ceph 目前是開源社區比較流行的分布式塊存儲系統，其以良好的架構，穩定性和完善的數據服務功能，獲得的了廣泛的部署和應用。

目前ceph 最大的問題是其性能相對較差，特別是無法發揮SSD等高速設備的硬件的性能。 Ceph 開源社區一直在優化ceph的性能問題。 目前的結果就是引入了新的object store，這就是最進合并入ceph master的BlueStore.

Bluestore的架構

如上圖所示 ：

BlueStore整體架構分為四個部分：

BlockDevice為最底層的塊設備，BlueStore直接操作塊設備，拋棄了XFS等本地文件系統。BlockDevice在用戶態直接以linux系統實現的AIO直接操作塊設備文件。
BlueFS是一個小的文件系統，其文件系統的文件和目錄的元數據都保存在全部緩存在內存中，持久化保存在文件系統的日志文件中， 當文件系統重新mount時，重新replay該直接，就可以加載所有的元數據到內存中。其數據和日志文件都直接保存在依賴低層的BlockDevice中
RocksDB 是Facebook在leveldb上開發并優化的KV存儲系統。BlueFS的主要的目的，就是支持RocksDB
BlueStore是最終基于RocksDB和BlockDevice實現的ceph的對象存儲，其所有的元數據都保存在RocksDB這個KV存儲系統中，包括collection，對象，omap，磁盤空間分配記錄等都保存RocksDB里, 其對象的數據直接保存在BlockDevice

BlockDevice

BlockDevice 塊設備，其對于一個物理塊設備（目前也支持用XFS的一個大文件里實現），用來存儲實際的數據。其實現在bluestore/BlockDevice.cc 和 bluestore/BlockDevice.h

其主要實現了異步寫操作，寫操作是通過 操作系統提供的異步io調用。 由于操作系統支持的aio操作只支持directIO，所以對BlockDevice的寫操作直接寫入磁盤，并且需要按照page對齊。其內部有一個aio_thread 線程，用來檢查aio是否完成。其完成后，調用 aio_callback_t aio_callback; 回調函數通知調用方。
目前BlocekDevice的讀操作是同步讀操作。 有待繼續實現異步的讀操作。

BlueFS

BlueFs 既然是一個文件系統，就要解決的是元數據的分配管理，其次解決文件空間的分配和管理，以及磁盤空間的分配和管理。

由于BlueFS用來支持RocksDB，所以就不是一個通用的文件系統，它的功能足以支持RocksDB 就可以了。所以它只支持以下功能：

文件只支持順序寫
只支持兩層目錄

BlueFS的元數據

BlueFS中，文件的元數據由 bluefs_fnode_t 保存

struct bluefs_fnode_t {
  uint64_t ino;  //文件的ino
  uint64_t size;  //文件大小
  utime_t mtime;  // 修改時間
  uint8_t prefer_bdev; //優先在該設備上分配空間
  vector<bluefs_extent_t> extents; //文件在磁盤上分配的空間
  ......
}

bluefs_extents_t 代表在磁盤上的分配的extents
struct bluefs_extent_t {
  uint64_t offset;  //塊設備上的 extent偏移量
  uint32_t length;  // extent的長度
  uint16_t bdev;   //對于的塊設備
  ......
}

目錄對應的結構 Dir

struct Dir {
    map<string,FileRef> file_map;
  };

對于BlueFS

所有的元數據（文件和目錄）都需要緩存在內存中
所有的元數據的修改都記錄在BlueFS的日志中，也就是對于BlueFS，元數據的持久化保存在日志中，當重新mount文件系統時，只需要replay日志，就可以獲取所有元數據

//BlueFS的元數據cache
map<string, Dir*> dir_map;                      ///< dirname -> Dir
ceph::unordered_map<uint64_t,FileRef> file_map;  ///< ino -> File

BlueFS的讀寫

uint64_t size = 1048476 * 128;
  string fn = get_temp_bdev(size);
  BlueFS fs;
  ASSERT_EQ(0, fs.add_block_device(0, fn));
  fs.add_block_extent(0, 1048576, size - 1048576);
  uuid_d fsid;
  ASSERT_EQ(0, fs.mkfs(fsid));
  ASSERT_EQ(0, fs.mount());
  {
    BlueFS::FileWriter *h;
    ASSERT_EQ(0, fs.mkdir("dir"));
    ASSERT_EQ(0, fs.open_for_write("dir", "file", &h, false));
    bufferlist bl;
    bl.append("foo");
    h->append(bl);
    bl.append("bar");
    h->append(bl);
    bl.append("baz");
    h->append(bl);
    fs.fsync(h);
    fs.close_writer(h);
  }
  {
    BlueFS::FileReader *h;
    ASSERT_EQ(0, fs.open_for_read("dir", "file", &h));
    bufferlist bl;
    BlueFS::FileReaderBuffer buf(4096);
    ASSERT_EQ(9, fs.read(h, &buf, 0, 1024, &bl, NULL));
    ASSERT_EQ(0, strncmp("foobarbaz", bl.c_str(), 9));
    delete h;
  }
  fs.umount();

上述代碼來自test_bluefs.cc的BlueFS的測試代碼，展示了 BlueFS文件系統的使用。

文件系統調用函數fs.add_block_device 來添加設備到BlueFS中。

創建了以新的BlockDevice
把該設備添加到bdev列表中，并添加相應的IOContext 到ioc中

調用 fs.add_block_extent把設備的空間添加到bluefs中
調用函數fs.mkdir創建目錄
調用函數 fs.open_for_write 打開一個文件，如果不存在，就創建
調用h->append 寫數據，目前數據都只是Cache在內存zhong
最后調用 fs.fsync，本函數真正的把bluefs的 數據和元數據寫入磁盤

RocksDB on BlueFS

如何在BlueFS上實現RocksDB？ 對RocksDB， 只要實現 rocksdb::EnvWrapper接口即可。BlueRocksEnv.cc 和 BlueRocksEnv.h 實現了class BlueRocksEnv 來完成此工作。

Bluestore 實現

BlueStore的元數據

Bluestore的 所有的元數據都以KV對的形式寫入RocksDB中，主要有以下的元數據：

保存BlueStore的超級塊信息,在KV中， 以PREFIX_SUPER為Key的前綴
const string PREFIX_SUPER = “S”; // field -> value
保存Collection的元數據信息bluestore_cnode_t
const string PREFIX_COLL = “C”; // collection name -> cnode_t

保存對象的元數據信息
const string PREFIX_OBJ = “O”; // object name -> onode_t

需要主要的是，onode 和 enode的信息 都 以PREFIX_OBJ 為前綴，只是同一個對象的onode和 enode的信息的key不同來區分。

保存 overly 信息
const string PREFIX_OVERLAY = “V”; // u64 + offset -> data

保存對象的omap 信息
const string PREFIX_OMAP = “M”; // u64 + keyname -> value

保存 write ahead log 信息
const string PREFIX_WAL = “L”; // id -> wal_transaction_t

保存塊設備的空閑extent信息
const string PREFIX_ALLOC = “B”; // u64 offset -> u64 length (freelist)

onode
數據結構onode 保存了BlueStore中一個對象的數據結構，字段和Filestore差不多，這里就不詳細介紹。
Enode
數據結構Enode定義了一個共享的extent，也就是這段數據被多個對象共享，一個對象的onode里保存一個enode數據結構，記錄該對象被共享的extent.這個shared extent 用來對象基于extent的Copy-on-write 機制

struct Enode : public boost::intrusive::unordered_set_base_hook<> {
    atomic_t nref;    //< reference count
    uint32_t hash;
    string key;      //< key under PREFIX_OBJ where we are stored
    EnodeSet *enode_set;  //< reference to the containing set

    bluestore_extent_ref_map_t ref_map;
    boost::intrusive::unordered_set_member_hook<> map_item;

數據結構bluestore_extent_ref_map_t 定義了shared extent 被哪些對象引用

struct bluestore_extent_ref_map_t {
  struct record_t {
    uint32_t length;
    uint32_t refs;
    ...... 
  };
  ......
  map<uint64_t,record_t> ref_map;
}

BlueStore的數據讀寫

Bluestore的數據寫入分為兩類：

數據是整塊覆蓋寫，也就是min_alloc_size對齊的寫入。對于這一類寫入：

重新分配新的存儲空間
把數據寫入新分配存儲空間
刪除舊的存儲空間

partial write，在這種情況下，部分塊的寫入，在這種情況下：

overly write
wal write
這種兩種方式都是先把數據寫入 KV 存儲中，后續再apply到實際的存儲空間中，不同之處在于觸發條件不同。

總結

BlueStore 其實是實現了用戶態的一個文件系統。為了實現簡單，又使用了RocksDB來實現了BlueStore的 所有的元數據的管理，簡化了實現。

優點在于：

對于整塊數據的寫入，數據直接aio的方式寫入磁盤，避免了filestore的先寫日志，后apply到實際磁盤的兩次寫盤。
對于隨機IO，直接WAL的形式，直接寫入RocksDB 高性能的KV存儲中

http://www.cnblogs.com/lucas-sre/p/7096856.html

ceph后端支持多種存儲引擎，以插件式的方式來進行管理使用，目前支持filestore，kvstore，memstore以及最新的bluestore，目前默認使用的filestore

Ceph OSD從filestore 轉換到 bluestore的方法

總結

以上是生活随笔為你收集整理的ceph存储 ceph Bluestore的架构的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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