CEPH篇 块存储、文件存储和对象存储意义和差异

理解块存储、文件存储和对象存储的应用场景和选择

应用场景(王豪迈（麦子迈|wheats））

　　分布式存储的应用场景相对于其存储接口，现在流行分为三种:

• 对象存储: 也就是通常意义的键值存储，其接口就是简单的 GET、PUT、DEL 和其他扩展，如七牛、又拍、Swift、S3

• 块存储: 这种接口通常以 QEMU Driver 或者 Kernel Module 的方式存在，这种接口需要实现 Linux 的 Block Device 的接口或者 QEMU 提供的 Block Driver 接口，如 Sheepdog，AWS 的 EBS，青云的云硬盘和阿里云的盘古系统，还有 Ceph 的 RBD（RBD 是 Ceph 面向块存储的接口）

• 文件存储: 通常意义是支持 POSIX 接口，它跟传统的文件系统如 Ext4 是一个类型的，但区别在于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)，但是有时候又会把 GFS，HDFS 这种非 POSIX 接口的类文件存储接口归入此类。

　　按照这三种接口和其应用场景，很容易了解这三种类型的 IO 特点，括号里代表了它在非分布式情况下的对应：

• 对象存储（键值数据库）：接口简单，一个对象我们可以看成一个文件，只能全写全读，通常以大文件为主，要求足够的 IO 带宽。

• 块存储（硬盘）：它的 IO 特点与传统的硬盘是一致的，一个硬盘应该是能面向通用需求的，即能应付大文件读写，也能处理好小文件读写。但是硬盘的特点是容量大，热点明显。因此块存储主要可以应付热点问题。另外，块存储要求的延迟是最低的。

• 文件存储（文件系统）：支持文件存储的接口的系统设计跟传统本地文件系统如 Ext4 这种的特点和难点是一致的，它比块存储具有更丰富的接口，需要考虑目录、文件属性等支持，实现一个支持并行化的文件存储应该是最困难的。但像 HDFS、GFS 这种自己定义标准的系统，可以通过根据实现来定义接口，会容易一点。

　　因此，这三种接口分别以非分布式情况下的键值数据库、硬盘和文件系统的 IO 特点来对应即可。至于冷热、快慢、大小文件而言更接近于业务。但是因为存储系统是通用化实现，通常来说，需要尽量满足各种需求，而接口定义已经一定意义上就砍去了一些需求，如对象存储会以冷存储、大文件为主。

如何选择(王旭）

　　首先对象存储和文件存储的区别是不大的，存储的都是一样的东西，只是抛弃了统一的命名空间和目录树的结构，使得扩展起来桎梏少一些。

　　独立的互联网存储服务一般都是做对象存储的，因为块存储是给计算机用的，对象存储是给浏览器等 HTTP 客户端用的。独立服务所提供的存储系统，访问都来自互联网，自然是做对象存储；与之相对应，大部分类 AWS 的主机服务商都会提供一个块存储服务搭配主机服务。

　　同一个服务商同时提供两个服务是有好处的，除了提供的服务比较全这个优点以外，对象存储还可以支撑块存储的快照、主机的系统镜像存储等应用，可以相互结合的。

　　权衡的因素有很多——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。

　　比如：

• 对于块存储，要求的访问时延是 10ms 级的，因为给虚拟机用的，传统硬盘也是 10ms 级的时延，请求尺寸都很小，但 qps（iops）可能会很高，那么在这种情况下：
  • 异地多中心是不现实的，存储要和主机尽量接近，相应地可靠性必然会有所打折
  • 强一致副本不会过多，强一致要求对时延有影响
• 对于对象存储，要求的访问时延是 100ms - 1s 级的，请求一般是中到大尺寸，低 qps 的，在这种情况下
  • 可以用更多的分散副本数来换取更高的可靠性，但过多副本增加维持一致性的难度，需要折衷

　　另外 SSD 随着成本降低，在块存储里逐渐成为主流了，以便提供更好的 IOPS，AWS 这个月开始，创建的 EBS 卷缺省就是 SSD 的了。

　　对于评价一个实现，首先是看适合不适合这个用途，然后看这个方案有没有显著的缺点，是否有严重的影响，然后成本之类的也是一个因素，做软件的人总觉的用便宜硬件实现高大上的服务才值得吹牛，呵呵。

　　下文链接：https://www.zhihu.com/question/21536660/answer/33279921

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。

　　优点：

• 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。
• 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。
• 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。
• 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：

• 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。
• 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。
• 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。

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。

　　优点：

• 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。
• 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。（例子比较肤浅，请见谅……）

　　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。

对象存储

　　典型设备：内置大容量硬盘的分布式服务器

• 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。

　　最后为什么对象存储兼具块存储与文件存储的好处，还要使用块存储或文件存储呢？

• 有一类应用是需要存储直接裸盘映射的，例如数据库。因为数据库需要存储裸盘映射给自己后，再根据自己的数据库文件系统来对裸盘进行格式化的，所以是不能够采用其他已经被格式化为某种文件系统的存储的。此类应用更适合使用块存储。
• 对象存储的成本比起普通的文件存储还是较高，需要购买专门的对象存储软件以及大容量硬盘。如果对数据量要求不是海量，只是为了做文件共享的时候，直接用文件存储的形式好了，性价比高。