块存储、文件存储和对象存储

一、块存储

典型设备：磁盘阵列，硬盘
块存储主要是将裸磁盘空间整个映射给主机使用的，就是说例如磁盘阵列里面有5块硬盘（为方便说明，假设每个硬盘1G），然后可以通过划逻辑盘、做Raid、或者LVM（逻辑卷）等种种方式逻辑划分出N个逻辑的硬盘。（假设划分完的逻辑盘也是5个，每个也是1G，但是这5个1G的逻辑盘已经于原来的5个物理硬盘意义完全不同了。例如第一个逻辑硬盘A里面，可能第一个200M是来自物理硬盘1，第二个200M是来自物理硬盘2，所以逻辑硬盘A是由多个物理硬盘逻辑虚构出来的硬盘。）
接着块存储会采用映射的方式将这几个逻辑盘映射给主机，主机上面的操作系统会识别到有5块硬盘，但是操作系统是区分不出到底是逻辑还是物理的，它一概就认为只是5块裸的物理硬盘而已，跟直接拿一块物理硬盘挂载到操作系统没有区别的，至少操作系统感知上没有区别。此种方式下，操作系统还需要对挂载的裸硬盘进行分区、格式化后，才能使用，与平常主机内置硬盘的方式完全无异。

a) DAS(Direct Attach Storage): 是直接连接于主机服务器的一种存储方式，每台服务器有独立的存储设备，每台主机服务器的存储设备无法互通，需要跨主机存取资料室，必须经过相对复杂的设定，若主机分属不同的操作系统，则更复杂。

应用：单一网络环境下且数据交换量不大，性能要求不高的环境，技术实现较早。

b) SAN(Storage Area Network): 是一种高速(光纤)网络联接专业主机服务器的一种存储方式，此系统会位于主机群的后端，它使用高速I/O联接方式，如：SCSI,ESCON及Fibre-Channels.特点是，代价高、性能好。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。

应用：对网速要求高、对数据可靠性和安全性要求高、对数据共享的性能要求高的应用环境中。

优点：
1、 这种方式的好处当然是因为通过了Raid与LVM等手段，对数据提供了保护。
2、 另外也可以将多块廉价的硬盘组合起来，成为一个大容量的逻辑盘对外提供服务，提高了容量。
3、 写入数据的时候，由于是多块磁盘组合出来的逻辑盘，所以几块磁盘可以并行写入的，提升了读写效率。
4、 很多时候块存储采用SAN架构组网，传输速率以及封装协议的原因，使得传输速度与读写速率得到提升。

缺点：
1、采用SAN架构组网时，需要额外为主机购买光纤通道卡，还要买光纤交换机，造价成本高。
2、主机之间的数据无法共享，在服务器不做集群的情况下，块存储裸盘映射给主机，再格式化使用后，对于主机来说相当于本地盘，那么主机A的本地盘根本不能给主机B去使用，无法共享数据。
3、不利于不同操作系统主机间的数据共享：另外一个原因是因为操作系统使用不同的文件系统，格式化完之后，不同文件系统间的数据是共享不了的。例如一台装了WIN7/XP，文件系统是FAT32/NTFS，而Linux是EXT4，EXT4是无法识别NTFS的文件系统的。就像一只NTFS格式的U盘，插进Linux的笔记本，根本无法识别出来。所以不利于文件共享。

二、文件存储

典型设备：FTP、NFS服务器
为了克服上述文件无法共享的问题，所以有了文件存储。
文件存储也有软硬一体化的设备，但是其实普通拿一台服务器/笔记本，只要装上合适的操作系统与软件，就可以架设FTP与NFS服务了，架上该类服务之后的服务器，就是文件存储的一种了。主机A可以直接对文件存储进行文件的上传下载，与块存储不同，主机A是不需要再对文件存储进行格式化的，因为文件管理功能已经由文件存储自己搞定了。

NAS(Network Attached Storage)：是一套网络存储设备，通常直接连在网络上并提供资料存取服务，一套NAS储存设备就如同一个提供数据文件服务的系统，特点是性价比高。

它采用NFS或CIFS命令集访问数据，以文件为传输协议，可扩展性好、价格便宜、用户易管理。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。

优点：
1、造价交低：随便一台机器就可以了，另外普通以太网就可以，根本不需要专用的SAN网络，所以造价低。
2、方便文件共享：例如主机A（WIN7，NTFS文件系统），主机B（Linux，EXT4文件系统），想互拷一部电影，本来不行。加了个主机C（NFS服务器），然后可以先A拷到C，再C拷到B就OK了。

缺点：读写速率低，传输速率慢：以太网，上传下载速度较慢，另外所有读写都要1台服务器里面的硬盘来承担，相比起磁盘阵列动不动就几十上百块硬盘同时读写，速率慢了许多。

三、对象存储

典型设备：内置大容量硬盘的分布式服务器

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(OSD)，构建存储系统，每个对象存储设备具备一定的职能，能够自动管理其上的数据分布。

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

对象存储最常用的方案，就是多台服务器内置大容量硬盘，再装上对象存储软件，然后再额外搞几台服务作为管理节点，安装上对象存储管理软件。管理节点可以管理其他服务器对外提供读写访问功能。

之所以出现了对象存储这种东西，是为了克服块存储与文件存储各自的缺点，发扬它俩各自的优点。简单来说块存储读写快，不利于共享，文件存储读写慢，利于共享。能否弄一个读写快，利 于共享的出来呢。于是就有了对象存储。

首先，一个文件包含了了属性（术语叫metadata，元数据，例如该文件的大小、修改时间、存储路径等）以及内容（以下简称数据）。

以往像FAT32这种文件系统，是直接将一份文件的数据与metadata一起存储的，存储过程先将文件按照文件系统的最小块大小来打散（如4M的文件，假设文件系统要求一个块4K，那么就将文件打散成为1000个小块），再写进硬盘里面，过程中没有区分数据/metadata的。而每个块最后会告知你下一个要读取的块的地址，然后一直这样顺序地按图索骥，最后完成整份文件的所有块的读取。

这种情况下读写速率很慢，因为就算你有100个机械手臂在读写，但是由于你只有读取到第一个块，才能知道下一个块在哪里，其实相当于只能有1个机械手臂在实际工作。而对象存储则将元数据独立了出来，控制节点叫元数据服务器（服务器+对象存储管理软件），里面主要负责存储对象的属性（主要是对象的数据被打散存放到了那几台分布式服务器中的信息），而其他负责存储数据的分布式服务器叫做OSD，主要负责存储文件的数据部分。当用户访问对象，会先访问元数据服务器，元数据服务器只负责反馈对象存储在哪些OSD，假设反馈文件A存储在B、C、D三台OSD，那么用户就会再次直接访问3台OSD服务器去读取数据。

这时候由于是3台OSD同时对外传输数据，所以传输的速度就加快了。当OSD服务器数量越多，这种读写速度的提升就越大，通过此种方式，实现了读写快的目的。

另一方面，对象存储软件是有专门的文件系统的，所以OSD对外又相当于文件服务器，那么就不存在文件共享方面的困难了，也解决了文件共享方面的问题。所以对象存储的出现，很好地结合了块存储与文件存储的优点。

四、块级与文件级

1.块级概念：块级是指以扇区为基础，一个或多个连续的扇区组成一个块，也叫物理块。它是在文件系统与块设备（例如：磁盘驱动器）之间。
2.文件级概念：文件级是指文件系统，单个文件可能由于一个或多个逻辑块组成，且逻辑块之间是不连续分布。逻辑块大于或等于物理块整数倍，
3.物理块与文件系统之间的关系图：映射关系：扇区→物理块→逻辑块→文件系统

五、从应用角度看块存储、文件存储、对象存储

传统认知上来说，IT设备分为计算/存储/网络三大类，相互之间是有明显的楚河汉界的。计算大家都清楚，服务器，小型机，大型机；网络也就是路由器交换机；存储有内置存储和外置存储，最常见的就是磁盘阵列。在HCI（超融合）这个概念没被热炒之前，计算网络存储还都是泾渭分明，各担其责的。今天我们先不讨论超融合的情况，仅基于传统理解，看看存储的情况。

从逻辑上存储通常分为块存储，文件存储，对象存储。这三类存储在实际应用中的适配环境还是有着明显的不同的。

块存储（DAS/SAN）通常应用在某些专有的系统中，这类应用要求很高的随机读写性能和高可靠性，上面搭载的通常是Oracle/DB2这种传统数据库，连接通常是以FC光纤（8Gb/16Gb）为主，走光纤协议。如果要求稍低一些，也会出现基于千兆/万兆以太网的连接方式，MySQL这种数据库就可能会使用IP SAN，走iSCSI协议。通常使用块存储的都是系统而非用户，并发访问不会很多，经常出现一套存储只服务一个应用系统，例如如交易系统，计费系统。典型行业如金融，制造，能源，电信等。

文件存储（NAS）相对来说就更能兼顾多个应用和更多用户访问，同时提供方便的数据共享手段。毕竟大部分的用户数据都是以文件的形式存放，在PC时代，数据共享也大多是用文件的形式，比如常见的的FTP服务，NFS服务，Samba共享这些都是属于典型的文件存储。几十个用户甚至上百用户的文件存储共享访问都可以用NAS存储加以解决。在中小企业市场，一两台NAS存储设备就能支撑整个IT部门了。CRM系统，SCM系统，OA系统，邮件系统都可以使用NAS存储统统搞定。甚至在公有云发展的早几年，用户规模没有上来时，云存储的底层硬件也有用几套NAS存储设备就解决的，甚至云主机的镜像也有放在NAS存储上的例子。文件存储的广泛兼容性和易用性，是这类存储的突出特点。但是从性能上来看，相对SAN就要低一些。NAS存储基本上是以太网访问模式，普通千兆网，走NFS/CIFS协议。

前面说到的块存储和文件存储，基本上都还是在专有的局域网络内部使用，而对象存储的优势场景却是互联网或者公网，主要解决海量数据，海量并发访问的需求。基于互联网的应用才是对象存储的主要适配（当然这个条件同样适用于云计算，基于互联网的应用最容易迁移到云上，因为没出现云这个名词之前，他们已经在上面了），基本所有成熟的公有云都提供了对象存储产品，不管是国内还是国外。

对象存储常见的适配应用如网盘、媒体娱乐，医疗PACS，气象，归档等数据量超大而又相对“冷数据”和非在线处理的应用类型。这类应用单个数据大，总量也大，适合对象存储海量和易扩展的特点。网盘类应用也差不多，数据总量很大，另外还有并发访问量也大，支持10万级用户访问这种需求就值得单列一个项目了（这方面的扫盲可以想想12306）。归档类应用只是数据量大的冷数据，并发访问的需求倒是不太突出。

另外基于移动端的一些新兴应用也是适合的，智能手机和移动互联网普及的情况下，所谓UGD（用户产生的数据，手机的照片视频）总量和用户数都是很大挑战。毕竟直接使用HTTP get/put就能直接实现数据存取，对移动应用来说还是有一定吸引力的。

对象存储的访问通常是在互联网，走HTTP协议，性能方面，单独看一个连接的是不高的（还要解决掉线断点续传之类的可靠性问题），主要强大的地方是支持的并发数量，聚合起来的性能带宽就非常可观了。

六、块存储、文件存储、对象存储的层次关系

我们从底层往上看，最底层就是硬盘，多个硬盘可以做成RAID组，无论是单个硬盘还是RAID组，都可以做成PV，多个PV物理卷捏在一起构成VG卷组，这就做成一块大蛋糕了。接下来，可以从蛋糕上切下很多块LV逻辑卷，这就到了存储用户最熟悉的卷这层。到这一层为止，数据一直都是以Block块的形式存在的，这时候提供出来的服务就是块存储服务。你可以通过FC协议或者iSCSI协议对卷访问，映射到主机端本地，成为一个裸设备。在主机端可以直接在上面安装数据库，也可以格式化成文件系统后交给应用程序使用，这时候就是一个标准的SAN存储设备的访问模式，网络间传送的是块。

如果不急着访问，也可以在本地做文件系统，之后以NFS/CIFS协议挂载，映射到本地目录，直接以文件形式访问，这就成了NAS访问的模式，在网络间传送的是文件。

如果不走NAS，在本地文件系统上面部署OSD服务端，把整个设备做成一个OSD，这样的节点多来几个，再加上必要的MDS节点，互联网另一端的应用程序再通过HTTP协议直接进行访问，这就变成了对象存储的访问模式。当然对象存储通常不需要专业的存储设备，前面那些LV/VG/PV层也可以统统不要，直接在硬盘上做本地文件系统，之后再做成OSD，这种才是对象存储的标准模式，对象存储的硬件设备通常就用大盘位的服务器。

从系统层级上来说，这三种存储是按照块->文件->对象逐级向上的。文件一定是基于块上面去做，不管是远端还是本地。而对象存储的底层或者说后端存储通常是基于一个本地文件系统（XFS/Ext4..）。这样做是比较合理顺畅的架构。但是大家想法很多，还有各种特异的产品出现，我们逐个来看看：

对象存储除了基于文件，可以直接基于块，但是做这个实现的很少，毕竟你还是得把文件系统的活给干了，自己实现一套元数据管理，也挺麻烦的，目前我只看到Nutanix宣称支持。另外对象存储还能基于对象存储，这就有点尴尬了，就是转一下，何必呢？但是这都不算最奇怪的，最奇怪的是把对象存储放在最底层，那就是这两年大红的Ceph。

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