计算机存储的发展（块存储,文件存储,对象存储）

系统管理员 2022-05-12 06:50 288阅读 0赞

*  块存储
    
     *  DAS
     *  SAN
 *  文件存储
 *  块存储和文件存储异同：
 *  对象存储
    
     *  1、对象
     *  2、对象存储设备
     *  3、元数据服务器（Metadata Server，MDS）
     *  4、对象存储系统的客户端Client
 *  三者之间异同比较
 *  参考文献

如果要实现一个计算机，那么这个计算机一定要有以下的三个部分构成：计算、存储和网络。计算一般指的是CPU和内存的搭配，存储一般就是指硬盘了，网络指的是网卡的管理和配置。

本篇文章，主要讲解有关块存储、文件存储、对象存储这三者之间的对比。每一种存储都有对应的实现方法。

# 块存储 #

块存储又有两种常见的形式，DAS和SAN。DAS即直接连接存储（Direct Attached Storage），SAN即存储区域网络（Storage Area Network）。

## DAS ##

块存储是我们最常用的一种存储模式。比如个人PC上的硬盘，服务器上的硬盘，外置设备通过SCSI或者FC接口直接连接到电脑上的。

这种存储方式有一种很大的缺陷，其存储性能瓶颈来自于自家PC电脑或者服务器的卡槽的多少。比如我们的笔记本一般只能装一个硬盘+SSD基本上已经没有位置再做扩展了。也就是DAS的性能瓶颈来自于主板的卡槽数量。很难做scale out扩展（即横向扩展）。

![这里写图片描述][20180915102523257]

事实上，这种DAS存储模式，一般在中小型企业汇总应用十分广泛。它更依赖主机的操作系统来实现数据的IO读写、数据管理、数据备份等工作。

但是这种存储模式也存在一定的缺点。比如可管理性差、弹性扩展能力弱，难以跟上IT发展趋势等问题。举例来讲，一台服务器/电脑只会配备固定容量的DAS存储，那么如果容量不够用，存储空间太小，就很难从内部着手实现弹性扩展（外部扩展容量也存在弊端），如果存储空间太大还会导致资源浪费，这一点在服务器领域尤为明显。

补充知识点：SCSI接口是什么

SCSI（Small Computer System Interface）小型计算机系统接口，一种用于计算机和智能设备之间（硬盘、软驱、光驱、打印机、扫描仪等）系统级接口的独立处理器标准。 SCSI是一种智能的通用接口标准。

SCSI是一种计算机系统接口的标准

**SCSI是一种I/O技术**

**SCSI规范了一种并行的I/O总线和相关的协议**

**SCSI的数据传输方式是以块的方式进行的**

## SAN ##

对于用户来说，SAN好比是一块大磁盘，用户可以根据需要随意将SAN格式化成想要的文件系统来使用。SAN在网络中通过iSCSI（IPSAN）协议连接，属block及存储，但可扩展性较差。

根据SAN的实现形式来看，其实是通过光交换机，将各块硬盘连接起来，然后通过ISCSI协议来传递数据。

在我看来，其实是通过FC交换机解决了机器主板只有几个卡槽的问题，利用FC交换机，就仿佛实现了这样一种机制，即我们拥有一个无限卡槽的主板，上面都是接口，你可以通过这个接口插上你的硬盘。

SAN是一个采用网状通道（简称FC）技术，通过FC交换机连接存储阵列和服务器主机，建立专用于数据存储的区域网络。

我们可以从定义中看出，这是一个专用于企业级应用的存储方式。可以简单理解为一个在高度网络中，提供在计算机与存储系统之间的数据传输。  
![这里写图片描述][20180915103813878]

从理论上来讲，SAN支持数以百计的磁盘，提供了海量的存储空间，解决了大容量存储问题；从逻辑层面，这个海量空间可以按需要分成不同大小的LUN，再分配给服务器，也解决了只需要小容量存储的问题。

可以说，SAN的出现，适应了信息化发展的大趋势，它将计算与存储分离，增强了存储扩张的弹性。毕竟如今联网设备越来越多，数据量越来越大，我们对存储需求也越来越强。SAN“拉帮结伙”的特性让存储弹性更大，更方便扩展容量。

同时，介于独特的存储结构，SAN需要通过光纤交换机连接存储阵列和服务器，建立专用数据存储的网络。

# 文件存储 #

再说说文件集存储，典型代表–NAS。对于用户来说，NAS好比是一个共享文件夹，文件系统已经存在，用户可以直接将自己的数据存放在NAS上。NAS以文件为传输协议，开销很大，不利于在高性能集群中使用。

NAS是一种通过网络达成存储目的的设备，NAS传输数据依靠的是TCP/IP网络协议栈，这是NAS存储于上文的DAS和SAN存储最大的不同之处。

NAS是标准的文件级存储方法，采用网络技术（TCP/IP、ATM、FDDI），通过网络交换机连接存储系统和服务器主机来建立存储私网。其主要特征是把存储设备、网络接口和以太网技术集成在一起，直接通过以太网网络存取数据。能够快速实现部门级存储容量需求与文件传输需求。

![这里写图片描述][2018091510503965]

实现文件存储的方式有很多，其中比较常用的有以下的几种，并且经常运用在企业运用中。ftp协议、nfs协议、samba协议等。

比较下块存储和文件存储的异同,举个例子而言，有三块硬盘，使用光交换机连接之后，把光交换机和服务器进行直接连接，服务器就会单纯的以为自己是有一块儿这么大的硬盘的，要使用的话，需要对这块硬盘进行分区，格式化为某种文件系统，然后就可以使用了；同样是三块硬盘，我分别把这三块硬盘装在主机A,B,C上，分区、格式化为某种文件系统，比如格式化为XFS文件系统，然后我以共享文件夹的形式把主机A的/data目录使用NFS共享给B和C，这就是文件存储。

# 块存储和文件存储异同： #

*  数据传输方式不同：块存储依靠SCSI或者ISCSI接口，以块方式交换数据，数据传输速度快；文件存储依靠TCP/IP协议栈进行数据传输，网络带宽是I/O的性能瓶颈。
 *  文件系统的位置：NAS和SAN最本质的区别就是文件管理系统在哪里，如图所示，SAN结构中，文件管理系统（FS）分别在每一个应用服务器上面，而NAS则是每个应用服务器通过网络共享协议，使用同一个文件管理系统。即NAS和SAN存储系统的区别就是NAS有自已的文件管理系统。  
    ![2018091511080691][]
 *  使用方式不同：块存储设备使用的时候，还需要进一步进行分区，将设备格式为某种文件系统才可以继续使用；而文件存储就相当于你多了一个共享文件夹，文件存储带着自己本身的文件系统。

# 对象存储 #

总体上来讲，对象存储同兼具SAN高速直接访问磁盘特点及NAS的分布式共享特点。

*  SAN（Storage Area Network）结构  
    采用SCSI 块I/O的命令集，通过在磁盘或FC（Fiber Channel）级的数据访问提供高性能的随机I/O和数据吞吐率，它具有高带宽、低延迟的优势，在高性能计算中占有一席之地，如SGI的CXFS文件系统就是基于SAN实现高性能文件存储的，但是由于SAN系统的价格较高，且可扩展性较差，已不能满足成千上万个CPU规模的系统。
 *  NAS（Network Attached Storage）结构  
    它采用NFS或CIFS命令集访问数据，以文件为传输协议，通过TCP/IP实现网络化存储，可扩展性好、价格便宜、用户易管理，如目前在集群计算中应用较多的NFS文件系统，但由于NAS的协议开销高、带宽低、延迟大，不利于在高性能集群中应用。

**对象存储结构：**

核心是将数据通路（数据读或写）和控制通路（元数据）分离，并且基于对象存储设备（Object-based Storage Device，OSD）构建存储系统，每个对象存储设备具有一定的智能，能够自动管理其上的数据分布。

**对象存储结构组成部分（对象、对象存储设备、元数据服务器、对象存储系统的客户端）：**

![这里写图片描述][20180915134828774]

## 1、对象 ##

对象是系统中数据存储的基本单位，一个对象实际上就是文件的数据和一组属性信息（Meta Data）的组合，这些属性信息可以定义基于文件的RAID参数、数据分布和服务质量等，而传统的存储系统中用文件或块作为基本的存储单位，在块存储系统中还需要始终追踪系统中每个块的属性，对象通过与存储系统通信维护自己的属性。在存储设备中，所有对象都有一个对象标识，通过对象标识OSD命令访问该对象。通常有多种类型的对象，存储设备上的根对象标识存储设备和该设备的各种属性，组对象是存储设备上共享资源管理策略的对象集合等。

![这里写图片描述][20180915140209105]

对象的层次理解：  
![这里写图片描述][20180915140424765]

## 2、对象存储设备 ##

对象存储设备具有一定的智能，它有自己的CPU、内存、网络和磁盘系统，OSD同块设备的不同不在于存储介质，而在于两者提供的访问接口。OSD的主要功能包括数据存储和安全访问。目前国际上通常采用刀片式结构实现对象存储设备。OSD提供三个主要功能：  
（1） 数据存储。OSD管理对象数据，并将它们放置在标准的磁盘系统上，OSD不提供块接口访问方式，Client请求数据时用对象ID、偏移进行数据读写。  
（2） 智能分布。OSD用其自身的CPU和内存优化数据分布，并支持数据的预取。由于OSD可以智能地支持对象的预取，从而可以优化磁盘的性能。  
（3） 每个对象元数据的管理。OSD管理存储在其上对象的元数据，该元数据与传统的inode元数据相似，通常包括对象的数据块和对象的长度。而在传统的NAS系统中，这些元数据是由文件服务器维护的，对象存储架构将系统中主要的元数据管理工作由OSD来完成，降低了Client的开销。

## 3、元数据服务器（Metadata Server，MDS） ##

MDS控制Client与OSD对象的交互，主要提供以下几个功能：

（1） 对象存储访问。

MDS构造、管理描述每个文件分布的视图，允许Client直接访问对象。MDS为Client提供访问该文件所含对象的能力，OSD在接收到每个请求时将先验证该能力，然后才可以访问。

（2） 文件和目录访问管理。

MDS在存储系统上构建一个文件结构，包括限额控制、目录和文件的创建和删除、访问控制等。

（3） Client Cache一致性。

为了提高Client性能，在对象存储系统设计时通常支持Client方的Cache。由于引入Client方的Cache，带来了Cache一致性问题，MDS支持基于Client的文件Cache，当Cache的文件发生改变时，将通知Client刷新Cache，从而防止Cache不一致引发的问题。

## 4、对象存储系统的客户端Client ##

为了有效支持Client支持访问OSD上的对象，需要在计算节点实现对象存储系统的Client，通常提供POSIX文件系统接口，允许应用程序像执行标准的文件系统操作一样。

**对象存储文件系统的关键技术**

1、分布元数据 传统的存储结构元数据服务器通常提供两个主要功能。

（1）为计算结点提供一个存储数据的逻辑视图（Virtual File System，VFS层），文件名列表及目录结构。

（2）组织物理存储介质的数据分布（inode层）。对象存储结构将存储数据的逻辑视图与物理视图分开，并将负载分布，避免元数据服务器引起的瓶颈（如NAS系统）。元数据的VFS部分通常是元数据服务器的10％的负载，剩下的90％工作（inode部分）是在存储介质块的数据物理分布上完成的。在对象存储结构，inode工作分布到每个智能化的OSD，每个OSD负责管理数据分布和检索，这样90%的元数据管理工作分布到智能的存储设备，从而提高了系统元数据管理的性能。另外，分布的元数据管理，在增加更多的OSD到系统中时，可以同时增加元数据的性能和系统存储容量。

2、并发数据访问 对象存储体系结构定义了一个新的、更加智能化的磁盘接口OSD。OSD是与网络连接的设备，它自身包含存储介质，如磁盘或磁带，并具有足够的智能可以管理本地存储的数据。计算结点直接与OSD通信，访问它存储的数据，由于OSD具有智能，因此不需要文件服务器的介入。如果将文件系统的数据分布在多个OSD上，则聚合I/O速率和数据吞吐率将线性增长，对绝大多数Linux集群应用来说，持续的I/O聚合带宽和吞吐率对较多数目的计算结点是非常重要的。对象存储结构提供的性能是目前其它存储结构难以达到的，如ActiveScale对象存储文件系统的带宽可以达到10GB/s。

# **三者之间异同比较** #

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>存储类型</th> 
   <th>数据传输方式</th> 
   <th>适应场景</th> 
   <th>优点</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>块存储</td> 
   <td>SCSI/ISCSI接口</td> 
   <td>小型机房</td> 
   <td>速度快</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>文件存储</td> 
   <td>NFS/FTP等</td> 
   <td>局域网环境</td> 
   <td>可扩展性高</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>对象存储</td> 
   <td>http协议</td> 
   <td>互联网环境，异地存储</td> 
   <td>速度快，且扩展性高，高可用</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

> 对象存储相比块存储、文件存储的一个最本质的区别是无层次结构。我们都知道，一般的存储（比如你自己的PC的文件系统）是有一个目录树概念的，要找到一个文件需要先找到这个文件所属的目录。而对象存储是没有文件目录树这个概念的，所有的数据都在同一个层次中，仅仅通过数据的唯一地址标识来识别并查找数据。

块存储: 是和主机打交道的, 如插一块硬盘  
文件存储: NAS, 网络存储, 用于多主机共享数据  
对象存储: 跟你自己开发的应用程序打交道, 如网盘

# 参考文献 #

[NFS深入了解][NFS]  
[SI/iSCSI及SAS、NAS、SAN的基本介绍][SI_iSCSI_SAS_NAS_SAN]  
[NAS网络存储与SAN、DAS的区别][NAS_SAN_DAS]  
[NFS工作原理][NFS 1]  
[什么是对象存储][Link 1]

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[2018091511080691]: /images/20220512/4b3f9da1d2f149f2bf11abf6fb1078a1.png
[20180915134828774]: /images/20220512/69086fff8ccf4c9a95dcf961c5633060.png
[20180915140209105]: /images/20220512/013e9a543bbd4b55a17b9614b98fda1d.png
[20180915140424765]: /images/20220512/11c8260e325e4c9b91c1994f92b374be.png
[NFS]: https://blog.csdn.net/younger_china/article/details/53352282
[SI_iSCSI_SAS_NAS_SAN]: http://blog.51cto.com/11107124/1884637
[NAS_SAN_DAS]: http://news.mydrivers.com/1/534/534373.htm
[NFS 1]: http://www.cnblogs.com/me80/p/7464125.html
[Link 1]: https://community.qingcloud.com/topic/209/%E4%BB%80%E4%B9%88%E6%98%AF%E5%AF%B9%E8%B1%A1%E5%AD%98%E5%82%A8-osd%E6%9E%B6%E6%9E%84%E5%8F%8A%E5%8E%9F%E7%90%86