态,包括总体运行状态,mgr、osd 和其他 Ceph 进程的状态,查看池和 PG 状态,以及显示守护进程的日志等等。

我们可以在上面的 cluster CRD 对象中开启 dashboard,设置dashboard.enable=true即可,这样 Rook Operator 就会启用 ceph-mgr dashboard 模块,并将创建一个 Kubernetes Service 来暴露该服务,将启用端口 7000 进行 https 访问,如果 Ceph 集群部署成功了,我们可以使用下面的命令来查看 Dashboard 的 Service:

$ kubectl get svc -n rook-ceph
NAME                       TYPE        CLUSTER-IP       EXTERNAL-IP   PORT(S)             AGE
csi-cephfsplugin-metrics   ClusterIP   10.99.162.98     <none>        8080/TCP,8081/TCP   5m47s
csi-rbdplugin-metrics      ClusterIP   10.103.124.243   <none>        8080/TCP,8081/TCP   5m47s
rook-ceph-mgr              ClusterIP   10.102.96.161    <none>        9283/TCP            4m33s
rook-ceph-mgr-dashboard    ClusterIP   10.98.21.237     <none>        7000/TCP            4m58s
rook-ceph-mon-a            ClusterIP   10.99.73.73      <none>        6789/TCP,3300/TCP   5m20s
rook-ceph-mon-b            ClusterIP   10.108.132.47    <none>        6789/TCP,3300/TCP   5m15s

这里的 rook-ceph-mgr 服务用于报告 Prometheus metrics 指标数据的,而后面的的 rook-ceph-mgr-dashboard 服务就是我们的 Dashboard 服务,如果在集群内部我们可以通过 DNS 名称 http://rook-ceph-mgr-dashboard.rook-ceph:7000或者 CluterIP http://10.111.195.180:7000 来进行访问,但是如果要在集群外部进行访问的话,我们就需要通过 Ingress 或者 NodePort 类型的 Service 来暴露了,为了方便测试我们这里创建一个新的 NodePort 类型的服务来访问 Dashboard,资源清单如下所示:

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: rook-ceph-mgr-dashboard-external
  namespace: rook-ceph
  labels:
    app: rook-ceph-mgr
    rook_cluster: rook-ceph
spec:
  ports:
  - name: dashboard
    port: 7000
    protocol: TCP
    targetPort: 7000
  selector:
    app: rook-ceph-mgr
    rook_cluster: rook-ceph
  type: NodePort

创建完成后我们可以查看到新创建的 rook-ceph-mgr-dashboard-external 这个 Service 服务:

$ kubectl get svc -n rook-ceph
NAME                               TYPE        CLUSTER-IP       EXTERNAL-IP   PORT(S)             AGE
csi-cephfsplugin-metrics           ClusterIP   10.99.162.98     <none>        8080/TCP,8081/TCP   9m17s
csi-rbdplugin-metrics              ClusterIP   10.103.124.243   <none>        8080/TCP,8081/TCP   9m17s
rook-ceph-mgr                      ClusterIP   10.102.96.161    <none>        9283/TCP            8m3s
rook-ceph-mgr-dashboard            ClusterIP   10.98.21.237     <none>        7000/TCP            8m28s
rook-ceph-mgr-dashboard-external   NodePort    10.110.93.143    <none>        7000:32745/TCP      7s
rook-ceph-mon-a                    ClusterIP   10.99.73.73      <none>        6789/TCP,3300/TCP   8m50s
rook-ceph-mon-b                    ClusterIP   10.108.132.47    <none>        6789/TCP,3300/TCP   8m45s

现在我们需要通过 http://<NodeIp>:32745 就可以访问到 Dashboard 了。

image

但是在访问的时候需要我们登录才能够访问,Rook 创建了一个默认的用户 admin,并在运行 Rook 的命名空间中生成了一个名为 rook-ceph-dashboard-admin-password 的 Secret,要获取密码,可以运行以下命令:

$ kubectl -n rook-ceph get secret rook-ceph-dashboard-password -o jsonpath="{['data']['password']}" | base64 --decode && echo
xxxx(登录密码)

image

使用

现在我们的 Ceph 集群搭建成功了,我们就可以来使用存储了。首先我们需要创建存储池,可以用 CRD 来定义 Pool。Rook 提供了两种机制来维持 OSD:

​ 1、副本:缺省选项,每个对象都会根据 spec.replicated.size 在多个磁盘上进行复制。建议非生产环境至少 2 个副本,生产环境至少 3 个。

​ 2、Erasure Code:是一种较为节约的方式。EC 把数据拆分 n 段(spec.erasureCoded.dataChunks),再加入 k 个代码段(spec.erasureCoded.codingChunks),用分布的方式把 n+k 段数据保存在磁盘上。这种情况下 Ceph 能够隔离 k 个 OSD 的损失。

我们这里使用副本的方式,创建如下所示的 RBD 类型的存储池:

apiVersion: ceph.rook.io/v1
kind: CephBlockPool
metadata:
  name: k8s-test-pool   # operator会监听并创建一个pool,执行完后界面上也能看到对应的pool
  namespace: rook-ceph
spec:
  failureDomain: host  # 数据块的故障域: 值为host时,每个数据块将放置在不同的主机上;值为osd时,每个数据块将放置在不同的osd上
  replicated:
    size: 3   # 池中数据的副本数,1就是不保存任何副本

存储池创建完成后我们在 Dashboard 上面的确可以看到新增了一个 pool,而且集群健康状态下多了一条日志:

Health check update: too few PGs per OSD (6 < min 30) (TOO_FEW_PGS)

这是因为每个 osd 上的 pg 数量小于最小的数目30个。pgs 为8,因为是3副本的配置,所以当有4个 osd 的时候,每个 osd 上均分了8/4 *3=6个pgs,也就是出现了如上的错误小于最小配置30个,集群这种状态如果进行数据的存储和操作,集群会卡死,无法响应io,同时会导致大面积的 osd down。

我们可以进入 toolbox 的容器中查看上面存储的 pg 数量,并可以通过增加pg_num来解决这个问题:

$ ceph osd pool get k8s-test-pool pg_num
pg_num: 8

$ ceph osd pool set k8s-test-pool pg_num 64
set pool 1 pg_num to 64

$ ceph -s
  cluster:
    id:     01afabec-6f13-4336-a2cb-c91bbbca7798
    health: HEALTH_WARN
            OSD count 2 < osd_pool_default_size 3
 
  services:
    mon: 2 daemons, quorum a,b (age 18m)
    mgr: a(active, since 17m)
    osd: 2 osds: 2 up (since 16m), 2 in (since 16m)
 
  data:
    pools:   1 pools, 64 pgs
    objects: 0 objects, 0 B
    usage:   45 GiB used, 25 GiB / 70 GiB avail
    pgs:     64 active+undersized

不过需要注意的是我们这里的 pool 上没有数据,所以修改 pg 影响并不大,但是如果是生产环境重新修改 pg 数,会对生产环境产生较大影响。因为 pg 数变了,就会导致整个集群的数据重新均衡和迁移,数据越大响应 io 的时间会越长。所以,最好在一开始就设置好 pg 数。

apiVersion: storage.k8s.io/v1
kind: StorageClass
metadata:
  name: rook-ceph-block
provisioner: rook-ceph.rbd.csi.ceph.com
parameters:
  # clusterID 是 rook 集群运行的命名空间
  clusterID: rook-ceph

  # 指定存储池
  pool: k8s-test-pool

  # RBD image (实际的存储介质) 格式. 默认为 "2".
  imageFormat: "2"

  # RBD image 特性. CSI RBD 现在只支持 `layering` .
  imageFeatures: layering

  # Ceph 管理员认证信息,这些都是在 clusterID 命名空间下面自动生成的
  csi.storage.k8s.io/provisioner-secret-name: rook-csi-rbd-provisioner
  csi.storage.k8s.io/provisioner-secret-namespace: rook-ceph
  csi.storage.k8s.io/node-stage-secret-name: rook-csi-rbd-node
  csi.storage.k8s.io/node-stage-secret-namespace: rook-ceph
  # 指定 volume 的文件系统格式,如果不指定, csi-provisioner 会默认设置为 `ext4`
  csi.storage.k8s.io/fstype: ext4
# uncomment the following to use rbd-nbd as mounter on supported nodes
# **IMPORTANT**: If you are using rbd-nbd as the mounter, during upgrade you will be hit a ceph-csi
# issue that causes the mount to be disconnected. You will need to follow special upgrade steps
# to restart your application pods. Therefore, this option is not recommended.
#mounter: rbd-nbd
reclaimPolicy: Delete

直接创建上面的StorageClass资源对象,接着创建一个PVC来使用这个StorageClass对象:

apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: mysql-pv-claim
  labels:
    app: wordpress
spec:
  storageClassName: rook-ceph-block
  accessModes:
  - ReadWriteOnce
  resources:
    requests:
      storage: 20Gi

创建完成后我们可以看到我们的 PVC 对象已经是 Bound 状态了,自动创建了对应的 PV,然后我们就可以直接使用这个 PVC 对象来做数据持久化操作了。

$ kubectl get pvc -l app=wordpress
NAME             STATUS   VOLUME                                     CAPACITY   ACCESS MODES   STORAGECLASS      AGE
mysql-pv-claim   Bound    pvc-865bff43-d921-491b-9452-aeae64e80109   20Gi       RWO            rook-ceph-block   16s

在官方仓库 cluster/examples/kubernetes 目录下,官方给了个 wordpress 的例子,可以直接运行测试即可:

$ kubectl apply -f mysql.yaml
$ kubectl apply -f wordpress.yaml 

官方的这个示例里面的 wordpress 用的 Loadbalancer 类型,我们可以改成 NodePort:

$ kubectl get svc
NAME              TYPE        CLUSTER-IP      EXTERNAL-IP   PORT(S)        AGE
kubernetes        ClusterIP   10.96.0.1       <none>        443/TCP        54m
wordpress         NodePort    10.104.129.67   <none>        80:32383/TCP   51s
wordpress-mysql   ClusterIP   None            <none>        3306/TCP       63s

当应用都处于 Running 状态后,我们可以通过 `http://<任意节点IP>:32383 去访问 wordpress 应用:

image

现在我在WordPress里创建了一个Ceph测试文章。

现在将应用的Pod全部删掉重建:

$ kubectl delete pod -l app=wordpress
pod "wordpress-7bfc545758-pgzth" deleted
pod "wordpress-mysql-764fc64f97-vm6ml" deleted

$ kubectl get pod -l app=wordpress
NAME                               READY   STATUS    RESTARTS   AGE
wordpress-7bfc545758-chffm         1/1     Running   0          41s
wordpress-mysql-764fc64f97-k5phc   1/1     Running   0          41s

当 Pod 重建完成后再次访问 wordpress 应用的主页我们可以发现之前我们添加的数据仍然存在,这就证明我们的数据持久化是正确的。

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[Kubernetes存储-Ceph存储]http://www.zyiz.net/tech/detail-283907.html

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