存储

IT系统按应用存储方式可以分为文件存储、对象存储、块存储三种类型。

  • 块存储，其中块是指物理磁盘上以扇区为基础，一个或几个连续的扇区组成的一段磁盘空间，也叫物理块。块存储简单理解就是一块一块的硬盘，直接挂载在主机上，在主机上能够看到的就是一块块的硬盘以及硬盘分区。从存储架构的角度来讲，块存储分为DAS存储（Direct-Attached Storage，直连式存储）、SAN存储（Storage Area Network，存储区域网络）以及云时代的弹性块存储。
  • 文件存储，用户可在虚拟机或物理机上以文件系统方式，基于POSIX/CIFS/NFS/FTP等标准协议进行数据存取。文件系统中有分区，有文件夹，子文件夹，形成一个自上而下的文件结构；文件系统中的文件，可以由应用程序进行打开、修改等操作。物理块与文件系统之间的映射关系是：扇区→物理块→逻辑块（卷）→文件系统。也就是说文件系统中存储的数据最终是写入磁盘中的，文件系统是建立在块存储之上的。从存储架构上来说文件系统分为单机文件系统、网络文件系统（NAS Network Attached Storage，网络附属存储)以及云时代的分布式文件系统。
  • 对象存储，其中对象是指被封装的文件，应用程序不能直接打开修改它，只能整个文件的读取写入。而且对象存储系统没有像文件系统那样有一个很多层级的文件结构，没有多层次的目录结构，就是简单的2-3级结构。对象存储概念来源于互联网时代，所以从存储架构来讲，对象存储都是分布式的。

文件存储

  • 典型代表：单机文件系统FAT,Ext4，网络文件系统NAS,分布式文件系统HDFS
    • 单机文件文件系统，用于操作系统和应用程序的本地存储。应用直接访问本地文件存储；
    • 网络文件系统，以太网架构，不同主机之间访问同一套文件系统，实现文件共享。但文件系统是单机的，不能分布式扩展。
    • 分布式文件系统，不同主机共同访问，文件系统本身可以线性扩展。 *
  • 接口协议：通常是指支持POSIX接口，即传统的文件访问接口方式。分布式存储提供了并行化的能力，如Ceph的CephFS(CephFS是Ceph面向文件存储的接口)，GFS，HDFS这种非POSIX接口的类文件存储接口也归入文件存储类比。
  • 应用场景：丰富的应用场景。
  • 读写单位：文件字节

对象存储

  • 典型代表：AWS S3,openstack swift;
  • 接口协议：接口就是简单的GET、PUT、DEL和其他扩展。

  • 应用场景：接口简单，一个对象可以看成一个文件，全写全读

    • 互联网/移动互联网应用的静态内容（视频、图片、文件、软件安装包等）。
    • 存储网站、云盘等

  • 读写单位：对象（整个文件）

  • 与文件系统的差异：本质区别是接口和数据组织结构的区别

    • 存储接口：对象存储不支持文件存储中的fread和fwrite类似的随机位置读写操作，对象存储中一个文件PUT到对象存储里以后，如果要读取，只能GET整个文件，如果要修改一个对象，只能重新PUT一个新的到对象存储里，覆盖之前的对象或者形成一个新的版本。
    • 数据结构组织：在文件存储系统中文件夹可以一级一级嵌套，对象存储层次关系是固定的，而且只有两到三级，是扁平的。每一级的每个元素，在系统中都有唯一的标识，用户通过这个标识来访问容器或者对象，所以，对象存储提供的是一种K/V的访问方式。采用扁平的数据组织结构抛弃了嵌套的文件夹，避免维护庞大的目录树。

  • 对象存储的优化空间

    • 编码的优化问题；主要是指错误数据恢复的编码优化，在恢复时候如何考虑尽可能的减少对网络开销的影响。2个研究方向：LRC(local recovery codes）编码和减少非必要的数据恢复。
    • 存储中计算/存储融合，热门方向，计算的任务放到数据存储的地方进行计算。
    • 特大文件或者特小文件的性能优化问题；

块存储

  • 块存储是将裸磁盘空间整个映射给主机使用的，形成主机上的一个存储设备。然后通过操作系统进行管控。

  • 典型代表：单机直连式块存储 本地硬盘或者独立DAS设备，网络块存储 磁盘阵列，弹性块存储 AWS的EBS

    • DAS（Direct Attach STorage） 直连式块存储：存储直接连接于主机服务，每一台主机服务器有独立的储存设备，每台主机服务器的储存设备无法互通

    • SAN(Storage Area Network)区域网络块存储：是一种连接外接存储设备和服务器的架构，连接到服务器的存储设备，将被操作系统视为直接连接的存储设备。

    • 弹性块存储，弹性块存储为物理机或虚拟机提供块级别的分布式的、高速数据存储。
  • 接口协议：接口通常以QEMU Driver或者Kernel Module的方式存在，如Sheepdog，AWS的EBS，Ceph的RBD（RBD是Ceph面向块存储的接口）
  • 应用场景：
    • DAS、SAN是传统的块存储方式，数据库的陈列存储或主机操作系统的物理存储；
    • 弹性块存储是虚拟存储设备，简单理解就是虚拟网络硬盘，通过卷映射挂到物理机或虚拟机上。
  • 读写单位：应用不直接读取，主机对块存储设备以卷的进行直接映射

三种存储方式的差异

  • 服务对象差异

    • 块存储直接以卷的方式映射给物理机或虚拟机。不直接面向业务应用。
    • 对象存储、文件存储直接应用于具体的业务应用

  • 性能指标差异

    • 块存储，要求的访问时延是 10ms 级的，但qps（iops）很高
    • 对象存储，文件存储，要求的访问时延是 100ms – 1s 级的，低 qps的

  • 应用场景

    • 块存储，物理主机的本地磁盘、磁盘阵列以及虚拟机的虚拟硬盘。
    • 文件系统，应用场景的较多，但文件系统结构比较复杂，经常要维护一个很深的目录树。
    • 对象存储，应用于单个文件的整体操作场景，把文件整体看做一个独立的对象。



统一存储

统一提供文件存储、对象存储和块存储的分布式存储服务。如ceph，sheepdog

分布式存储架构规划

需求

  • 性能需求 运行或在线系统需要高性能。离线或备份数据需要高容量，低价格。数据量大，性能要求不高。
  • 可靠性需求。所有的数据都必须是可靠的，绝对不能丢。存储的容忍底线，
  • 差异化需求，不同的需求需要用不同的方式来解决。
  • 非功能需求，可靠性要求、可用性要求、时延要求、一致性要求、使用模式相关要求（包括请求大小、QPS/IOPS、吞吐）等。

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