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【存储】知多少

2017-07-11 09:00 DevOps


本文转自简书:http://www.jianshu.com/p/27e1bd4e516e

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,而所有的NAS产品都是文件级存储。

首先我们先来了解一下,什么叫做块级?什么叫文件级?

1.块级概念:

块级是指以扇区为基础,一个或我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

文件级备份:

文件级备份是指在指定某些文件进行备份时,首先会查找每个文件逻辑块,其次物理块,由于逻辑块是分散在物理块上,而物理块也是分散在不同扇区上。需要一层一 层往下查找,最后才完成整个文件复制。文件级备份时比较费时间,效率不高,实时性不强,备份时间长,且增量备份时,单文件某一小部份修改,不会只备份修改 部份,而整个文件都备份。

块级备份:

块级备份是指物理块复制,效率高,实时性强,备份时间短,且增量备份时,只备份修改过的物理块。

目前文件级备份工具:

Symantec NBU/BE 备份软件、Commvault、CA、Networker

目前块级备份工具:

飞康CDP、Recoverpoint、杭州信核CDP、Novell CDP

备份时间点保留周期:

传统备份软件(文件级备份),可以保留备份时间点多,恢复颗粒度大

CDP备份(块级备份),可以保留备份时间点少,恢复颗粒度小

【块存储】

典型设备:磁盘阵列,硬盘,虚拟硬盘

【文件存储】

典型设备:FTP、NFS服务器,SamBa

【对象存储】

典型设备:内置大容量硬盘的分布式服务器

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。

1、块存储

以下列出的两种存储方式都是块存储类型:

1) DAS(Direct AttachSTorage):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。


2、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:


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。


3、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。

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,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。

4、GlusterFS 和对象存储

GlusterFS是目前做得最好的分布式存储系统系统之一,而且已经开始商业化运行。但是,目前GlusterFS3.2.5版本还不支持对象存储。如果要实现海量存储,那么GlusterFS需要用对象存储。值得高兴的是,GlusterFS最近宣布要支持对象存储。它使用openstack的对象存储系统swift的上层PUT、GET等接口,支持对象存储。

http://www.openstack.org/blog/2011/07/announcing-the-gluster-connector-for-openstack/

——详细介绍

【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:

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。

【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:

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。(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?

1、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。

2、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。


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