分布式存储 cephfs 读取优化方案

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 cephfs 读写优化方面的知识。

用户需要从 cephfs 存储系统中检索一个大文件指定关键字的一行信息， 并且对延迟和性能要求比较高。

2. 原始方案

2.1 流程图

2.2 说明

• 假如用户拉取的文件大小是 16M, 文件按照 4M 切分，散落到四个数据片上
  • 用户首先请求 cephfs 拉取文件信息
  • cephfs 会根据 crush 算法找计算文件散落到那几个数据片上
  • cephfs 会拉取文件所属的数据片然后聚合起来
  • cephfs 文件拉取后返回给用户
  • 用户拉取完整个文件，开始做过滤关键字操作

2.3 实战

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// 检索 2.7G 文件为例
$ ll -lh nginx/logs/access.log.2018102911
-rw-rw-r--1root root2.7G Oct2912:07nginx/logs/access.log.2018102911

//grep 模拟花费 12s
$ time grep"xxxyyyzzzqqq"nginx/logs/access.log.2018102911

real0m12.355s
user0m0.302s
sys0m0.823s

2.4 优缺点

优点

• 简单方便
• 开发成本低

缺点

• 用户端检索延迟大，影响用户体验
• 客户端集群网卡带宽波动较大，带宽有限，每次都需要把大日志文件拉取到客户端
• 对 ceph 集群负载也有波动影响

2.5 总结

用户拉取文件，必须先通过 cephfs 拉取文件到本地，然后根据关键字检索这行数据。如果用户检索量比较大的时候，并且文件大小都不统一，拉取文件越大网络延迟越高，并且在大文件中过滤关键字效率非常低，严重影响用户的体验。

3. 优化方案

3.1 流程图

3.2 说明

• 用户发起请求输入文件名和 key 关键字到达索引层
• 索引层根据 key 找到对应的 offset 信息，然后传给 dss-readline
• dss-readline 根据 cephfs cursh 算法找到对应的 object 信息和 offset 信息
• 根据 dss-readline 用户输入的 offset 找到对应的 object 块信息
• dss-readline 直接获取需要块的 offset 该行的信息

3.3 实战

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// 查找 2.8G 文件 offset 对应的信息
$ll nginx/logs/access.log.2018110216 -lh
-rw-rw-r-- 1 root root 2.8G Nov 2 17:08 nginx/logs/access.log.2018110216

//sed 的方式模拟，花费 12s
$time sed -n"1024p"nginx/logs/access.log.2018110216

real 0m12.042s
user 0m1.191s
sys 0m0.929s

//dss_readfile 自研工具, 输入参数:poolname, filename, offset 可以看出来花费 91ms
//usage: dss_readfile <poolname> <filename> <offset>
time ./dss_readfile data nginx/logs/access.log.2018110216 1024

real 0m0.091s
user 0m0.042s
sys 0m0.011s

3.4 优缺点

缺点

• 需要额外开发成本

优点

• 提升用户体验，从以前检索单个 2.8G 文件耗时 10s 左右， 优化后控制在 100ms 左右
• 客户端网络网卡带宽可用率得到提升
• 减少对 ceph 集群的冲击影响

3.5 总结

思路：

由于文件信息是放到服务端，进行切片存储到数据节点。

我们能不能只拉取我需要的块信息，不用全量拉取到本地，答案是肯定的。

• 根据文件信息查找所有的 object、offset 信息
• 根据 offset 找到需要检索的 object 信息
• 找到对应的 object，读取该 object 对应的 offset 位置的信息（一行数据可能会拆分多个 object)

优点：

• 提升用户体验，从以前检索单个 2.8G 文件耗时 10s 左右， 优化后控制在 100ms 左右
• 客户端网络网卡带宽可用率得到提升
• 减少对 ceph 集群的冲击影响

4. 深入分析

4.1 文件对应 object 信息

4.1.1 Jewel 版本

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//Ceph Jewel 版本里，有个 cephfs 的工具，可以获取 file 的 location 信息
// 根据 offset 查找 object 信息
$cephfs /mnt/kernel_log_push.log show_location -l 4194304
WARNING: This tool is deprecated. Use the layout.* xattrs to query and modify layouts.
location.file_offset: 4194304
location.object_offset:0
location.object_no: 1
location.object_size: 4194304
location.object_name: 10002b63282.00000001
location.block_offset: 0
location.block_size: 4194304
location.osd: 67

//file object map 信息
$cephfs /mnt/kernel_log_push.log map
WARNING: This tool is deprecated. Use the layout.* xattrs to query and modify layouts.
FILE OFFSET OBJECT OFFSET LENGTH OSD
0 10002b63282.00000000 0 4194304 61
4194304 10002b63282.00000001 0 4194304 67
8388608 10002b63282.00000002 0 4194304 70
12582912 10002b63282.00000003 0 4194304 68

4.1.2 源码跟踪

ceph jewel 版本，cephfs 代码

 复制代码

https://github.com/ceph/ceph/blob/v10.2.9/src/cephfs.cc#L117

 复制代码

structceph_ioctl_layoutlayout;
memset(&layout,0,sizeof(layout));
// 获取 layout 信息
err = ioctl(fd, CEPH_IOC_GET_LAYOUT, (unsignedlong)&layout);
if(err) {
cerr<<"Error getting layout: "<< cpp_strerror(errno) <<endl;
return1;
}

printf("%15s %24s %12s %12s %s\n",
"FILE OFFSET","OBJECT","OFFSET","LENGTH","OSD");
for(longlongoff =0; off < st.st_size; off += layout.stripe_unit) {
structceph_ioctl_dataloclocation;
location.file_offset = off;
// 获取 location 信息
err = ioctl(fd, CEPH_IOC_GET_DATALOC, (unsignedlong)&location);
if(err) {
cerr<<"Error getting location: "<< cpp_strerror(errno) <<endl;
return1;
}
printf("%15lld %24s %12lld %12lld %d\n",
off, location.object_name, (longlong)location.object_offset,
(longlong)location.block_size, (int)location.osd);
}

CEPH_IOC_GET_DATALOC 代码

 复制代码

// 定义 /src/client/ioctl.h
//https://github.com/ceph/ceph/blob/d038e1da7a6c9b31ba4463b8ebedb9908981a55e/src/client/ioctl.h#L46
#defineCEPH_IOC_GET_DATALOC _IOWR(CEPH_IOCTL_MAGIC, 3, \
struct ceph_ioctl_dataloc)

//fuse 代码跟踪, 发现只支持 layout
//https://github.com/ceph/ceph/blob/d038e1da7a6c9b31ba4463b8ebedb9908981a55e/src/client/fuse_ll.cc#L631
staticvoidfuse_ll_ioctl(fuse_req_treq,fuse_ino_tino,intcmd,void*arg, struct fuse_file_info *fi,
unsignedflags,constvoid*in_buf,size_tin_bufsz,size_tout_bufsz)
{
CephFuse::Handle *cfuse = fuse_ll_req_prepare(req);

if(flags & FUSE_IOCTL_COMPAT) {
fuse_reply_err(req, ENOSYS);
return;
}

switch(static_cast<unsigned>(cmd)) {
caseCEPH_IOC_GET_LAYOUT: {
file_layout_tlayout;
structceph_ioctl_layoutl;
Fh *fh = (Fh*)fi->fh;
cfuse->client->ll_file_layout(fh, &layout);
l.stripe_unit = layout.stripe_unit;
l.stripe_count = layout.stripe_count;
l.object_size = layout.object_size;
l.data_pool = layout.pool_id;
fuse_reply_ioctl(req,0, &l,sizeof(struct ceph_ioctl_layout));
}
break;
default:
fuse_reply_err(req, EINVAL);
}
}

//kernel cephfs 代码, 支持 layout, 支持 dataloc
// /usr/src/debug/kernel-3.10.0-693.17.1.el7/linux-3.10.0-693.17.1.el7.x86_64/fs/ceph/ioctl.c
longceph_ioctl(struct file *file,unsignedintcmd,unsignedlongarg)
{
dout("ioctl file %p cmd %u arg %lu\n", file, cmd, arg);
switch(cmd) {
caseCEPH_IOC_GET_LAYOUT:
returnceph_ioctl_get_layout(file, (void__user *)arg);

caseCEPH_IOC_SET_LAYOUT:
returnceph_ioctl_set_layout(file, (void__user *)arg);

caseCEPH_IOC_SET_LAYOUT_POLICY:
returnceph_ioctl_set_layout_policy(file, (void__user *)arg);

caseCEPH_IOC_GET_DATALOC:
returnceph_ioctl_get_dataloc(file, (void__user *)arg);

caseCEPH_IOC_LAZYIO:
returnceph_ioctl_lazyio(file);

caseCEPH_IOC_SYNCIO:
returnceph_ioctl_syncio(file);
}

return-ENOTTY;
}

staticlongceph_ioctl_get_dataloc(struct file *file,void__user *arg)
{
...
r = ceph_calc_file_object_mapping(&ci->i_layout, dl.file_offset, len,
&dl.object_no, &dl.object_offset,
&olen);
if(r <0) {
up_read(&osdc->lock);
return-EIO;
}
dl.file_offset -= dl.object_offset;
dl.object_size = ceph_file_layout_object_size(ci->i_layout);
dl.block_size = ceph_file_layout_su(ci->i_layout);

/* block_offset = object_offset % block_size */
tmp = dl.object_offset;
dl.block_offset = do_div(tmp, dl.block_size);

snprintf(dl.object_name,sizeof(dl.object_name),"%llx.%08llx",
ceph_ino(inode), dl.object_no);

...

4.1.2 Luminous 版本

Luminous 版本里，没有 src/cephfs.cc 文件, 发现 test_ioctls.c 其实有相关的测试代码。

https://github.com/ceph/ceph/blob/master/src/client/test_ioctls.c

/src/client/test_ioctls.c

 复制代码

intmain(intargc,char**argv)
{
...
fd = open(fn, O_CREAT|O_RDWR,0644);
if(fd <0) {
perror("couldn't open file");
return1;
}

/* get layout */
err = ioctl(fd, CEPH_IOC_GET_LAYOUT, (unsignedlong)&l);
if(err <0) {
perror("ioctl IOC_GET_LAYOUT error");
return1;
}
printf("layout:\n stripe_unit %lld\n stripe_count %lld\n object_size %lld\n data_pool %lld\n",
(longlong)l.stripe_unit, (longlong)l.stripe_count, (longlong)l.object_size, (longlong)l.data_pool);

/* dataloc */
dl.file_offset = atoll(argv[2]);
err = ioctl(fd, CEPH_IOC_GET_DATALOC, (unsignedlong)&dl);
if(err <0) {
perror("ioctl IOC_GET_DATALOC error");
return1;
}

printf("dataloc:\n");
printf(" file_offset %lld (of object start)\n", (longlong)dl.file_offset);
printf(" object '%s'\n object_offset %lld\n object_size %lld object_no %lld\n",
dl.object_name, (longlong)dl.object_offset, (longlong)dl.object_size, (longlong)dl.object_no);
printf(" block_offset %lld\n block_size %lld\n",
(longlong)dl.block_offset, (longlong)dl.block_size);
...

4.2 总结

• 目前只有 kernel 版本支持 CEPH_IOC_GET_DATALOC
• 根据文件以及 offset 可以获取对应的 object 信息。 目前只支持内核 kernel 版本。

4.3 获取这个对象 offset 对应行的信息

问题点：

• 一行数据可能会拆分为两个对象
• 一行数据结尾符是否存在\n
• 一行数据超大等问题

解决方案：

• 用户给的 offset 属于这一行的开头， 只需要读取当前读取数据是否存在\n。
  a. 如果存在\n 证明该行，属于完整的行。
  b. 否则不存在\n 证明该行，被拆分为两个对象，读取当前 offset 对应的 object 信息以及下一个对象的信息，直到遇到\n 结束，然后合并两个对象读取的数据为完整的行。
• 超大行或者不存在结尾符\n 自动截取 1024 字节数。

4.4 通过 librados 库，读取 object 的信息

 复制代码

/* Declare the cluster handle and required arguments. */
interr;
charcluster_name[] ="ceph";
charuser_name[] ="client.admin";
uint64_tflags =0;
rados_tcluster;
rados_ioctx_tio;
rados_completion_tcomp;



/* Initialize the cluster handle with the "ceph" cluster name and the "client.admin" user */
err = rados_create2(&cluster, cluster_name, user_name, flags);
if(err <0) {
fprintf(stderr,"error: couldn't create the cluster handle poolname=[%s] object_name=[%s] offset=[%d] error=[%s]\n",
poolname, object_name, offset, strerror(-err));
return1;
}

/* Read a Ceph configuration file to configure the cluster handle. */
err = rados_conf_read_file(cluster,"/etc/ceph/ceph.conf");
if(err <0) {
fprintf(stderr,"error: cannot read config file poolname=[%s] object_name=[%s] offset=[%d] error=[%s]\n",
poolname, object_name, offset, strerror(-err));
return1;
}

/* Connect to the cluster */
err = rados_connect(cluster);
if(err <0) {
fprintf(stderr,"error: cannot connect to cluster poolname=[%s] object_name=[%s] offset=[%d] error=[%s]\n",
poolname, object_name, offset, strerror(-err));
return1;
}

//create io
err = rados_ioctx_create(cluster, poolname, &io);
if(err <0) {
fprintf(stderr,"error: cannot open rados pool poolname=[%s] object_name=[%s] offset=[%d] error=[%s]\n",
poolname, object_name, offset, strerror(-err));
rados_shutdown(cluster);
return1;
}

/*
* Read data from the cluster asynchronously.
* First, set up asynchronous I/O completion.
*/
err = rados_aio_create_completion(NULL,NULL,NULL, ∁);
if(err <0) {
fprintf(stderr,"error: could not create aio completion poolname=[%s] object_name=[%s] offset=[%d] error=[%s]\n",
poolname, object_name, offset, strerror(-err));
rados_ioctx_destroy(io);
rados_shutdown(cluster);
return1;
}

/* Next, read data using rados_aio_read. */
err = rados_aio_read(io, object_name, comp, line, line_size, offset);
if(err <0) {
fprintf(stderr,"error: cannot read object poolname=[%s] object_name=[%s] offset=[%d] error=[%s]\n",
poolname, object_name, offset, strerror(-err));
rados_ioctx_destroy(io);
rados_shutdown(cluster);
return1;
}
/* Wait for the operation to complete */
rados_aio_wait_for_complete(comp);
/* Release the asynchronous I/O complete handle to avoid memory leaks. */
rados_aio_release(comp);

rados_ioctx_destroy(io);
rados_shutdown(cluster);

4.5 项目工具

1. 源码地址

• https://github.com/lidaohang/cephfs_readline

2. dss_readfile 工具

• 根据存储池、文件信息、offset 获取对应的信息

 复制代码

//usage: dss_readfile <poolname> <filename> <offset>
./dss_readfile data nginx/logs/access.log.2018110216 1024

3. ngx_cephfs_readline

• 为了提升性能以及用户体验，基于 ceph module + librados 开发，充分利用 nginx 优秀的高并发性能。

 复制代码

// 接口

http://127.0.0.1:8088/v1/dss-cephfs/readfile


// 请求 body
{
"poolname":"data",
"filename":"/mnt/business.log.2018101708",
"offset":1024
}

// 响应 body
{
"code":1,
"cost":50,
"data":"[INFO][2018-10-17T08:59:49.018+0800] xxxxxx"
}

4.7 资料

• https://github.com/ceph/ceph
• https://github.com/lidaohang/cephfs_readline (分布式存储 Cephfs 读取优化方案)
• https://github.com/lidaohang/ceph_study (学习记录)

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。