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 写点什么

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

//检索2.7G文件为例$ ll -lh nginx/logs/access.log.2018102911-rw-rw-r-- 1 root root 2.7G Oct 29 12:07 nginx/logs/access.log.2018102911
//grep 模拟花费12s$ time grep "xxxyyyzzzqqq" nginx/logs/access.log.2018102911
real  0m12.355suser  0m0.302ssys  0m0.823s

复制代码

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

//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  0m12.042suser  0m1.191ssys  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  0m0.091suser  0m0.042ssys  0m0.011s

复制代码

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

//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 4194304WARNING: This tool is deprecated.  Use the layout.* xattrs to query and modify layouts.location.file_offset:  4194304location.object_offset:0location.object_no:    1location.object_size:  4194304location.object_name:  10002b63282.00000001location.block_offset: 0location.block_size:   4194304location.osd:          67
//file object map 信息$ cephfs /mnt/kernel_log_push.log mapWARNING: 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

复制代码

4.1.2 源码跟踪

ceph jewel 版本，cephfs 代码

[](https://github.com/ceph/ceph/blob/v10.2.9/src/cephfs.cc#L117)

复制代码

    struct ceph_ioctl_layout layout;    memset(&layout, 0, sizeof(layout));    //获取layout信息    err = ioctl(fd, CEPH_IOC_GET_LAYOUT, (unsigned long)&layout);    if (err) {      cerr << "Error getting layout: " << cpp_strerror(errno) << endl;      return 1;    }
    printf("%15s  %24s  %12s  %12s  %s\n",     "FILE OFFSET", "OBJECT", "OFFSET", "LENGTH", "OSD");    for (long long off = 0; off < st.st_size; off += layout.stripe_unit) {      struct ceph_ioctl_dataloc location;      location.file_offset = off;      //获取location 信息      err = ioctl(fd, CEPH_IOC_GET_DATALOC, (unsigned long)&location);      if (err) {  cerr << "Error getting location: " << cpp_strerror(errno) << endl;  return 1;      }      printf("%15lld  %24s  %12lld  %12lld  %d\n",       off, location.object_name, (long long)location.object_offset,       (long long)location.block_size, (int)location.osd);    }

复制代码

CEPH_IOC_GET_DATALOC 代码

//定义/src/client/ioctl.h//https://github.com/ceph/ceph/blob/d038e1da7a6c9b31ba4463b8ebedb9908981a55e/src/client/ioctl.h#L46#define CEPH_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#L631static void fuse_ll_ioctl(fuse_req_t req, fuse_ino_t ino, int cmd, void *arg, struct fuse_file_info *fi,        unsigned flags, const void *in_buf, size_t in_bufsz, size_t out_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)) {    case CEPH_IOC_GET_LAYOUT: {      file_layout_t layout;      struct ceph_ioctl_layout l;      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.clong ceph_ioctl(struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg){        dout("ioctl file %p cmd %u arg %lu\n", file, cmd, arg);        switch (cmd) {        case CEPH_IOC_GET_LAYOUT:                return ceph_ioctl_get_layout(file, (void __user *)arg);
        case CEPH_IOC_SET_LAYOUT:                return ceph_ioctl_set_layout(file, (void __user *)arg);
        case CEPH_IOC_SET_LAYOUT_POLICY:                return ceph_ioctl_set_layout_policy(file, (void __user *)arg);
        case CEPH_IOC_GET_DATALOC:                return ceph_ioctl_get_dataloc(file, (void __user *)arg);
        case CEPH_IOC_LAZYIO:                return ceph_ioctl_lazyio(file);
        case CEPH_IOC_SYNCIO:                return ceph_ioctl_syncio(file);        }
        return -ENOTTY;}
static long ceph_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);
     ...

复制代码

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

int main(int argc, char **argv){  ...  fd = open(fn, O_CREAT|O_RDWR, 0644);  if (fd < 0) {    perror("couldn't open file");    return 1;  }
  /* get layout */        err = ioctl(fd, CEPH_IOC_GET_LAYOUT, (unsigned long)&l);        if (err < 0) {                perror("ioctl IOC_GET_LAYOUT error");                return 1;        }        printf("layout:\n stripe_unit %lld\n stripe_count %lld\n object_size %lld\n data_pool %lld\n",               (long long)l.stripe_unit, (long long)l.stripe_count, (long long)l.object_size, (long long)l.data_pool);
  /* dataloc */  dl.file_offset = atoll(argv[2]);  err = ioctl(fd, CEPH_IOC_GET_DATALOC, (unsigned long)&dl);  if (err < 0) {    perror("ioctl IOC_GET_DATALOC error");    return 1;  }
  printf("dataloc:\n");  printf(" file_offset %lld (of object start)\n", (long long)dl.file_offset);  printf(" object '%s'\n object_offset %lld\n object_size %lld object_no %lld\n",         dl.object_name, (long long)dl.object_offset, (long long)dl.object_size, (long long)dl.object_no);  printf(" block_offset %lld\n block_size %lld\n",         (long long)dl.block_offset, (long long)dl.block_size);    ...

复制代码

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

 /* Declare the cluster handle and required arguments. */    int                                 err;    char                                cluster_name[] = "ceph";    char                                user_name[] = "client.admin";    uint64_t                            flags = 0;    rados_t                             cluster;    rados_ioctx_t                       io;    rados_completion_t                  comp;


    /* 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));            return 1;    }
    /* 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));            return 1;    }
    /* 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));            return 1;    }
    //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);            return 1;    }
    /*     * Read data from the cluster asynchronously.     * First, set up asynchronous I/O completion.     */    err = rados_aio_create_completion(NULL, NULL, NULL, &comp);    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);            return 1;    }
    /* 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);            return 1;    }    /* 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);

复制代码

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

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

复制代码

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。

//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"}

复制代码

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。

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创作场景

分布式存储 cephfs 读取优化方案

2. 原始方案

2.1 流程图

2.2 说明

2.3 实战

2.4 优缺点

2.5 总结

3. 优化方案

3.1 流程图

3.2 说明

3.3 实战

3.4 优缺点

3.5 总结

4. 深入分析

4.1 文件对应 object 信息

4.1.1 Jewel 版本

4.1.2 源码跟踪

4.1.2 Luminous 版本

4.2 总结

4.3 获取这个对象 offset 对应行的信息

4.4 通过 librados 库，读取 object 的信息

4.5 项目工具

4.7 资料

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