胡豆豆，羅飛，張園

（1. 中國電信股份有限公司上海研究院，上海 200122；2. 華東理工大學，上海 200237）

對象存儲系統(tǒng)的自動化管理技術(shù)

胡豆豆1，羅飛2，張園1

（1. 中國電信股份有限公司上海研究院，上海 200122；2. 華東理工大學，上海 200237）

物聯(lián)網(wǎng)視頻監(jiān)控領(lǐng)域中的對象存儲系統(tǒng)不僅輕松突破了傳統(tǒng)存儲系統(tǒng)SAN的性能瓶頸，而且可以實現(xiàn)性能與容量的線性擴展；然而，對象存儲系統(tǒng)資源的遠程管理成為困擾管理者的一個問題。針對該問題，研究能夠?qū)崿F(xiàn)對象存儲集群的自動化管理的方法和相關(guān)技術(shù)，提高存儲集群的使用效率。該自動化管理系統(tǒng)功能主要包括：集群組件的遠程啟動、停止、重啟；運行狀態(tài)監(jiān)測；集群擴張和日志查看及存儲等功能。基于Ceph對象存儲集群，實現(xiàn)了面向Web應用服務平臺的存儲集群自動化管理系統(tǒng)，最終有效地對對象存儲系統(tǒng)進行監(jiān)視和管理，并能夠自動化擴展集群的節(jié)點和存儲容量。

對象存儲；自動化；云計算

1 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)、Web 2.0的快速發(fā)展，Web應用創(chuàng)建出數(shù)百億的小文件，上傳海量的照片、視頻、音樂，F(xiàn)acebook每天新增數(shù)十億條內(nèi)容，每天發(fā)送數(shù)千億封郵件。據(jù)IDC統(tǒng)計，未來10年間數(shù)據(jù)將增長44倍，2020年全球數(shù)據(jù)將增長到 35 ZB，其中，80%為非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，且大部分是非活躍數(shù)據(jù)[1-3]。

在物聯(lián)網(wǎng)視頻監(jiān)控領(lǐng)域中，隨著高清化、智能化的推進以及平安城市等城市公共安防的發(fā)展，面對如此龐大的數(shù)據(jù)量，僅具備PB級擴展能力的塊存儲和文件存儲顯得無能為力；人們需要一種全新的架構(gòu)存儲系統(tǒng)，這樣的存儲系統(tǒng)需要具備極高的可擴展性，能夠滿足人們存儲視頻數(shù)據(jù)時對存儲容量TB到EB規(guī)模的擴展需求[4,5]。

對象存儲是一種基于對象的存儲設(shè)備，具備智能、自我管理能力，通過 Web服務協(xié)議（如REST、SOAP）實現(xiàn)對象的讀寫和對象資源的訪問。對象存儲以對象 ID 為基礎(chǔ)，扁平化管理所有存儲和桶，根據(jù)對象 ID 便可直接訪問數(shù)據(jù)，解決NAS復雜的目錄樹結(jié)構(gòu)在海量數(shù)據(jù)情況下數(shù)據(jù)查找耗時長的問題，這使得對象存儲具備極強的擴展性，能夠輕松實現(xiàn)單一名字空間內(nèi)支持數(shù)百萬級文件的存儲。

對象存儲系統(tǒng)的出現(xiàn)滿足了數(shù)據(jù)歸檔和云服務兩大需求。通過面向?qū)ο蟮母拍顦?gòu)建的存儲系統(tǒng)，能夠有效地利用集群各個節(jié)點的性能，并且有效地將多個客戶端請求均勻地分布到集群中的各個節(jié)點，充分地利用了對象存儲集群的特性。集群管理員可以通過集群管理系統(tǒng)實時地監(jiān)視集群各個部分的狀態(tài)，也可以根據(jù)需要調(diào)整單個節(jié)點上組件的運行狀態(tài)。當存儲集群需要擴張時，通過自動化的管理系統(tǒng)也能夠很快地對集群進行調(diào)整以及在各個存儲節(jié)點之間進行動態(tài)的數(shù)據(jù)遷移，從而保持服務的持續(xù)可用[6]。

但隨著存儲資源的堆積和存儲集群節(jié)點數(shù)量的不斷上升，如何通過集群自動化管理系統(tǒng)進行高效的管理和控制成為了一個困擾企業(yè)的問題[7]。本文針對該問題，研究基于對象存儲文件系統(tǒng) Ceph的自動化管理系統(tǒng)。在Ceph存儲集群上，通過構(gòu)建一個Web項目，實現(xiàn)對Ceph集群的遠程監(jiān)視和控制（包括集群的常用操作、存儲節(jié)點的增加和刪除等）；以此來模擬如何對Ceph存儲集群進行自動化管理，從而推進它的商用價值[8-10]。

2 系統(tǒng)方案

自動化管理的目的是幫助用戶解決存儲集群在運行時的遠程監(jiān)視、管理和控制的問題，即管理員通過瀏覽器隨時隨地以訪問Web應用程序的形式來訪問對象存儲系統(tǒng)，實現(xiàn)對遠程對象存儲集群各組件的監(jiān)視、控制、節(jié)點的橫向擴展及收縮，進而改善集群資源的使用性能、提高利用率和降低運營成本。

對象存儲系統(tǒng)自動化管理的需求主要可歸納為如下幾點。

（1）監(jiān)視功能

包括集群當前運行狀態(tài)監(jiān)視、存儲節(jié)點分布和狀態(tài)監(jiān)視、單個節(jié)點上運行的集群組件監(jiān)視、集群中已添加節(jié)點的分布和運行狀態(tài)監(jiān)視。

（2）組件的常規(guī)操作

包括MON的重啟、MDS的停止/啟動、OSD的停止/啟動等。

（3）存儲節(jié)點動態(tài)調(diào)整

包括OSD的添加/刪除。

（4）群日志的查看

包括管理員操作記錄查看、集群狀態(tài)日志查看、存儲節(jié)點監(jiān)視日志查看、單節(jié)點組件運行狀態(tài)日志查看、集群節(jié)點分布和運行狀態(tài)的監(jiān)視日志查看。

系統(tǒng)采用基于 MVC 框架開發(fā)的 B/S（瀏覽器/服務器）模式的Web應用程序。用戶可通過訪問Web瀏覽器的方式對存儲集群進行簡單的控制和管理。本文系統(tǒng)的模型擁有較多的處理任務，將集群的監(jiān)視、操作調(diào)用與實現(xiàn)和與數(shù)據(jù)庫中日志信息的交互都放在該層來實現(xiàn)。只要網(wǎng)絡連接正常，互聯(lián)網(wǎng)用戶就可以通過打開瀏覽器隨時隨地訪問應用系統(tǒng)，從而實現(xiàn)對局域網(wǎng)內(nèi)集群的所有機器的訪問并進行遠程管理和控制。模塊劃分為：集群監(jiān)視模塊、存儲節(jié)點添加/刪除模塊、組件控制模塊、日志存儲/調(diào)用模塊4個主要模塊，系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

為了提高管理系統(tǒng)的用戶體驗，采用名為Bootstrap的 Web前端開發(fā)框架。Bootstrap是Twitter推出的一個開源的、用于前端開發(fā)的工具包。當管理員需要監(jiān)視、操作或者調(diào)整集群時，需要在Web頁面填寫相應的表格，并提交到Web服務器進行相關(guān)操作。但是和集群相關(guān)的操作并不能在很短的時間內(nèi)完成，例如：集群中各個節(jié)點是否都已啟動、添加存儲節(jié)點OSD等。因此當提交此類操作時，即使忽視數(shù)據(jù)在廣域網(wǎng)中的傳輸和建立SSH連接的時間，都很難將操作的反饋瞬間呈現(xiàn)在頁面上。所以，介于上述原因，本文使用了AJAX（asynchronous JavaScript XML）技術(shù)，實現(xiàn)了頁面和Web服務器之間的異步通信。

當用戶在Web頁面點擊提交事件處理的按鈕時，視圖會將該請求的相關(guān)信息傳遞到控制器，控制器對用戶請求進行查看并作出判斷，執(zhí)行相應的模型操作，即對應的功能模塊會創(chuàng)建一個SSH協(xié)議，打開Java 項目與SSH服務器的會話，通過該會話可以遠程執(zhí)行命令和Shell訪問。本文采用了一個名為Ganymed SSH-2 for Java的包，專門用于實現(xiàn)SSH協(xié)議，建立SSH服務器連接，并支持SSH會話。Ganymed SSH2 for Java是一個以純 Java的形式實現(xiàn) SSH-2協(xié)議的庫（支持J2SE1.4.2和5.0以上的版本）。它使得在Java項目中與 SSH 服務器建立連接，同時支持SSH的會話（遠程命令執(zhí)行和Shell訪問），本地和遠程端口交互，本地流轉(zhuǎn)發(fā)、X11轉(zhuǎn)發(fā)和SCP功能等。

自動化管理系統(tǒng)的后臺除了關(guān)于 MySQL數(shù)據(jù)庫的日志操作外，其余的集群控制都是遠程調(diào)用集群上的腳本實現(xiàn)的。這些腳本均存放在存儲集群的主管理節(jié)點上，所以當Ganymed SSH2 for Java與集群主管理節(jié)點建立SSH會話后，調(diào)用對應的Shell腳本即可執(zhí)行所需要的管理操作。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)中Web控制頁面顯示的數(shù)據(jù)都是通過執(zhí)行后臺腳本，截取到所需的特征數(shù)據(jù)，并經(jīng)過整理后呈現(xiàn)出來的。

圖1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

3.1 全局狀態(tài)監(jiān)控

全局狀態(tài)監(jiān)測在終端輸入ceph -s指令時可以查看集群整體的當前狀態(tài)，快速地查看需要的關(guān)鍵信息，見表1。首先從指令ceph -s輸出集群當前的通用狀態(tài)信息，進而通過grep和sed的篩選和替換功能實現(xiàn)對集群特征數(shù)據(jù)的采集。

表1 集群整體狀態(tài)

3.2 存儲節(jié)點分布狀態(tài)監(jiān)測

Ceph是一個高可用性和高可靠性的管理硬件和軟件。它不具備單點故障，并且可以為數(shù)據(jù)提供還原服務。假如系統(tǒng)出現(xiàn)故障，需要到放置組和相關(guān)的守護進程下查找問題。當Ceph集群遇到一些故障時，還可能阻止用戶訪問特定的對象，但可能訪問其他對象。當運行時遇到故障，只需要按照步驟監(jiān)測守護進程和放置組就能知道故障原因，然后排除。

由圖2可知，在集群中一個 OSD 的狀態(tài)或者在這個集群中（in）或者在這個集群外（out）的；并且，它或者是運行中（up）的，或者是不運行（down）的。如果一個OSD的狀態(tài)是up，它或者在集群（可以讀取和寫入數(shù)據(jù)）或者在out狀態(tài)。如果它曾是in狀態(tài)但最近被移出集群了，Ceph將會遷移配置至其他OSD 中。如果 OSD不在集群中，基于 Ceph的CRUSH算法，該OSD將不會配置在一個放置組中。如果OSD的狀態(tài)是down，它也會是out狀態(tài)。

圖2 OSD狀態(tài)轉(zhuǎn)換

執(zhí)行 Ceph Osd tree 指令能夠確定 ceph-osd后臺是否正常運行，根據(jù)控制臺的輸出，可以很容易地從中獲取所需要的特征數(shù)據(jù)，并且有效地組織在一起，作為日志存儲到日志并刷新頁面中的對應部分視圖。

3.3 集群節(jié)點分布監(jiān)測

由于集群中的節(jié)點會逐漸增多，所以需要在Web頁面上直觀表示節(jié)點名稱和IP地址，形式見表2。

表2 集群節(jié)點配置

為了獲取集群中加入的節(jié)點IP地址和相關(guān)的Hostname，前提必須是將Hostname和IP地址寫入系統(tǒng)文件/etc/hosts 中。

同時，管理系統(tǒng)能夠自動化管理存儲節(jié)點OSD的添加/刪除操作。集群上放置的每一個對象（object）都可以根據(jù)Ceph的CRUSH算法計算出具體的存放位置。所以，當OSD發(fā)生變化時，集群也需要做相應的調(diào)整。CRUSH算法是Ceph對象存儲的核心，決定了每一個對象的存放位置。當需要存放一個對象時，只需要知道對象的ID、集群架構(gòu)圖和存放策略，就可以計算出應該存放在哪個OSD上。因此Ceph的元數(shù)據(jù)不需要包含位置信息，每個客戶端都可以自己計算出對應的OSD，大大減少了對元數(shù)據(jù)的請求。

RADOS是使用CRUSH算法的分布式對象存儲，由OSD和MON組成，OSD承擔數(shù)據(jù)的存儲、備份以及恢復工作，MON保證集群架構(gòu)圖與實際情況相符。RADOS的特點之一就是數(shù)據(jù)的備份、同步以及恢復等都由OSD自發(fā)地完成。

RADOS中OSD獨自管理數(shù)據(jù)的能力是建立在CRUSH算法上的，CRUSH 算法又是建立在CRUSH map（包含OSD的數(shù)量、組織結(jié)構(gòu)以及存儲策略）上的。因此擁有一份最新的CRUSH map，對OSD是至關(guān)重要的，否則OSD無法確定隸屬同一個PG的OSD，也就無法完成數(shù)據(jù)的備份、同步等操作。

RADOS使用一個由MON組成的小集群生成最新的CRUSH map。當增/減OSD、修改OSD組織結(jié)構(gòu)、修改存放策略或者發(fā)現(xiàn)OSD失效時，更新請求被發(fā)送到MON集群，MON生成一份新的CRUSH map。同時MON集群也對外提供CRUSH map的訪問服務，其他節(jié)點可以從 MON集群中獲取一份最新的CRUSH map。MON集群中采用Lease機制確保每個 MON對外提供的 CRUSH map的一致性，采用 Paxos 協(xié)議選舉出一個leader，由leader負責生成新的CRUSH map。

另外，OSD 節(jié)點之間互相通信時會比較各自擁有的CRUSH map的epoch，用最新的CRUSH map替換舊的CRUSH map。當客戶端要從OSD中讀取對象時，如果客戶端中還沒有 CRUSH map：客戶端首先從MON集群中讀取一份最新的CRUSH map，然后計算出存放該對象的PG對應的 OSD，然后客戶端與目標 OSD比較各自的CRUSH map的 epoch，同步到最新的 CRUSH map。如果客戶端中已經(jīng)有 CRUSH map，在和OSD通信時，如果OSD的CRUSH map版本更新，那么更新客戶端的 CRUSH map。如果客戶端和OSD的CRUSH map版本一致了，但都不是最新的，使用舊的CRUSH map計算出的OSD上可能沒有存放要訪問的對象，導致操作失敗，這時客戶端從mon集群讀取最新的CRUSH map。

3.3.1 OSD 添加

新增一個 OSD需要分為兩個部分：準備（prepare）和激活（activate）。準備步驟的指令為：ceph-deploy osd prepare ceph1：/dev/vdb，步驟如下所示：

push 配置文件到 ceph1:/etc/ceph/ceph.conf

push ceph.bootstrap-osd.keyring到ceph1:/var/lib/ ceph/bootstrap-osd/ceph.keyring

udevadm trigger –subsystem-match=block–action=add

ceph-disk-prepare –fs-type xfs –cluster ceph --/dev/vdb //創(chuàng)建分區(qū)、格式化等操作

激活步驟的指令為：ceph-deploy osd active ceph1:/dev/vdb，步驟如下所示：

ceph-disk-activate -mark-init upstart -mount/dev/vdb //掛載Ceph分區(qū)

initctl emit –no-wait – ceph-osd cluster=ceph id=0 //添加ID為0的OSD守護進程，并使其處于非等待狀態(tài)，即添加完該osd.0后直接啟動。

3.3.2 OSD 刪除

刪除OSD守護進程時需要根據(jù)該OSD的不同狀態(tài)執(zhí)行一些列的指令，從而達到有效的集群CRUSH調(diào)整，并且完成該OSD上存儲對象的完整遷移，最后完全將該OSD守護進程從集群中移除。步驟如下所示：

service ceph stop osd.0 //停止該設(shè)備

ceph osd crush remove osd.0 //從CRUSH中移除與該OSD相關(guān)的數(shù)據(jù)，此時運行ceph osd tree指令可以看到該存儲進程osd.0處于down狀態(tài)

ceph auth del osd.0 //從認證中刪除

ceph osd rm 0 //從集群中完全移除該OSD的所有數(shù)據(jù)

4 系統(tǒng)測試

為了完成系統(tǒng)測試，本文在Ubuntu12.04的虛擬機上搭建基于 Ceph的初始集群。該集群初始化規(guī)模為 3個節(jié)點，并通過ceph-deploy完成Ceph的安裝。首先將 Ceph資料庫添加到ceph-deploy的管理節(jié)點，然后安裝ceph-deploy。注意：以不同的用戶登錄上節(jié)點安裝ceph-deploy時不需要在命令前面添加sudo或者以root身份執(zhí)行，因為遠程的主機將不會執(zhí)行 sudo命令。測試過程包括監(jiān)視功能測試、存儲節(jié)點添加/刪除功能測試等。

4.1 監(jiān)視功能測試

監(jiān)視功能所顯示當前集群的狀態(tài)如圖3所示，包括：mon節(jié)點的個數(shù)、所在節(jié)點、運行狀態(tài)；mds節(jié)點的個數(shù)、所在節(jié)點、運行狀態(tài)；OSD節(jié)點的個數(shù)、運行狀態(tài)、存儲容量等信息；其中，OSD存儲容量已用部分13 838 MB，剩余可用部分為4 210 MB，總共的存儲容量為19 021 MB。

圖3 集群狀態(tài)監(jiān)視

集群中各存儲節(jié)點狀態(tài)如圖4所示，顯示了集群中存儲節(jié)點OSD的分布情況：ID為0的OSD節(jié)點的權(quán)重為 0.019 99（1 TB大小的容量權(quán)重為1，所以0.019 9 權(quán)重說明 ID 為0的OSD存儲容量大約為 20 GB左右）以及狀態(tài)為 up。

圖4 集群存儲節(jié)點分布

集群內(nèi)節(jié)點狀態(tài)統(tǒng)計如圖5所示，這里顯示的節(jié)點是已經(jīng)被添加到集群的，包括節(jié)點IP地址、節(jié)點名稱以及該節(jié)點是否在運行中。從圖5可以看到，目前只有節(jié)點IP地址為192.168.232.158、節(jié)點名為server01 的節(jié)點power欄顯示的是up，即在運行中。

圖5 集群內(nèi)節(jié)點狀態(tài)統(tǒng)計

4.2 存儲節(jié)點添加/刪除功能測試

在 server02 上添加一個 OSD 守護進程，操作和結(jié)果分別如圖6和圖7所示。

圖6 添加OSD.1操作

圖7 OSD.1添加結(jié)果

將主管理節(jié)點 server01 上面的 OSD 守護進程 osd.0 刪除，操作和結(jié)果分別如圖8和圖9所示。

圖8 刪除 OSD.0 操作示意

4.3 日志查看功能測試

查看某個時間段的存儲節(jié)點分布情況，結(jié)果如圖10所示。

圖9 刪除 OSD.0的結(jié)果

圖10 某時間日志查看結(jié)果

5 結(jié)束語

基于對象存儲系統(tǒng) Ceph，研究了一個對象存儲集群的自動化管理系統(tǒng)。管理系統(tǒng)的功能主要集中在3個部分——集群狀態(tài)監(jiān)視、OSD 存儲節(jié)點添加與刪除和集群狀態(tài)日志查看。以平臺化方式設(shè)計，采用基于 MVC 框架進行設(shè)計和實現(xiàn)。用戶可通過訪問 Web 瀏覽器的方式對存儲集群進行簡單的控制和管理。

作為底層存儲集群的管理系統(tǒng)，這些功能都是必備的，但還是遠遠不夠的。要真正實現(xiàn)自動化的存儲集群管理系統(tǒng)，故障排除與恢復和負載均衡優(yōu)化是不可缺失的主要功能。而本系統(tǒng)中僅有的一些功能做得也不是非常完善，這些工作都有待在未來進行優(yōu)化。

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Automatic management technology of object storage systems

HU Doudou1, LUO Fei2, ZHANG Yuan1
1. Shanghai Research Institute of China Telecom Co., Ltd., Shanghai 200122, China 2. East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China

The object storage system not only breaks the bottleneck of the traditional SAN storage system, but also achieves the expansion of performance and capacity linearly in video monitoring field. However, the remote management for the resources of the object storage system has become a problem for managers. Aiming at this problem,the method and related technology of automatic management of object storage cluster was studied, so as to improve the efficiency of storage cluster. The functions of the automatic management system included remote lauching, stopping and resetting of cluster components, monitoring of running status, cluster expansion and log viewing and storage.Based on Ceph object storage cluster, the automated management system for Web application service platform was achieved, monitoring and management was realized effectively ultimately, and the nodes of the cluster and the storage capacity were expanded automatically.

object storage, automation, cloud computing

TP315

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2017306

2017?09?30；

2017?11?10

胡豆豆（1985?），男，現(xiàn)就職于中國電信股份有限公司上海研究院，主要從事視頻監(jiān)控系統(tǒng)智能、云存儲方向產(chǎn)品開發(fā)及研究工作。參與多項工業(yè)和信息化部物聯(lián)網(wǎng)專項、“863”計劃等科研項目工作，累計發(fā)表專利4項，發(fā)布ITU-T視頻監(jiān)控類國際標準2項，2013年獲得上海市科學技術(shù)進步獎二等獎。

羅飛（1978?），男，博士，華東理工大學副教授、碩士生導師，主要從事嵌入式系統(tǒng)、云計算、大數(shù)據(jù)等方面的開發(fā)與研究工作。曾獲得 2012年上海市科學技術(shù)進步獎一等獎、2013年上海產(chǎn)學研合作優(yōu)秀項目獎。

張園（1986?），女，現(xiàn)就職于中國電信股份有限公司上海研究院，主要從事視頻監(jiān)控系統(tǒng)智能、云存儲方向產(chǎn)品開發(fā)及研究工作。參與多項工業(yè)與信息化部物聯(lián)網(wǎng)專項、“863”計劃等科研項目工作，累計發(fā)表專利3項，發(fā)布ITU-T視頻監(jiān)控類國際標準2項。