Ceph 糾刪碼配置與插件差異綜合報告



目錄

  1. 引言
  2. Ceph 糾刪碼中的 CRUSH 參數配置
    • 2.1 Crush num failure domain（故障域數量）
    • 2.2 Crush osds per failure domain（每個故障域的 OSD 數量）
  3. Ceph 糾刪碼插件的差異
    • 3.1 Jerasure 插件
    • 3.2 ISA 插件
    • 3.3 SHEC 插件
    • 3.4 插件對比總結
  4. Clay 糾刪碼插件的配置
    • 4.1 Crush num failure domain 和 Crush osds per failure domain 的設定
    • 4.2 Technique 參數的差異
  5. 結論
  6. 參考資料

1. 引言

Ceph 是一個強大的分散式儲存系統，提供了物件、區塊和檔案級別的儲存介面。為了實現高效的儲存利用率和資料可靠性，Ceph 支援糾刪碼（Erasure Coding）作為一種資料保護機制。本報告將深入探討 Ceph 糾刪碼配置中的關鍵參數，比較不同的糾刪碼插件，並詳細介紹 Clay 糾刪碼插件的配置和技術差異。

2. Ceph 糾刪碼中的 CRUSH 參數配置

在 Ceph 中，CRUSH（Controlled Replication Under Scalable Hashing）演算法用於決定資料在叢集中的分佈方式。對於糾刪碼池，以下兩個參數至關重要：

2.1 Crush num failure domain（故障域數量）

定義： 指定糾刪碼資料塊和校驗塊分佈的故障域數量，即資料將被分佈到多少個不同的故障域（如主機、機架等）。

作用：

  • 故障容忍度： 確保即使一個或多個故障域發生故障，資料仍然可以被恢復。
  • 資料分佈： 控制資料塊和校驗塊在叢集中的分佈，以優化效能和可靠性。

範例： 如果設定 crush num failure domain = 6，且故障域為主機級別，資料將被分佈到 6 個不同的主機上。

2.2 Crush osds per failure domain（每個故障域的 OSD 數量）

定義： 指定每個故障域內用於儲存糾刪碼資料塊和校驗塊的 OSD 數量。

作用：

  • 資料區域性： 控制資料在故障域內的分佈，提高讀寫效能。
  • 資源利用： 確保每個故障域內的儲存資源得到充分利用。

範例： 如果設定 crush osds per failure domain = 2，則在每個故障域（例如，每台主機）中，將有 2 個 OSD 用於儲存資料。

3. Ceph 糾刪碼插件的差異

Ceph 提供了多種糾刪碼插件，每種插件都有其獨特的編碼演算法和適用場景。以下詳細比較 Jerasure、ISA 和 SHEC 插件。

3.1 Jerasure 插件

概述：

  • 基於 Jerasure 庫，實現了 Reed-Solomon 等多種編碼演算法。
  • 是 Ceph 最早支援的糾刪碼插件之一。

特點：

  • 演算法支援： Reed-Solomon、Cauchy Reed-Solomon、Liberation 等。
  • 靈活性： 支援任意 k（資料塊數）和 m（校驗塊數）的組合。
  • 效能： 編碼/解碼過程對 CPU 資源消耗較高，效能相對一般。

優點：

  • 成熟穩定： 經受了廣泛的測試和部署。
  • 靈活性高： 適用於多種場景和配置需求。

缺點：

  • 效能一般： 在高併發和大規模資料情況下，可能成為效能瓶頸。

3.2 ISA 插件

概述：

  • 利用 Intel Storage Acceleration Library（ISA-L） 實現糾刪碼。
  • 針對 Intel CPU 的 SIMD 指令集進行了優化。

特點：

  • 演算法支援： 高效能的 Reed-Solomon 編碼。
  • 效能優化： 編碼/解碼速度快，CPU 佔用率低。
  • 硬體依賴： 最佳效能需要支援 SIMD 指令的 Intel CPU。

優點：

  • 高效能： 適合對效能要求高的應用場景。
  • 資源高效： 降低了對 CPU 資源的消耗。

缺點：

  • 硬體限制： 在非 Intel 或不支援 SIMD 的 CPU 上，效能優勢不明顯。
  • 演算法有限： 僅支援 Reed-Solomon 編碼。

3.3 SHEC 插件

概述：

  • 代表 Scalable Healing Codes，旨在優化資料恢復過程。
  • 透過減少恢復所需的 I/O 和網路頻寬，提高恢復效率。

特點：

  • 恢復優化： 在部分資料遺失的情況下，只需讀取較少的資料塊即可完成恢復。
  • 配置靈活： 透過參數調整編碼的區域性和容錯級別。
  • 儲存開銷： 可能會有額外的儲存開銷。

優點：

  • 快速恢復： 減少了恢復過程中的資料讀取和傳輸量。
  • 效能提升： 降低了恢復對叢集效能的影響。

缺點：

  • 配置複雜： 需要深入理解參數才能有效配置。
  • 適用性有限： 主要適用於需要頻繁資料恢復的場景。

3.4 插件對比總結

特性JerasureISASHEC
演算法支援多種編碼演算法（Reed-Solomon 等）Reed-Solomon（硬體優化）Scalable Healing Codes（可擴展恢復碼）
效能中等，CPU 密集型高，利用硬體加速中等，優化恢復效能
CPU 使用率高低（在支援的硬體上）中等
靈活性高，支援多種 k 和 m 組合中等，主要支援 Reed-Solomon中等，透過參數調整恢復特性
硬體依賴無特殊依賴需要支援 SIMD 指令的 Intel CPU無特殊依賴
恢復效率標準標準高，優化了恢復過程
配置複雜度低到中等低到中等高，需要深入理解參數
適用場景通用場景，需要靈活配置高效能需求，運行在 Intel 硬體上需要快速恢復的環境

4. Clay 糾刪碼插件的配置

4.1 Crush num failure domain 和 Crush osds per failure domain 的設定

場景： 使用 Clay 糾刪碼，參數為 k=4，m=2。

推薦配置：

  • crush num failure domain = 6
    • 原因： 將資料塊和校驗塊分佈到 k + m = 6 個故障域，最大化資料可靠性。
  • crush osds per failure domain = 1
    • 原因： 每個故障域內僅一個 OSD，避免單個故障域內的多個 OSD 故障導致資料不可用。

配置範例：

ceph osd erasure-code-profile set myclayprofile plugin=clay k=4 m=2 crush-failure-domain=host crush-num-failure-domain=6 crush-osds-per-failure-domain=1 helper-chunks=2


在有限主機數量下的配置：

情況： 僅有 3 台主機。

  • 設定：
    • crush num failure domain = 3
    • crush osds per failure domain = 2
  • 影響：
    • 容錯能力降低： 只能容忍單個主機故障。
    • 風險增加： 多個主機故障或每個主機上一個 OSD 故障都會導致資料不可恢復。
  • 建議：
    • 加強監控和維護，避免同時有多個 OSD 或主機離線。
    • 如果可能，增加主機數量以提高容錯能力。

4.2 Technique 參數的差異

technique 參數用於指定 Clay 糾刪碼的底層編碼技術。

可選項：

  1. reed_sol_van

    • 描述： 基於 Vandermonde 矩陣的 Reed-Solomon 編碼。
    • 特點：
      • 通用性強，靈活性高。
      • 效能一般，計算複雜度高。
    • 適用場景： 對效能要求不高，需支援任意 k 和 m 組合。

  2. reed_sol_r6_op

    • 描述： 針對 RAID-6 優化的 Reed-Solomon 編碼。
    • 特點：
      • 高效能，資源消耗低。
      • 僅支援 m=2，靈活性受限。
    • 適用場景： 需要高效能，容錯級別為雙校驗塊的場景。

  3. cauchy_good

    • 描述： 基於柯西矩陣的 Reed-Solomon 編碼，優化了編碼效能。
    • 特點：
      • 編碼/解碼速度快，資源效率高。
      • 實現複雜度較高，需要處理柯西矩陣。
    • 適用場景： 需要高效能且容錯級別較高的場景。

選擇建議：

  • 高容錯需求（m > 2）： 選擇 reed_sol_van 或 cauchy_good。
  • 效能優先，容錯為 m=2： 選擇 reed_sol_r6_op。
  • 希望實現簡單： 選擇 reed_sol_van。
  • 追求效能優化，有技術能力： 選擇 cauchy_good。

5. 結論

Ceph 提供了靈活而強大的糾刪碼功能，透過合理配置 CRUSH 參數和選擇合適的糾刪碼插件，可以滿足不同場景下的資料可靠性和效能需求。

  • CRUSH 參數： crush num failure domain 和 crush osds per failure domain 的設定需要根據叢集的實際硬體環境和容錯需求進行調整。
  • 糾刪碼插件： Jerasure、ISA 和 SHEC 各有特點，選擇時需綜合考慮效能、靈活性、硬體環境和業務需求。
  • Clay 糾刪碼插件： 提供了多種 technique 選項，透過選擇合適的編碼技術，可以在效能和靈活性之間取得平衡。

在實際部署中，建議在測試環境中對不同配置進行驗證，以確保在滿足資料可靠性的前提下，獲得最佳的叢集效能。

6. 參考資料

註： 在實際部署 Ceph 叢集和配置糾刪碼時，務必結合自身的業務需求和硬體條件，充分測試和驗證配置的有效性。如有需要，建議尋求專業技術支持。