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帮助中心 >  产品文档 >  运维 >  运维篇-存储基本知识梳理

传统统一存储阵列主要有3模式：

  • DAS:

早期的直连存储，犹如我们现在用的台式机，笔记本，就是终端连一块硬盘，这个比较好理解。

  • FC-SAN/IP-SAN:

基于FC协议的专有数据存储网络，一般应用级企业级应用，后面因为使用光纤信号通道成本昂贵，又出现了基于iSCSI协议的IP-SAN，可以直接利用现有的现有的TCP/IP网络，无非额外采购光纤交换机。

  • NAS:

字面意思理解就是网络存储器，NAS本身能够支持多种协议如NFS、CIFS、FTP、HTTP等，一般应用于网盘、FTP服务器等，用于文件存储。

传统存储最核心的是raid技术原理,比较有典型的是RAID0 、RAID1、RAID5、RAID10。

  • RAID0:

      raid 0是一种Data Stripping数据分条技术，RAID 0是组建磁盘阵列中最简单的一种形式，只需要2块以上的硬盘即可，成本低，可以提高整个磁盘的性能和吞吐量。


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  • RAID1:

称为磁盘镜像，原理是把一个磁盘的数据镜像到另一个磁盘上，也就是说数据在写入一块磁盘的同时，会在另一块闲置的磁盘上生成镜像文件。至少需要2块磁盘，常见与我们的X86服务器第一次安装操作系统时一般会选择两块硬盘做个RAID1。可靠性可以保障，但是空间利用率只有50%。

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  • RAID5:

 属于分布式奇偶校验的独立磁盘结构，如下图它的奇偶校验码存在于所有磁盘上，其中的p0代表第0带区的奇偶校验值，其他的意思相同。RAID5的读出效率很高，写入效率一般，raid属于一种比较折中的方案，因为奇偶校验码存在于不同的磁盘上，所以可靠性可以保障。空间利用率一般为N-1/N ,（N代表磁盘块数）。

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  • RAID10

  高可靠性与高效磁盘结构，这种结构无非是一个带区结构加一个镜象结构，因为两种结构各有优缺点，因此可以相互补充，达到既高效又高速的目的。企业级高端存储阵列一般对数据库应用一般会采用RAID10.

当然了，传统统一存储阵列还有数据分层，SS缓存读写配置，快照技术、容灾远程复制技术等等，还有全闪存阵列，超融合技术等等不再细化展开，有兴趣可以自行网络脑补。

随着这几年的云计算的兴起，加上棱镜门事件的推波助澜，确实这几年传统统一存储阵列持续进入衰退期，从外资存储巨头EMC、IBM、HP、Netapp、HDS等败退中国，市场份额持续被国产品牌吞噬，以及各家出货量的报告中可以体现。

云化时代，那么我们就积极拥抱云存储吧。


分布式存储（SDS）：


     得益于大数据的繁盛发展，分布式存储架构在近几年中得到了前所未有的关注，分布式简单的理解就是用一推廉价的服务器，完成单个计算机无法完成的任务。

  • 其最大的特点，就是支持横向扩展，不像传统统一存储阵列，扩展到一定规模，计算、带宽就会存在瓶颈。

  • 所谓人多力量大，分布式可以利用更多的机器，处理更多的数据，所以高性能也是分布式存储另外一个特点。

  • 另外分布式存储也有易运维的特点：块存储、对象存储、文件存储都可以统一管理。

  • 另外以分布式存储软硬件解耦，只是要标准服务器，不同厂家的服务器都可以接入，所以上线扩容很方便。

  • 同等存储容量下，一般分布式存储的成本相对也更加便宜（ROI），所有往往分布式存储更受老板们的欢迎。

   当下分布式存储实际应用中最大的问题是性能不是很稳定，尤其是磁盘损坏的，数据的同步往往需要大量的时候，而且有时会影响整体存储的性能，毕竟传统统一集中存储技术沉淀了十几年，内部做了大量的优化，不过后续笔者持续看到SDS。

   为了方便大家理解传统存储与分布式存储的区别，网上摘了一个图片，个人觉得这个比喻很形象生动，把传统存储比喻成汽车，数据比如成货物，分布式存储比如动车。


个人觉得区分分布式存储与传统存储最恰当的比喻，传统存储犹如绿皮火车，扩容犹如加车厢，但是动力就是头尾两个车头，存在瓶颈；分布式犹如现在的动车，扩容加车厢的同时，每个车厢其实都有动力（当年跟一个产品经理去跟客户交流时听来的，内心还是比较佩服这帮做产品的）。


分布式存储支持块存储、对象存储、文件存储。 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，通常来讲，所有磁盘阵列都是基于Block块的模式，块存储接口通常以QEMU Driver或者Kernel Module的方式存在。AWS的EBS，青云的云硬盘和阿里云的盘古系统，还有Ceph的RBD。NAS产品基本都是文件级存储，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，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。




对象存储（Object-basedStorage）则是一种新的网络存储架构，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，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，AWS S3是对象存储的一种通用标准协议。对象象存储采用扁平数据组织形式并通过基于http协议的RESTful接口来访问的分布式存储系统对象存储不支持随机读写操作，只能全读全写，其面向的是一次写入，多次读取的非结构化数据存储的需求场景。对象存储支持海量用户并发访问，并对外提供高扩展（Scalability）、高持久（Durability）和高可用（Availability）的分布式海量数据存储服务。


分布式存储的关键技术原理（一般统称为raid2.0技术）：


  • 副本：

  多副本是指数据在系统中切片，而每一个数据的切片都有多个副本，分布在不同节点中。这种机制不仅提供数据的可靠性，还能改善性能。同时多副本能够支持更多并发访问，无论是多个应用并发访问还是单个访问，数据可以从最快响应的节点获得，因此系统会提供更好的性能响应。

  • 纠删码（EC）：

  纠删码通过对数据分块后计算校验产生校验块，并与原始数据块共同存储，在部分数据块或校验块丢失的情况下，可以通过计算恢复原始数据，纠删码的特别之处在于容错率可设定。纠删码同样可以磁盘为单位或以节点为单位组建，实现全局冗余，这意味着数据分片是跨节点，并不限于一台节点（存储设备）以内。EC 相对 RAID 技术更加灵活，条带由 N个数据块和 M 个校验数据块组成，而且 M 和 N 是可以调整的。


副本与纠删码的优缺点：

  副本和纠删码之间并不存在谁占据绝对优势，而是两者在不同的场景有各自的优缺点。多数据副本在保障可靠性与性能的前提下，明显的弊端在于容量的损失；3副本实际可用的空间使用率只有1/3，而纠删码（Erasure Code）容错率可设定，空间利用率一般为N/M+N，明显优于副本，但是其代价是牺牲了性能，尤其是随机写入，特别是改写和重构（Rebuild）时产生的I/O惩罚较大，对应的集群网络流量比副本保护模式要大。


写惩罚可以这么理解：

2副本下，某个节点的 1 次数据写入，实际需要 2 个节点参与（写入 2 次），写惩罚为 2；EC设置 4/1 情况下，1 次数据写入，实际需要至少 2 个节点参与，其中读取 2 次（读取数据，读取校验），写入 2 次（写入数据，写入校验），写惩罚为 4 ；

重构对性能的影响可以这么理解：

2 副本下，1 个节点或者数据块故障，数据恢复需要从一个副本读取一次，然后写入一次进行恢复副本，影响 1 个节点的读取性能。EC设置 4/1 情况下，1 个节点或者数据块故障，数据恢复需要读取 3 个数据块和 1 个校验，通过运算后写入一次进行数据恢复，影响 4 个节点的读取性能。


另外从存储性能CPU资源开销看：

副本是基于数据完整复制，没有涉及额外的运算，对 CPU 开销较低。EC 由于读写都需要计算校验值，需要额外的 CPU 资源开销。 


多数据副本是分布式系统中成熟的冗余机制，已大量应用于生产业务，基本上行业主流的云厂家底层的云存储配置的是副本模式，而纠删码技术但实际产品中还缺乏大量应用，一般常应用于视频行业。



 CEPH 基础知识：

Ceph的核心组件包括Ceph OSD、CephMonitor和CephMDS。

  • Ceph OSD：

    它的主要功能是存储数据、复制数据、平衡数据、恢复数据等，与其它OSD间进行心跳检查等，并将一些变化情况上报给Ceph Monitor。一般情况下一块硬盘对应一个OSD，由OSD来对硬盘存储进行管理，当然一个分区也可以成为一个OSD。Ceph OSD的架构实现由物理磁盘驱动器、Linux文件系统和Ceph OSD服务组成，一般比较推荐使用XFS。伴随OSD的还有一个概念叫做Journal盘，一般写数据到Ceph集群时，都是先将数据写入到Journal盘中，然后每隔一段时间比如5秒再将Journal盘中的数据刷新到文件系统中。一般为了使读写时延更小，Journal盘都是采用SSD，引入Journal盘的概念是因为Journal允许Ceph OSD功能很快做小的写操作；一个随机写入首先写入在上一个连续类型的journal，然后刷新到文件系统，这给了文件系统足够的时间来合并写入磁盘，一般情况下使用SSD作为OSD的journal可以有效缓冲突发负载。

  • Ceph Monitor：

    是一个监视器，负责监视Ceph集群，维护Ceph集群的健康状态，同时维护着Ceph集群中的各种Map图，比如OSD Map、Monitor Map、PG Map和CRUSH Map，这些Map统称为Cluster Map，Cluster Map是RADOS的关键数据结构，管理集群中的所有成员、关系、属性等信息以及数据的分发，比如当用户需要存储数据到Ceph集群时，OSD需要先通过Monitor获取最新的Map图，然后根据Map图和objectid等计算出数据最终存储的位置。

  • Ceph MDS：

    全称是Ceph MetaData Server，主要保存的文件系统服务的元数据，但对象存储和块存储设备是不需要使用该服务的。

ceph基础架构：


 

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CEPH正常的 IO流图：


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至于CEPH的crush算法和主流分布式存储的一直性hash算法等等不在细化展开讨论，网上一推的资料，有兴趣的话自行脑补。


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