BlueStore checksum机制

BlueStore checksum机制
1.checksum的计算
2.checksum的验证

BlueStore 磁盘静默数据损坏分析

1. fsck过程中发现磁盘数据静默错误
2. clone操作
3. read操作
4. write操作
5. Gc操作

实际场景
1.腾讯场景问题确认
2.rbd mirror
3.rbd export import
4.集群扩容

BlueStore checksum机制

Bluestore的checksum算法默认采用的是crc32, 算法的逻辑很简单，即以固定大小的数据块为单位进行计算checksum，数据块的大小一般为4K，同设备的块大小。
Checksum的结果作为bluestore_blob_t结构体序列化的一部分存放在数据库中，假设一个blob的长度为64KB，进行checksum的数据块大小为4KB, 则初始化该blob时，对于crc32，每个数据块的checksum用4字节描述，将分配（64KB/4KB）* 4 = 64字节用于存储该blob数据的checksum。

1.checksum的计算

写数据会进行checksum的计算，对于对齐写和非对齐写，都会以数据所在的4KB对齐的数据块为单位进行计算。比如0-256区间的数据更新，会将257-4095区间的数据读出来，然后以4KB为单位进行计算，如果257-4095原来不存在数据，则用0进行填充后进行计算，计算完将checksum值存储在该blob中。

2.checksum的验证

读数据时，bluestore中会首先查找所读取数据区间所对应的checksum数组，然后用读取的数据计算checksum，判断两者是否一致。举例如下：假设blob的大小为64KB，
本次读取的数据区间为8192~16383, 则分别计算8192~12287和12288-16383两个数据块的checksum，然后读取blob中之前写数据时计算的checksum，这两块数据对应的checksum值为checksum数组偏移为2和3的两个4字节变量。

BlueStore 磁盘静默数据损坏分析

BlueStore中如下五种操作会读取对象数据，其中目前只有对象数据read操作能主动触发对象修复操作，且对上层用户不感知。

结论：读数据的时候依靠checksum机制可以发现数据不一致的情况，其中read可以自动修复，其他的读取操作如果发现存在静默错误，会及时报错，所以可以取消定期deep-scrub操作。

1. fsck过程中发现磁盘数据静默错误

==>> int BlueStore::_mount(bool kv_only, bool open_db)
====>> fsck(cct->_conf->bluestore_fsck_on_mount_deep)
如果bluestore_fsck_on_mount_deep为真，bluestore的fsck过程中将会读取整个文件，以此将会检查该文件对应的磁盘块是否存在数据损坏现象，如果文件损坏，会导致mount失败，从而导致该osd启动失败。

//bluestore_fsck_on_mount_deep 默认为true
Option("bluestore_fsck_on_mount_deep", Option::TYPE_BOOL, Option::LEVEL_DEV)
.set_default(true)
.set_description("Run deep fsck at mount"),

2. clone操作

Clone操作是否从磁盘读数据取决于bluestore_clone_cow配置，如果bluestore_clone_cow为真，则直接进行extent的共享，不会有实际的数据读写操作。如果为假，读取被clone对象的数据，写入新的对象，如果此时读取过程中，发生磁盘静默错误，则直接assert，osd进程down掉。

//bluestore_clone_cow 默认为true
Option("bluestore_clone_cow", Option::TYPE_BOOL, Option::LEVEL_ADVANCED)
.set_default(true)
.set_safe()
.set_description("Use copy-on-write when cloning objects (versus reading and rewriting them at clone time)"),

3. read操作

读操作过程中，如果发现磁盘静默数据错误，是会主动对该对象进行修复的，代码调用流程如下：

==>> do_osd_ops
====>> do_read
======>> objects_read_sync
======>> rep_repair_primary_object

将对象加入待修复列表，进行修复，读操作 会重新发起，用户不感知。

4. write操作

Write操作的rmw写，需要首先从磁盘读取数据进行覆盖写，如果此时发生磁盘静默错误，代码中直接assert，代码调用流程如下:
==>> _do_write_small
====>> _do_read 触发( assert(r >= 0 && r <= (int)tail_read);)

通常ext4类的本地文件系统会直接abort事务，将文件系统挂载为只读，因此此处直接assert osd，导致osd进程down也可以理解。

5. Gc操作

==>> _do_write
====>> _do_gc
======>> _do_read 触发assert(r == (int)it->length);
此处也会导致osd down，策略我理解同write操作。

实际场景

1.腾讯场景问题确认

1.1 cache？1.2 no crc? 1.3 migration?
ceph社区邮件”Copying without crc check when peering may lack reliability”提到的磁盘静默数据损坏没有及时发现的问题，根据发件人的测试步骤没有复现，数据都能自动修复，目前正在请求发件人提供完整复现脚本。现阶段调查结果如下：
1, ceph-objectstore-tool修改对象数据时，如果checksum使能，会同步用新的数据计算checksum，如果修改对象主副本，则新数据迁移到新的crush root下，此处是合理的，因为checksum检查通过，osd会认为数据是正确的，如果修改对象的从副本，由于迁移是根据主副本的数据，新的crush root下的数据仍然是主副本数据。
如果对该osd做deep-scrub, 如果对象所属的pg在该osd上是主pg，是能检测到数据变动的，因为会和从pg上的副本做对比，如果对象所属的pg在该osd上为从pg， deep-scrub将不会针对该pg做检查的。
2，如果对象数据的主副本存在cache，即使对应的底层硬件存在静默错误，正常的读操作和deep-scrub都不会检测到磁盘静默错误(我已经发送patch让deep-scrub能检测出此种损坏，patch已经被merge)。
3，数据迁移在ceph master分支上验证，在三副本测试中，破坏一个副本的数据，然后让数据迁移到另一个crush root下，ceph会自动进行数据修复的，用户不感知。

2.rbd mirror

测试步骤：
破坏journal对象的主副本数据，然后进行replay，待replay完成后检查两个rbd设备的数据是否一致。
测试结果：
暂时没有找到测试方法来控制上述流程，但理论分析是可以修复的，用户不感知道。Rbd-mirror回放日志数据，也就是读取日志对象主副本数据，具体流程同”3. read操作”。

3.rbd export import

测试步骤：
创建一个rbd设备，向其偏移0处写入4MB随机数据，然后通过dd破坏其中一段数据，注意破坏是主副本的数据。破坏完成后，将主副本所在的osd重启以消除cache的影响，然后进行rbd的export 和import测试，读取两个rbd设备的前4MB数据MD5值与初始的写入rbd设备的随机数据文件md5值是否一致。

测试结果：
损坏的rbd对象数据会自动进行修复，用户不感知，具体原理参见”3. read操作”。

4.集群扩容

测试步骤：
创建3 osd集群，用rados创建一个对象，损坏对象主副本数据，注意同样需要重启osd以清除bluestore层cache，加入3个新的osd，待集群稳定后，用rados读取对象数据，验证数据md5值是否一致。

测试结果：
集群rebalance成功，损坏的数据会自动进行修复，用户不感知，具体原理参见”3. read操作”。