塊存儲、文件存儲、對象存儲的區(qū)別與聯(lián)系

1、塊存儲典型設備：磁盤陣列，硬盤塊存儲主要是將裸磁盤空間整個映射給主機使用的，就是說例如磁盤陣列里面有5塊硬盤（為方便說明，假設每個硬盤1G），然后可以通過劃邏輯盤、做Raid、或者LVM（邏輯卷）等種種方式邏輯劃分出N個邏輯的硬盤。（假設劃分完的邏輯盤也是5個，每個也是1G，但是這5個1G的邏輯盤已經(jīng)與原來的5個物理硬盤意義完全不同了。例如第一個邏輯硬盤A里面，可能第一個200M是來自物理硬盤1，第二個200M是來自物理硬盤2，所以邏輯硬盤A是由多個物理硬盤邏輯虛構(gòu)出來的硬盤。）接著塊存儲會采用映射的方式將這幾個邏輯盤映射給主機，主機上面的操作系統(tǒng)會識別到有5塊硬盤，但是操作系統(tǒng)是區(qū)分不出到底是邏輯還是物理的，它一概就認為只是5塊裸的物理硬盤而已，跟直接拿一塊物理硬盤掛載到操作系統(tǒng)沒有區(qū)別的，至少操作系統(tǒng)感知上沒有區(qū)別。此種方式下，操作系統(tǒng)還需要對掛載的裸硬盤進行分區(qū)、格式化后，才能使用，與平常主機內(nèi)置硬盤的方式完全無異。優(yōu)點：1、這種方式的好處當然是因為通過了Raid與LVM等手段，對數(shù)據(jù)提供了保護。2、另外也可以將多塊廉價的硬盤組合起來，成為一個大容量的邏輯盤對外提供服務，提高了容量。3、寫入數(shù)據(jù)的時候，由于是多塊磁盤組合出來的邏輯盤，所以幾塊磁盤可以并行寫入的，提升了讀寫效率。4、很多時候塊存儲采用SAN架構(gòu)組網(wǎng)，傳輸速率以及封裝協(xié)議的原因，使得傳輸速度與讀寫速率得到提升。缺點：1、采用SAN架構(gòu)組網(wǎng)時，需要額外為主機購買光纖通道卡，還要買光纖交換機，造價成本高。2、主機之間的數(shù)據(jù)無法共享，在服務器不做集群的情況下，塊存儲裸盤映射給主機，再格式化使用后，對于主機來說相當于本地盤，那么主機A的本地盤根本不能給主機B去使用，無法共享數(shù)據(jù)。3、不利于不同操作系統(tǒng)主機間的數(shù)據(jù)共享：另外一個原因是因為操作系統(tǒng)使用不同的文件系統(tǒng)，格式化完之后，不同文件系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)是共享不了的。例如一臺裝了WIN，文件系統(tǒng)是FAT32/NTFS，而Linux是EXT4，EXT4是無法識別NTFS的文件系統(tǒng)的。就像一只NTFS格式的U盤，插進Linux的筆記本，根本無法識別出來。所以不利于文件共享。2、文件存儲典型設備：FTP、NFS服務器為了克服上述文件無法共享的問題，所以有了文件存儲。文件存儲也有軟硬一體化的設備，但是其實普通拿一臺服務器/筆記本，只要裝上合適的操作系統(tǒng)與軟件，就可以架設FTP與NFS服務了，架上該類服務之后的服務器，就是文件存儲的一種了。主機A可以直接對文件存儲進行文件的上傳下載，與塊存儲不同，主機A是不需要再對文件存儲進行格式化的，因為文件管理功能已經(jīng)由文件存儲自己搞定了。優(yōu)點：1、造價較低：隨便一臺機器就可以了，另外普通以太網(wǎng)就可以，根本不需要專用的SAN網(wǎng)絡，所以造價低。2、方便文件共享：例如主機A（WIN，NTFS文件系統(tǒng)），主機B（Linux，EXT4文件系統(tǒng)），想互拷一部電影，本來不行。加了個主機C（NFS服務器），然后可以先A拷到C，再C拷到B就OK了。（例子比較膚淺，請見諒……）缺點：讀寫速率低，傳輸速率慢：以太網(wǎng)，上傳下載速度較慢，另外所有讀寫都要1臺服務器里面的硬盤來承擔，相比起磁盤陣列動不動就幾十上百塊硬盤同時讀寫，速率慢了許多。3、對象存儲典型設備：內(nèi)置大容量硬盤的分布式服務器對象存儲最常用的方案，就是多臺服務器內(nèi)置大容量硬盤，再裝上對象存儲軟件，然后再額外搞幾臺服務作為管理節(jié)點，安裝上對象存儲管理軟件。管理節(jié)點可以管理其他服務器對外提供讀寫訪問功能。之所以出現(xiàn)了對象存儲這種東西，是為了克服塊存儲與文件存儲各自的缺點，發(fā)揚它倆各自的優(yōu)點。簡單來說塊存儲讀寫快，不利于共享，文件存儲讀寫慢，利于共享。能否弄一個讀寫快，利于共享的出來呢。于是就有了對象存儲。首先，一個文件包含了了屬性（術(shù)語叫metadata，元數(shù)據(jù)，例如該文件的大小、修改時間、存儲路徑等）以及內(nèi)容（以下簡稱數(shù)據(jù)）。以往像FAT32這種文件系統(tǒng)，是直接將一份文件的數(shù)據(jù)與metadata一起存儲的，存儲過程先將文件按照文件系統(tǒng)的最小塊大小來打散（如4M的文件，假設文件系統(tǒng)要求一個塊4K，那么就將文件打散成為1000個小塊），再寫進硬盤里面，過程中沒有區(qū)分數(shù)據(jù)/metadata的。而每個塊最后會告知你下一個要讀取的塊的地址，然后一直這樣順序地按圖索驥，最后完成整份文件的所有塊的讀取。這種情況下讀寫速率很慢，因為就算你有100個機械手臂在讀寫，但是由于你只有讀取到第一個塊，才能知道下一個塊在哪里，其實相當于只能有1個機械手臂在實際工作。而對象存儲則將元數(shù)據(jù)獨立了出來，控制節(jié)點叫元數(shù)據(jù)服務器（服務器+對象存儲管理軟件），里面主要負責存儲對象的屬性（主要是對象的數(shù)據(jù)被打散存放到了那幾臺分布式服務器中的信息），而其他負責存儲數(shù)據(jù)的分布式服務器叫做OSD，主要負責存儲文件的數(shù)據(jù)部分。當用戶訪問對象，會先訪問元數(shù)據(jù)服務器，元數(shù)據(jù)服務器只負責反饋對象存儲在哪些OSD，假設反饋文件A存儲在B、C、D三臺OSD，那么用戶就會再次直接訪問3臺OSD服務器去讀取數(shù)據(jù)。這時候由于是3臺OSD同時對外傳輸數(shù)據(jù)，所以傳輸?shù)乃俣染图涌炝?。當OSD服務器數(shù)量越多，這種讀寫速度的提升就越大，通過此種方式，實現(xiàn)了讀寫快的目的。另一方面，對象存儲軟件是有專門的文件系統(tǒng)的，所以OSD對外又相當于文件服務器，那么就不存在文件共享方面的困難了，也解決了文件共享方面的問題。所以對象存儲的出現(xiàn)，很好地結(jié)合了塊存儲與文件存儲的優(yōu)點。最后，為什么對象存儲兼具塊存儲與文件存儲的好處，還要使用塊存儲或文件存儲呢？1、有一類應用是需要存儲直接裸盤映射的，例如數(shù)據(jù)庫。因為數(shù)據(jù)庫需要存儲裸盤映射給自己后，再根據(jù)自己的數(shù)據(jù)庫文件系統(tǒng)來對裸盤進行格式化的，所以是不能夠采用其他已經(jīng)被格式化為某種文件系統(tǒng)的存儲的。此類應用更適合使用塊存儲。2、對象存儲的成本比起普通的文件存儲還是較高，需要購買專門的對象存儲軟件以及大容量硬盤。如果對數(shù)據(jù)量要求不是海量，只是為了做文件共享的時候，直接用文件存儲的形式好了，性價比高。二、從應用角度比較塊存儲、文件存儲、對象存儲產(chǎn)品和市場需求有各種相互影響的關系，但不管是哪一種，最終呈現(xiàn)都是產(chǎn)品和應用需求需要對應匹配。應用需求越多樣化，市場也就劃分得更加細，產(chǎn)品種類也就更加豐富。在存儲行業(yè)，我們也可以從“應用適配”這個角度來聊聊各類存儲。傳統(tǒng)認知上來說，IT設備分為計算/存儲/網(wǎng)絡三大類，相互之間是有明顯的楚河漢界的。計算大家都清楚，服務器，小型機，大型機；網(wǎng)絡也就是路由器交換機；存儲有內(nèi)置存儲和外置存儲，最常見的就是磁盤陣列。在HCI（超融合）這個概念沒被熱炒之前，計算網(wǎng)絡存儲還都是涇渭分明，各擔其責的。今天我們先不討論超融合的情況，僅基于傳統(tǒng)理解，看看存儲的情況。從邏輯上存儲通常分為塊存儲，文件存儲，對象存儲。這三類存儲在實際應用中的適配環(huán)境還是有著明顯的不同的。塊存儲（DAS/SAN）通常應用在某些專有的系統(tǒng)中，這類應用要求很高的隨機讀寫性能和高可靠性，上面搭載的通常是Oracle/DB2這種傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，連接通常是以FC光纖（8Gb/16Gb）為主，走光纖協(xié)議。如果要求稍低一些，也會出現(xiàn)基于千兆/萬兆以太網(wǎng)的連接方式，MySQL這種數(shù)據(jù)庫就可能會使用IPSAN，走iSCSI協(xié)議。通常使用塊存儲的都是系統(tǒng)而非用戶，并發(fā)訪問不會很多，經(jīng)常出現(xiàn)一套存儲只服務一個應用系統(tǒng)，例如如交易系統(tǒng)，計費系統(tǒng)。典型行業(yè)如金融，制造，能源，電信等。文件存儲（NAS）相對來說就更能兼顧多個應用和更多用戶訪問，同時提供方便的數(shù)據(jù)共享手段。畢竟大部分的用戶數(shù)據(jù)都是以文件的形式存放，在PC時代，數(shù)據(jù)共享也大多是用文件的形式，比如常見的的FTP服務，NFS服務，Samba共享這些都是屬于典型的文件存儲。幾十個用戶甚至上百用戶的文件存儲共享訪問都可以用NAS存儲加以解決。在中小企業(yè)市場，一兩臺NAS存儲設備就能支撐整個IT部門了。CRM系統(tǒng)，SCM系統(tǒng)，OA系統(tǒng)，郵件系統(tǒng)都可以使用NAS存儲統(tǒng)統(tǒng)搞定。甚至在公有云發(fā)展的早幾年，用戶規(guī)模沒有上來時，云存儲的底層硬件也有用幾套NAS存儲設備就解決的，甚至云主機的鏡像也有放在NAS存儲上的例子。文件存儲的廣泛兼容性和易用性，是這類存儲的突出特點。但是從性能上來看，相對SAN就要低一些。NAS存儲基本上是以太網(wǎng)訪問模式，普通千兆網(wǎng)，走NFS/CIFS協(xié)議。對象存儲概念出現(xiàn)得晚一些，存儲標準化組織SINA早在2004年就給出了定義，但早期多出現(xiàn)在超大規(guī)模系統(tǒng)，所以并不為大眾所熟知，相關產(chǎn)品一直也不溫不火。一直到云計算和大數(shù)據(jù)的概念全民強推，才慢慢進入公眾視野。前面說到的塊存儲和文件存儲，基本上都還是在專有的局域網(wǎng)絡內(nèi)部使用，而對象存儲的優(yōu)勢場景卻是互聯(lián)網(wǎng)或者公網(wǎng)，主要解決海量數(shù)據(jù)，海量并發(fā)訪問的需求?；诨ヂ?lián)網(wǎng)的應用才是對象存儲的主要適配（當然這個條件同樣適用于云計算，基于互聯(lián)網(wǎng)的應用最容易遷移到云上，因為沒出現(xiàn)云這個名詞之前，他們已經(jīng)在上面了），基本所有成熟的公有云都提供了對象存儲產(chǎn)品，不管是國內(nèi)還是國外。對象存儲常見的適配應用如網(wǎng)盤、媒體娛樂，醫(yī)療PACS，氣象，歸檔等數(shù)據(jù)量超大而又相對“冷數(shù)據(jù)”和非在線處理的應用類型。這類應用單個數(shù)據(jù)大，總量也大，適合對象存儲海量和易擴展的特點。網(wǎng)盤類應用也差不多，數(shù)據(jù)總量很大，另外還有并發(fā)訪問量也大，支持10萬級用戶訪問這種需求就值得單列一個項目了（這方面的掃盲可以想想12306）。歸檔類應用只是數(shù)據(jù)量大的冷數(shù)據(jù)，并發(fā)訪問的需求倒是不太突出。另外基于移動端的一些新興應用也是適合的，智能手機和移動互聯(lián)網(wǎng)普及的情況下，所謂UGD（用戶產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，手機的照片視頻）總量和用戶數(shù)都是很大挑戰(zhàn)。畢竟直接使用HTTPget/put就能直接實現(xiàn)數(shù)據(jù)存取，對移動應用來說還是有一定吸引力的。對象存儲的訪問通常是在互聯(lián)網(wǎng)，走HTTP協(xié)議，性能方面，單獨看一個連接的是不高的（還要解決掉線斷點續(xù)傳之類的可靠性問題），主要強大的地方是支持的并發(fā)數(shù)量，聚合起來的性能帶寬就非?？捎^了。從產(chǎn)品形態(tài)上來看，塊存儲和文件存儲都是成熟產(chǎn)品，各種規(guī)格形態(tài)的硬件已經(jīng)是琳瑯滿目了。但是對象存儲通常你看到都是一堆服務器或者增強型服務器，畢竟這東西現(xiàn)在還是互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)用得多點，DIY風格。關于性能容量等方面，我做了個圖，對三種存儲做直觀對比。塊存儲就像超跑，根本不在意能不能多載幾個人，要的就是極限速度和高速下的穩(wěn)定性和可靠性，各大廠商出新產(chǎn)品都要去紐北賽道刷個單圈最快紀錄，千方百計就為提高一兩秒，跑不進7分以內(nèi)都看不到前三名。（塊存儲容量也不大，TB這個數(shù)量級，支持的應用和適用的環(huán)境也比較專業(yè)（FC+Oracle），在乎的都是IOPS的性能值，廠商出新產(chǎn)品也都想去刷個SPC-1，測得好的得意洋洋，測得不好自動忽略。）文件存儲像集卡，普適各種場合，又能裝數(shù)據(jù)（數(shù)百TB），而且兼容性好，只要你是文件，各種貨物都能往里塞，在不超過性能載荷的前提下，能拉動常見的各種系統(tǒng)。標準POXIS接口，后車門打開就能裝卸?？ㄜ囈膊惶袈罚幌駢K存儲非要上賽道才能開，普通的千兆公路就能暢通無阻。速度雖然沒有塊存儲超跑那么塊，但跑個80/100碼還是穩(wěn)穩(wěn)當當.而對象存儲就像海運貨輪，應對的是"真·海量"，幾十上百PB的數(shù)據(jù)，以集裝箱/container（桶/bucket）為單位碼得整整齊齊，里面裝滿各種對象數(shù)據(jù)，十萬客戶發(fā)的貨（數(shù)據(jù)），一條船就都處理得過來，按照鍵值（KeyVaule）記得清清楚楚。海運速度慢是慢點，有時候遇到點網(wǎng)絡風暴還不穩(wěn)定，但支持斷點續(xù)傳，最終還是能安全送達的，對大宗貨物尤其是非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，整體上來看是最快捷便利的。從訪問方式來說，塊存儲通常都是通過光纖網(wǎng)絡連接，服務器/小機上配置FC光纖HBA卡，通過光纖交換機連接存儲（IPSAN可以通過千兆以太網(wǎng)，以iSCSI客戶端連接存儲），主機端以邏輯卷（Volume）的方式訪問。連接成功后，應用訪問存儲是按起始地址，偏移量Offset的方法來訪問的。而NAS文件存儲通常只要是局域網(wǎng)內(nèi)，千兆/百兆的以太網(wǎng)環(huán)境皆可。網(wǎng)線連上，服務器端通過操作系統(tǒng)內(nèi)置的NAS客戶端，如NFS/CIFS/FTP客戶端掛載存儲成為一個本地的文件夾后訪問，只要符合POXIS標準，應用就可以用標準的open，seek,write/read,close這些方法對其訪問操作。對象存儲不在乎網(wǎng)絡，而且它的訪問比較有特色，只能存取刪（put/get/delete），不能打開修改存盤。只能取下來改好后上傳，去覆蓋原對象。（因為中間是不可靠的互聯(lián)網(wǎng)啊，不能保證你在修改時候不掉線啊。所謂你在這頭，對象在那頭，所愛對象隔山海，山海不可平。）另外再說一點分布式存儲的問題，以上三種存儲都可以和分布式概念結(jié)合，成為分布式文件系統(tǒng)，分布式塊存儲，還有天生分布式的對象存儲。對象存儲的定義就把元數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)存儲訪問分開在不同的節(jié)點上，多個節(jié)點應對多并發(fā)的訪問，這自然就是一個分布式的存儲產(chǎn)品。而分布式文件系統(tǒng)就很多了，各種開源閉源的產(chǎn)品數(shù)得出幾十個，在不同的領域各有應用。至于分布式的塊存儲產(chǎn)品就比較少，也很難做好。我個人認為這個產(chǎn)品形態(tài)有點違和，分布式的思想和塊存儲的設計追求其實是沖突的。前面講過，塊存儲主要是圖快，一上分布式肯定嚴重拖后腿，既然都分布開了，節(jié)點之間的通信必然增加額外負擔，再加上CAP，為了保持一致性犧牲響應速度，得到的好處就是擴展性。這就像把超跑弄個鐵索連環(huán)，哪里還可能跑出高速？鏈條比車都重了，穿起來當火車開嗎？而文件存儲原來也就是集裝箱貨車，大家連起來扮火車還是有可行性的。三、塊存儲、文件存儲、對象存儲的層次關系應用的角度聊過了，我們再看看這三種存儲的一些技術(shù)細節(jié)，首先看看在系統(tǒng)層級的分布。我們從底層往上看，最底層就是硬盤，多個硬盤可以做成RAID組，無論是單個硬盤還是RAID組，都可以做成PV，多個PV物理卷捏在一起構(gòu)成VG卷組，這就做成一塊大蛋糕了。接下來，可以從蛋糕上切下很多塊LV邏輯卷，這就到了存儲用戶最熟悉的卷這層。到這一層為止，數(shù)據(jù)一直都是以Block塊的形式存在的，這時候提供出來的服務就是塊存儲服務。你可以通過FC協(xié)議或者iSCSI協(xié)議對卷訪問，映射到主機端本地，成為一個裸設備。在主機端可以直接在上面安裝數(shù)據(jù)庫，也可以格式化成文件系統(tǒng)后交給應用程序使用，這時候就是一個標準的SAN存儲設備的訪問模式，網(wǎng)絡間傳送的是塊。如果不急著訪問，也可以在本地做文件系統(tǒng)，之后以NFS/CIFS協(xié)議掛載，映射到本地目錄，直接以文件形式訪問，這就成了NAS訪問的模式，在網(wǎng)絡間傳送的是文件。如果不走NAS，在本地文件系統(tǒng)上面部署OSD服務端，把整個設備做成一個OSD，這樣的節(jié)點多來幾個，再加上必要的MDS節(jié)點，互聯(lián)網(wǎng)另一端的應用程序再通過HTTP協(xié)議直接進行訪問，這就變成了對象存儲的訪問模式。當然對象存儲通常不需要專業(yè)的存儲設備，前面那些LV/VG/PV層也可以統(tǒng)統(tǒng)不要，直接在硬盤上做本地文件系統(tǒng)，之后再做成OSD，這種才是對象存儲的標準模式，對象存儲的硬件設備通常就用大盤位的服務器。從系統(tǒng)層級上來說，這三種存儲是按照塊->文件->對象逐級向上的。文件一定是基于塊上面去做，不管是遠端還是本地。而對象存儲的底層或者說后端存儲通常是基于一個本地文件系統(tǒng)（XFS/Ext4..）。這樣做是比較合理順暢的架構(gòu)。但是大家想法很多，還有各種特異的產(chǎn)品出現(xiàn)，我們逐個來看看：對象存儲除了基于文件，可以直接基于塊，但是做這個實現(xiàn)的很少，畢竟你還是得把文件系統(tǒng)的活給干了，自己實現(xiàn)一套元數(shù)據(jù)管理，也挺麻煩的。另外對象存儲還能基于對象存儲，這就有點尷尬了，就是轉(zhuǎn)一下，何必呢？但是這都不算最奇怪的，最奇怪的是把對象存儲放在最底層，那就是這兩年大紅的Ceph。Ceph是個開源的分布式存儲，相信類似的架構(gòu)圖大家都見過，我把底層細節(jié)也畫出來，方便分析。底層是RADOS，這是個標準的對象存儲。以RADOS為基礎，Ceph能夠提供文件，塊和對象三種存儲服務。其中通過RBD提供出來的塊存儲是比較有價值的地方，畢竟因為市面上開源的分布式塊存儲少見嘛（以前倒是有個sheepdog，但是現(xiàn)在不當紅了）。當然它也通過CephFS模塊和相應的私有Client提供了文件服務，這也是很多人認為Ceph是個文件系統(tǒng)的原因。另外它自己原生的對象存儲可以通過RadosGW存儲網(wǎng)關模塊向外提供對象存儲服務，并且和對象存儲的事實標準AmazonS3以及Swift兼容。所以能看出來這其實是個大一統(tǒng)解決方案，啥都齊全。上面講的大家或多或少都有所了解，但底層的RADOS的細節(jié)可能會忽略，RADOS也是個標準對象存儲，里面也有MDS的元數(shù)據(jù)管理和OSD的數(shù)據(jù)存儲，而OSD本身是可以基于一個本地文件系統(tǒng)的，比如XFS/EXT4/Brtfs。在早期版本，你在部署Ceph的時候，是不是要給OSD創(chuàng)建數(shù)據(jù)目錄??？這一步其實就已經(jīng)在本地文件系統(tǒng)上做操作了（現(xiàn)在的版本Ceph可以直接使用硬盤）?，F(xiàn)在我們來看數(shù)據(jù)訪問路徑，如果看Ceph的文件接口，自底層向上，經(jīng)過了硬盤（塊）->文件->對象->文件的路徑；如果看RBD的塊存儲服務，則經(jīng)過了硬盤（塊）->文件->對象->塊，也可能是硬盤（塊）->對象->塊的路徑；再看看對象接口（雖然用的不多），則是經(jīng)過了硬盤（塊）->文件->對象或者硬盤（塊）->對象的路徑。雖說現(xiàn)在大家都這么隨便結(jié)合，但是這三種存儲本質(zhì)上還是有不同的，我們回到計算機的基礎課程，從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來看，這三種存儲有著根本不同。塊存儲的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是數(shù)組，而文件存儲是二叉樹（B,B-,B+,B*各種樹），對象存儲基本上都是哈希表。數(shù)組和二叉樹都是老生常談，沒有太多值得說的，而對象存儲使用的哈希表也就是常聽說的鍵值（KeyVaule型）存儲的核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，每個對象找一個UID（所謂的“鍵”KEY），算哈希值（所謂的“值Vaule”）以后和目標對應。找了一個哈希表例子如下：鍵值對應關系簡單粗暴，畢竟算個hash值是很快的，這種扁平