ceph源码阅读 erasure-code

1、ceph纠删码

纠删码(Erasure Code)是比较流行的数据冗余的存储方法，将原始数据分成k个数据块(data chunk)，通过k个数据块计算出m个校验块(coding chunk)。把n=k+m个数据块保存在不同的节点，通过n中的任意k个块还原出原始数据。EC包含编码和解码两个过程。

ceph中的EC编码是以插件的形式来提供的。EC编码有三个指标：空间利用率、数据可靠性和恢复效率。ceph提供以下几种纠删码插件：clay(coupled-layer)、jerasure、lrc、shec、isa。

clay：用于在修复失败的节点/OSD/rack时节省网络带宽和磁盘IO。

jerasure：开源库，目前ceph默认的编码方式。

isa：isa是Intel提供的EC库，利用intel处理器指令加速计算，只能运行在Intel CPU上。

lrc：将校验块分为全局校验块和局部校验块，减少单个节点失效后恢复过程的网络开销。

shec：shec(k,m,l)，k为data chunk，m为coding chunk，l代表计算coding chunk时需要的data chunk数量。其最大允许失效数据块为：ml/k，恢复失效的单个数据块（data chunk）只需要额外读取l个数据块。

2、erasure-code文件结构

erasure-code是ceph的纠删码核心模块，包含5个文件夹和ErasureCodeInterface、ErasureCode、ErasureCodePlugin，采用工厂模式。

• clay、isa、jerasure、lrc、shec是ceph的EC插件。
• ErasureCodeInterface：提供EC插件的共有接口，每个接口有详细的说明。
• ErasureCode：提供获取纠删码参数和核心编码、解码接口。
• ErasureCodePlugin：提供纠删方式事件的注册、添加、删除登功能。

3、数据条带化

存储设备都有吞吐量限制，它会影响性能和伸缩性，所以存储系统一般都支持条带化（把连续的信息分片存储于多个设备）以增加吞吐量和性能。

• 基本概念

块（chunk）：基于纠删码编码时，每次编码将产生若干大小相同的块（要求这些块时有序的，否则无法解码）。ceph通过数量相等的PG将这些分别存储在不同的osd中。

条带（strip）：如果编码对象太大，可分多次进行编码，每次完成编码的部分称为条带。同一个对内的条带时有序的。

分片（shared）：同一个对象中所有序号相同的块位于同一个PG上，他们组成对象的一个分片，分片的编号就是块的序号。

空间利用率（rate）：通过k/n计算。

对象尺寸： Ceph 存储集群里的对象有最大可配置尺寸（如 2MB 、 4MB 等等），对象尺寸必须足够大以便容纳很多条带单元、而且应该是条带单元的整数倍。

条带数量： Ceph 客户端把一系列条带单元写入由条带数量所确定的一系列对象，这一系列的对象称为一个对象集。客户端写到对象集内的最后一个对象时，再返回到第一个。

条带宽度： 条带都有可配置的单元尺寸（如 64KB ）。 Ceph 客户端把数据等分成适合写入对象的条带单元，除了最后一个。条带宽度应该是对象尺寸的分片，这样对象才能 包含很多条带单元。

strip_width=chunk_size*strip_size

假设有EC（k=4，m=2），strip_size=4，chunk_size=1K，那么strip_width=4K。在ceph中，strip_width默认为4K。

• 数据条带化过程

如果要处理大尺寸图像、大 S3 或 Swift 对象（如视频）、或大的 CephFS 目录，你就能看到条带化到一个对象集中的多个对象能带来显著的读/写性能提升。当客户端把条带单元并行地写入相应对象时，就会有明显的写性能，因为对象映射到了不同的归置组、并进一步映射到不同 OSD ，可以并行地以最大速度写入。

在上图中，客户端数据条带化到一个对象集（上图中的objectset1），它包含 4 个对象，其中，第一个条带单元是object0的stripe unit 0、第四个条带是object3的stripe unit 3，写完第四个条带，客户端要确认对象集是否满了。如果对象集没满，客户端再从第一个对象起写入条带（上图中的object0）；如果对象集满了，客户端就得创建新对象集（上图的object set 2），然后从新对象集中的第一个对象（上图中的object 4）起开始写入第一个条带（stripe unit16）。

4、源码解析

• 编码流程

ECUtil::encode是将原始数据按条带宽度进行分割，然后对条带数据编码，得到条带的数据块和校验块。把每个条带化数据块和校验块有序的链接，形成数据块和校验块。

int ECUtil::encode(const stripe_info_t &sinfo,ErasureCodeInterfaceRef &ec_impl,bufferlist &in,const set<int> &want,map<int, bufferlist> *out)
....//文件每次按strip_width的大小进行encode编码for (uint64_t i = 0; i < logical_size; i += sinfo.get_stripe_width()) {map<int, bufferlist> encoded;bufferlist buf;buf.substr_of(in, i, sinfo.get_stripe_width());//调用对应的纠删码方式进行编码int r = ec_impl->encode(want, buf, &encoded);ceph_assert(r == 0);//将条带化的数据块和校验块追加到outfor (map<int, bufferlist>::iterator i = encoded.begin();i != encoded.end();++i) {ceph_assert(i->second.length() == sinfo.get_chunk_size());(*out)[i->first].claim_append(i->second);}}....return 0;
}

接下来深入分析ec_impl->encode(want, buf,&encoded)，ErasureCode是ErasureCodeInterface的子类，因此调用ErasureCode::encode。在ErasureCode::encode主要是进行map<int, bufferlist>*encoded的内存分配（encode_prepare（））和数据块的编码（encode_chunks）。

int ErasureCode::encode(const set<int> &want_to_encode,const bufferlist &in,map<int, bufferlist> *encoded)
{unsigned int k = get_data_chunk_count();unsigned int m = get_chunk_count() - k;bufferlist out;//encoded的内存块分配int err = encode_prepare(in, *encoded);if (err)return err;//进行编码操作encode_chunks(want_to_encode, encoded);for (unsigned int i = 0; i < k + m; i++) {if (want_to_encode.count(i) == 0)encoded->erase(i);}return 0;
}

ErasureCode::encode_prepare()进行参数初始化和内存分配。

int ErasureCode::encode_prepare(const bufferlist &raw,map<int, bufferlist> &encoded) const
{unsigned int k = get_data_chunk_count();unsigned int m = get_chunk_count() - k;//每个块的大小unsigned blocksize = get_chunk_size(raw.length());//空白块的个数unsigned padded_chunks = k - raw.length() / blocksize;bufferlist prepared = raw;//将数据raw按blocksize大小有序分割，并将分割后的块有序写入到encodedfor (unsigned int i = 0; i < k - padded_chunks; i++) {bufferlist &chunk = encoded[chunk_index(i)];chunk.substr_of(prepared, i * blocksize, blocksize);chunk.rebuild_aligned_size_and_memory(blocksize, SIMD_ALIGN);ceph_assert(chunk.is_contiguous());}if (padded_chunks) {unsigned remainder = raw.length() - (k - padded_chunks) * blocksize;bufferptr buf(buffer::create_aligned(blocksize, SIMD_ALIGN));raw.copy((k - padded_chunks) * blocksize, remainder, buf.c_str());buf.zero(remainder, blocksize - remainder);encoded[chunk_index(k-padded_chunks)].push_back(std::move(buf));for (unsigned int i = k - padded_chunks + 1; i < k; i++) {bufferptr buf(buffer::create_aligned(blocksize, SIMD_ALIGN));buf.zero();encoded[chunk_index(i)].push_back(std::move(buf));}}for (unsigned int i = k; i < k + m; i++) {bufferlist &chunk = encoded[chunk_index(i)];chunk.push_back(buffer::create_aligned(blocksize, SIMD_ALIGN));}return 0;
}

以上的工作完成后，可以开始正式的编码encode_chunks()。这里假设编码方式为jerasure，选用RS码。

int ErasureCodeJerasure::encode_chunks(const set<int> &want_to_encode,map<int, bufferlist> *encoded)
{char *chunks[k + m];for (int i = 0; i < k + m; i++)chunks[i] = (*encoded)[i].c_str();jerasure_encode(&chunks[0], &chunks[k], (*encoded)[0].length());return 0;
}

jerasure_encode()是调用jerasure库的编码函数。

void ErasureCodeJerasureReedSolomonVandermonde::jerasure_encode(char **data,char **coding,int blocksize)
{jerasure_matrix_encode(k, m, w, matrix, data, coding, blocksize);
}

• 解码流程

ECUtil::decode函数有两个，挑个简单的来分析。

下面的decode()函数初始化数据，并进行解码。

int ECUtil::decode(const stripe_info_t &sinfo,ErasureCodeInterfaceRef &ec_impl,map<int, bufferlist> &to_decode,bufferlist *out) {ceph_assert(to_decode.size());uint64_t total_data_size = to_decode.begin()->second.length();....for (uint64_t i = 0; i < total_data_size; i += sinfo.get_chunk_size()) {map<int, bufferlist> chunks;for (map<int, bufferlist>::iterator j = to_decode.begin();j != to_decode.end();++j) {chunks[j->first].substr_of(j->second, i, sinfo.get_chunk_size());}bufferlist bl;int r = ec_impl->decode_concat(chunks, &bl);ceph_assert(r == 0);ceph_assert(bl.length() == sinfo.get_stripe_width());out->claim_append(bl);}return 0;
}

ErasureCode::decode_concat()进行解码，并且链接哥哥数据块，还原出原数据。

int ErasureCode::decode_concat(const map<int, bufferlist> &chunks,bufferlist *decoded)
{set<int> want_to_read;for (unsigned int i = 0; i < get_data_chunk_count(); i++) {want_to_read.insert(chunk_index(i));}map<int, bufferlist> decoded_map;//解码核心部分int r = _decode(want_to_read, chunks, &decoded_map);if (r == 0) {//将解码后的数据块链接for (unsigned int i = 0; i < get_data_chunk_count(); i++) {decoded->claim_append(decoded_map[chunk_index(i)]);}}return r;
}

同样地，这里也是假设使用纠删码插件为jerasure。jerasure_decode()是调用jerasure库的解码函数。

int ErasureCodeJerasure::decode_chunks(const set<int> &want_to_read,const map<int, bufferlist> &chunks,map<int, bufferlist> *decoded)
{unsigned blocksize = (*chunks.begin()).second.length();int erasures[k + m + 1];//记录丢失块的编号int erasures_count = 0;//丢失块的个数char *data[k];char *coding[m];for (int i =  0; i < k + m; i++) {if (chunks.find(i) == chunks.end()) {erasures[erasures_count] = i;erasures_count++;}if (i < k)data[i] = (*decoded)[i].c_str();elsecoding[i - k] = (*decoded)[i].c_str();}erasures[erasures_count] = -1;ceph_assert(erasures_count > 0);return jerasure_decode(erasures, data, coding, blocksize);
}

参考资料：

1、体系结构 - Ceph Documentation

2、ceph源码分析 常涛

3、ceph设计原理与实现