1.说明介绍

继上次分享的《分布式存储系统 Ceph 架构及使用场景解析》和《分布式存储Ceph之PG状态详解》，这次分享《分布式存储Ceph 块存储灾备方案》。

1.1 基本原理

RBD Mirror原理其实和MySQL的主从同步原理非常类似，前者基于journaling，后者基于binlog，简单地说就是利用日志进行回放(replay)：通过在存储系统中增加Mirror组件，采用异步复制的方式，实现异地备份。(此处的journal是指Ceph RBD的journal，而不是OSD的journal)

该能力利用了 RBD image 的日志特性，以确保集群间的副本崩溃一致性。镜像功能需要在同伴集群（ peer clusters ）中的每一个对应的 pool 上进行配置，可设定自动备份某个存储池内的所有 images 或仅备份 images 的一个特定子集。 rbd-mirror 守护进程负责从远端集群拉取 image 的更新，并写入本地集群的对应 image 中。

当RBD Journal功能打开后，所有的数据更新请求会先写入RBD Journal，然后后台线程再把数据从Journal区域刷新到对应的image区域。RBD journal提供了比较完整的日志记录、读取、变更通知以及日志回收和空间释放等功能，可以认为是一个分布式的日志系统。

1.2 工作流程

1、当接收到一个写入请求后，I/O会先写入主集群的Image Journal
2、Journal写入成功后，通知客户端
3、客户端得到响应后，开始写入image
3、备份集群的mirror进程发现主集群的Journal有更新后，从主集群的Journal读取数据，写入备份集群（和上面序号一样，是因为这两个过程同时发生）
4、备份集群写入成功后，会更新主集群Journal中的元数据，表示该I/O的Journal已经同步完成
5、主集群会定期检查，删除已经写入备份集群的Journal数据。
以上就是一个rbd-mirror工作周期内的流程，在现有的Jewel版本中30s为一次工作周期，暂时不能改变这个周期时间。

1.3 优点

1、当副本在异地的情况下，减少了单个集群不同节点间的数据写入延时；

2、减少本地集群或异地集群由于意外断电导致的数据丢失。

1.4 单向备份与双向备份

双向备份：两个集群之间互相同步，两个集群都要运行rbd-mirror进程。
单向备份：分为主集群和从集群，只在从集群运行rbd-mirror进程，主集群的修改会自动同步到从集群。

1.5 安装须知

RBD 镜像功能需要 Ceph Jewel 或更新的发行版本。
目前Jewel版本只支持一对一，不支持一对多。
两个集群 (local和remote) 需要能够互通。
RBD需要开启journal特性，启动后会记录image的事件。

2. mirroring 模式

mirroring是基于存储池进行的peer，ceph支持两种模式的镜像，根据镜像来划分有：

存储池模式

一个存储池内的所有镜像都会进行备份

镜像模式

只有指定的镜像才会进行备份

2.1 存储池模式

2.1.1 创建存储池

创建一个用于测试的存储池：

#local集群
ceph osd pool create test_pool 100 100 replicated --cluster=local
pool 'test_pool' created
 
#remote集群
ceph osd pool create test_pool 100 100 replicated --cluster=remote
pool 'test_pool' created

2.1.2 启用存储池模式

开启存储池rbdmirror的镜像功能：

#local集群
rbd  mirror pool enable test_pool pool --cluster=local
 
#remote集群
rbd mirror pool enable test_pool pool --cluster=remote

2.1.3 创建RBD

主集群创建一个测试用的RBD：

rbd create test_pool/test_image --size=1024 --cluster=local

2.1.4 主集群开启jounaling特性

启动后会才会记录image的事件，才可以被rbd-mirror检测到并同步到从集群：

rbd feature enable test_pool/test_image exclusive-lock
rbd feature enable test_pool/test_image journaling

2.1.5. 增加同伴集群

把local和remote设为同伴，这个是为了让rbd-mirror进程找到它peer的集群的存储池：

rbd mirror pool peer add test_pool client.admin@remote --cluster=local
 
rbd mirror pool peer add test_pool client.admin@local --cluster=remote
 
#如果需要删除peer 语法：
rbd mirror pool peer remove <pool-name> <peer-uuid>

查看peer的情况：

rbd mirror pool info --pool=test_pool --cluster=local
Mode: pool
Peers:
UUID NAME CLIENT
f0929e85-259d-450b-917e-9eb231b7e43b remote client.admin
 
 
rbd mirror pool info --pool=test_pool --cluster=remote
Mode: pool
Peers:
UUID NAME CLIENT
5851ba6a-e383-4ef0-9b9d-5ae34c9518a6 local client.admin

2.1.6 开启rbd-mirror的同步进程

a. 先用调试模式启动进程看看情况，在remote的机器上执行

#remote:
rbd-mirror -d --setuser ceph --setgroup ceph --cluster remote -i admin

b. 如果确认没问题就用服务来控制启动

#remote
vim /usr/lib/systemd/system/ceph-rbd-mirror@.service
 
#修改
Environment=CLUSTER=remote

c. 在remote机器上启动

systemctl start ceph-rbd-mirror@admin
ps -ef|grep rbd
ceph 4325 1 1 17:59 ? 00:00:00 /usr/bin/rbd-mirror -f --cluster remote --id admin --setuser ceph --setgroup ceph

2.1.7 检查同步结果

a. 查询local集群镜像的同步的状态

#local
rbd mirror image status test_pool/test_image --cluster remote
test_image:
 global_id: dabdbbed-7c06-4e1d-b860-8dd104509565
 state: up+replaying
 description: replaying, master_position=[object_number=2, tag_tid=2, entry_tid=3974], mirror_position=[object_number=3, tag_tid=2, entry_tid=2583], entries_behind_master=1391
 last_update: 2017-01-22 17:54:22

b. 检查数据是否同步到remote集群

#remote
rbd info test_pool/test_image

2.2 镜像模式

2.2.1 主集群开启jounaling特性

启动后会才会记录image的事件，才可以被rbd-mirror检测到并同步到从集群

#local
rbd feature enable test_pool/test_image exclusive-lock
rbd feature enable test_pool/test_image journaling

2.2.2 开启存储池的mirror的模式

#local:
rbd mirror pool enable test_pool image
 
#remote:
ceph osd pool create test_pool 100 100 replicated --cluster=remote
pool 'rbdmirror' created
 
rbd mirror pool enable test_pool image

2.2.3 开启image的mirror

#local
rbd mirror image enable test_pool/test_image
Mirroring enabled
 
rbd info test_pool/test_image --cluster=local
rbd image 'test_image':
 size 10240 MB in 2560 objects
 order 22 (4096 kB objects)
 block_name_prefix: rbd_data.105774b0dc51
 format: 2
 features: layering, exclusive-lock, journaling
 flags:
 create_timestamp: Wed Dec 13 16:46:08 2017
 journal: 105774b0dc51
 mirroring state: enabled
 mirroring global id: 013f9e35-9d08-40fc-bf24-1e11a07a0910
 mirroring primary: true

2.2.4 增加同伴集群

把local和remote设为同伴，这个是为了让rbd-mirror进程找到它peer的集群的存储池：

rbd mirror pool peer add test_pool client.admin@remote --cluster=local
 
rbd mirror pool peer add test_pool client.admin@local --cluster=remote
 
#如果需要删除peer 语法：
rbd mirror pool peer remove <pool-name> <peer-uuid>

查看peer的情况：

rbd mirror pool info --pool=test_pool --cluster=local
Mode: pool
Peers:
UUID NAME CLIENT
f0929e85-259d-450b-917e-9eb231b7e43b remote client.admin
 
 
rbd mirror pool info --pool=test_pool --cluster=remote
Mode: pool
Peers:
UUID NAME CLIENT
5851ba6a-e383-4ef0-9b9d-5ae34c9518a6 local client.admin

2.2.5 开启rbd-mirror的同步进程

a. 先用调试模式启动进程看看情况，在remote的机器上执行

#remote:
rbd-mirror -d --setuser ceph --setgroup ceph --cluster remote -i admin

b. 如果确认没问题就用服务来控制启动

#remote
vim /usr/lib/systemd/system/ceph-rbd-mirror@.service
 
#修改
Environment=CLUSTER=remote

c. 在remote机器上启动

systemctl start ceph-rbd-mirror@admin
ps -ef|grep rbd
ceph 4325 1 1 17:59 ? 00:00:00 /usr/bin/rbd-mirror -f --cluster remote --id admin --setuser ceph --setgroup ceph

2.2.6 检查同步结果

a. 查询local集群镜像的同步的状态

#local
rbd mirror image status test_pool/test_image --cluster remote
test_image:
 global_id: dabdbbed-7c06-4e1d-b860-8dd104509565
 state: up+replaying
 description: replaying, master_position=[object_number=2, tag_tid=2, entry_tid=3974], mirror_position=[object_number=3, tag_tid=2, entry_tid=2583], entries_behind_master=1391
 last_update: 2017-01-22 17:54:22

b. 检查数据是否同步到remote集群

#remote
rbd info test_pool/test_image

3. 测试对比报告

3.1 单主集群性能

3.1.1 rbd性能测试

顺序读写
//block size是4M，30个线程并发
测试结果：30线程并发，带宽：935 MB/s 平均IOPS：228.33

rbd bench-write test_image  --io-threads 30  --pool=test_pool   --io-pattern seq --io-total 17199730000 --io-size 4096000
elapsed:    18  ops:     4200  ops/sec:   228.33  bytes/sec: 935243763.72

随机读写
//block size是4M，30个线程并发
测试结果：30线程并发，带宽：936 MB/s 平均IOPS： 228.57

rbd bench-write test_image  --io-threads 30  --pool=test_pool   --io-pattern rand --io-total 17199730000 --io-size 4096000
elapsed:    18  ops:     4200  ops/sec:   228.57  bytes/sec: 936229596.77

3.2 主备集群性能

3.2.1 rbd性能测试

顺序读写
//block size是4M，30个线程并发
测试结果：30线程并发，带宽：182 MB/s 平均IOPS：44.53

rbd bench-write test_image  --io-threads 30  --pool=test_pool   --io-pattern seq --io-total 17199730000 --io-size 4096000
elapsed:    94  ops:     4200  ops/sec:    44.53  bytes/sec: 182382108.66

随机读写
//block size是4M，30个线程并发
测试结果：30线程并发，带宽：149 MB/s 平均IOPS： 36.50

rbd bench-write test_image  --io-threads 30  --pool=test_pool   --io-pattern rand --io-total 17199730000 --io-size 4096000
elapsed:   115  ops:     4200  ops/sec:    36.50  bytes/sec: 149499469.69

3.3 测试结果

通过测试结果可以看出启用rbd-mirror 会导致主集群性能下降5倍多。

工具	集群模式	块大小	并发数	顺序读写	随机读写
rbd bench-write	单主集群	4M	30	带宽：935 MB/s 平均IOPS：228.33	带宽：936 MB/s 平均IOPS： 228.57
rbd bench-write	主备集群	4M	30	带宽：182 MB/s 平均IOPS：44.53	带宽：149 MB/s 平均IOPS： 36.50

4. 分析原因

4.1 journal流程

当RBD Journal功能打开后，所有的数据更新请求会先写入Image Journal
写入成功后，通知客户端
客户端得到响应后，开始写image
备份集群的mirror进程发现主集群的Journal有更新后，从主集群的Journal读取数据，写入备份集群
备份集群写入成功后，会更新主集群Journal中的元数据，表示该I/O的Journal已经同步完成

4.2 优化

Use a small SSD/NVMe-backed pool for journals
- ‘rbd journal pool = ’
Batch multiple events into a single journal append
- ‘rbd journal object flush age = ’
Increase journal data width to match queue depth
- ‘rbd journal splay width = ’
Future work: potentially parallelize journal append + image write between write barriers

1. rbd journal pool 功能没实现
sudo ceph daemon osd.0 config set rbd_journal_pool = test_pool3
{
    "error": "error setting 'rbd_journal_pool' to '= test_pool3': (38) Function not implemented"
}
 
2. 调整参数从10-100，效果不明显
rbd_journal_object_flush_age = 100
rbd_journal_splay_width = 100

4.3 官方待改进

4.3.1 引入一致性组

journaling可以看做是另一个rbd的image（一些rados对象），一般情况下，先写日志，然后返回客户端，然后被写入底层的rbd的image，出于性能考虑，这个journal可以跟它的镜像不在一个存储池当中。
目前是一个image一个journal，最近应该会沿用这个策略，直到ceph引入一致性组。关于一致性组的概念就是一组卷，然后用的是一个RBD image。可以在所有的组中执行快照操作，有了一致性的保证，所有的卷就都在一致的状态。

3.当一致性组实现的时候，我们就可以用一个journal来管理所有的RBD的镜像，可以给一个已经存在image开启journal，ceph将会将你的镜像做一个快照，然后对快照做一个复制，然后开启journal，这都是后台执行的一个任务可以启用和关闭单个镜像或者存储池的mirror功能，

如果启用了journal功能，那么每个镜像将会被复制可以使用 rbd mirror pool enable启用它。

4.3.2 并行写

4.4 结论

由于核心流程就是先写日志，然后写image需要写两份的逻辑，所以导致性能就会有损失。
根据官方的参数优化也没有明显的效果，建议等待官方更新features。

作者介绍：李航，多年的底层开发经验，在高性能 nginx 开发和分布式缓存 redis cluster 有着丰富的经验，目前从事分布式存储 Ceph 工作。先后在 58 同城、汽车之家、优酷土豆集团工作。
目前供职于滴滴基础平台运维部 - 技术专家岗位，主要负责分布式 Ceph 系统。个人主要关注的技术领域：高性能 Nginx 开发、分布式缓存、分布式存储。

创作场景

分布式存储 Ceph RBD-Mirror 灾备实践