何为块存储?何为文件存储?(上篇)

对于存储，我们并不陌生，我们每天接触最多的存储之一便是手机存储。为增进大家对存储的认识，本文将对块存储和文件存储予以介绍。此外，本文仅为上篇，更多存储相关内容请参考后续文章。如果你对存储抑或本文即将介绍的知识具有兴趣，不妨继续往下阅读哦。

块存储和文件存储是我们比较熟悉的两种主流的存储类型，而对象存储(Object-based Storage)是一种新的网络存储架构，基于对象存储技术的设备就是对象存储设备(Object-based Storage Device)简称OSD。

首先，我们介绍这两种传统的存储类型。通常来讲，所有磁盘阵列都是基于Block块的模式(DAS)，而所有的NAS产品都是文件级存储

一、块存储

以下列出的两种存储方式都是块存储类型：

1) DAS(Direct Attach STorage)：是直接连接于主机服务器的一种储存方式，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，需要跨主机存取资料时，必须经过相对复杂的设定，若主机服务器分属不同的操作系统，要存取彼此的资料，更是复杂，有些系统甚至不能存取。通常用在单一网络环境下且数据交换量不大，性能要求不高的环境下，可以说是一种应用较为早的技术实现。

2)SAN(Storage Area Network)：是一种用高速(光纤)网络联接专业主机服务器的一种储存方式，此系统会位于主机群的后端，它使用高速I/O 联结方式， 如 SCSI, ESCON 及 Fibre- Channels。一般而言，SAN应用在对网络速度要求高、对数据的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，特点是代价高，性能好。例如电信、银行的大数据量关键应用。它采用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，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。

二、文件存储

通常，NAS产品都是文件级存储。 NAS(Network Attached Storage)：是一套网络储存设备，通常是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。例如教育、政府、企业等数据存储应用。

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。

下面，我们对DAS、NAS、SAN三种技术进行比较和分析：

表格 1 三种技术的比较

针对Linux集群对存储系统高性能和数据共享的需求，国际上已开始研究全新的存储架构和新型文件系统，希望能有效结合SAN和NAS系统的优点，支持直接访问磁盘以提高性能，通过共享的文件和元数据以简化管理，目前对象存储系统已成为Linux集群系统高性能存储系统的研究热点，如Panasas公司的Object Base Storage Cluster System系统和Cluster File Systems公司的Lustre等。下面将详细介绍对象存储系统。

三、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(扩展性)。

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)：

3.1 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。

3.2 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。

3.3 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。

3.4 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。现有的应用对数据的访问大部分都是通过POSIX文件方式进行的，对象存储系统提供给用户的也是标准的POSIX文件访问接口。接口具有和通用文件系统相同的访问方式，同时为了提高性能，也具有对数据的Cache功能和文件的条带功能。同时，文件系统必须维护不同客户端上Cache的一致性，保证文件系统的数据一致。文件系统读访问流程：

1)客户端应用发出读请求;

2)文件系统向元数据服务器发送请求，获取要读取的数据所在的OSD;

3)然后直接向每个OSD发送数据读取请求;

4)OSD得到请求以后，判断要读取的Object，并根据此Object要求的认证方式，对客户端进行认证，如果此客户端得到授权，则将Object的数据返回给客户端;

5)文件系统收到OSD返回的数据以后，读操作完成。

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。

以上便是此次小编带来的“存储”相关内容，通过本文，希望大家对块存储和文件存储具备初步的了解。如果你喜欢本文，不妨持续关注我们网站哦，小编将于后期带来更多精彩内容。最后，十分感谢大家的阅读，have a nice day!