块存储、文件存储、对象存储的优缺点、应用场景

参考文章链接：

一篇文章让你理解Ceph的三种存储接口(块设备、文件系统、对象存储)：https://blog.csdn.net/wangmingshuaiguo/article/details/92628036
Ceph介绍及原理架构分享：https://www.jianshu.com/p/cc3ece850433
Red Hat Ceph存储—《深入理解Ceph架构》： http://ceph.org.cn/2018/06/29/red-hat-ceph%E5%AD%98%E5%82%A8-%E3%80%8A%E6%B7%B1%E5%85%A5%E7%90%86%E8%A7%A3ceph%E6%9E%B6%E6%9E%84%E3%80%8B/
ceph IO切割成对象和对象名的组成(块存储)： https://blog.csdn.net/a1454927420/article/details/78134554
三种存储类型比较-文件、块、对象存储： https://blog.csdn.net/sinat_27186785/article/details/52032431

块存储就是在物理层这个层面对外提供服务，使用它的系统，有用自己的文件系统格式化。这样一旦被一个系统使用，就独占了。
文件存储，就是在文件系统一层对外提供服务，系统只用访问文件系统一级就可以，各个系统都可以根据接口取访问。
对象存储，也是文件系统一级提供服务，只是优化了目前的文件系统，采用扁平化方式，弃用了目录树结构，便于共享，高速访问。
详细介绍：
这三种存储，分别对应了不同的访问协议，这也就决定了他们的本质差别。
先说一下文件存储，主要操作对象是文件和文件夹。以 NFS 为例，文件相关的接口包括：LOOKUP/ACCESS/READ/WRITE/CREATE/REMOVE/RENAME 等等，文件夹相关的接口包括：MKDIR/RMDIR/READDIR 等等。同时也会有 FSSTAT/FSINFO 等接口用于提供文件系统级别的信息。POSIX，SAMBA 等也是文件存储协议。协议更注重接口的灵活，以及访问权限控制。
块存储，主要操作对象是磁盘。以 SCSI 为例，主要接口有 Read/Write/Read Capacity/Inquiry 等等。FC，iSCSI，也是块存储协议。和文件存储相比，没有文件和目录树的概念，一般协议也不会定义磁盘的创建和删除操作。协议更注重传输控制。
对象存储，主要操作对象是对象（Object）。以 S3 为例，主要接口有 PUT/GET/DELETE 等。和文件和对象存储相比，没有随机读写的接口。和文件存储相比，没有目录树的概念。协议更注重简洁。

【块存储】
典型设备：磁盘阵列，硬盘，虚拟硬盘
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）
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。

典型设备：磁盘阵列，硬盘
主要是将裸磁盘空间映射给主机使用的。
优点：
通过Raid与LVM等手段，对数据提供了保护。
多块廉价的硬盘组合起来，提高容量。
多块磁盘组合出来的逻辑盘，提升读写效率。
缺点：
采用SAN架构组网时，光纤交换机，造价成本高。
主机之间无法共享数据。
使用场景：
docker容器、虚拟机磁盘存储分配。
日志存储。
文件存储。
…

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。
【文件存储】
典型设备：FTP、NFS服务器，SamBa
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。
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。

典型设备： FTP、NFS服务器
为了克服块存储文件无法共享的问题，所以有了文件存储。
在服务器上架设FTP与NFS服务，就是文件存储。
优点：
造价低，随便一台机器就可以了。
方便文件共享。
缺点：
读写速率低。
传输速率慢。
使用场景：
日志存储。
有目录结构的文件存储。
…

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。
【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: 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
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。
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）：
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。
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、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。
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。

典型设备：内置大容量硬盘的分布式服务器(swift, s3)
多台服务器内置大容量硬盘，安装上对象存储管理软件，对外提供读写访问功能。
优点：
具备块存储的读写高速。
具备文件存储的共享等特性。
使用场景： (适合更新变动较少的数据)
图片存储。
视频存储。
…

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。
SAN和NAS技术已经出现了数十年，目前单台SAN或NAS设备最大容量已经达到PB级别，但在应对EB级数据挑战时，还是显得有些力不从心。这主要由于其架构和服务接口决定的。

SAN使用SCSI协议作为底层协议，SCSI协议管理的粒度非常小，通常以字节(byte)或千字节(KB)为单位;同时SCSI协议没有提供读写锁机制以确保不同应用并发读写时的数据一致性，因此难以实现EB级存储资源管理和多个服务器/服务器集群之间数据共享。

NAS使用文件协议访问数据，通过文件协议存储设备能够准确识别数据内容，并提供了非常丰富的文件访问接口，包括复杂的目录/文件的读写锁。文件和目录采用树形结构管理，每个节点使用一种叫做inode的结构进行管理，每一个目录和文件都对应一个iNode。目录深度或同一目录下的子节点数随着整体文件数量的增加而快速增加，通常文件数量超过亿级时，文件系统复杂的锁机制及频繁的元数据访问将极大降低系统的整体性能。

传统的RAID技术和Scale-up架构也阻止了传统的SAN和NAS成为EB级高可用，高性能的海量存储单元。传统的RAID基于硬盘，通常一个RAID组最多包含20+块硬盘，即使PB级规模的SAN或NAS也将被分割成多个存储孤岛，增加了EB级规模应用场景下的管理复杂度;同时Scale-up架构决定了即使SAN和NAS存储容量达到EB级，性能也将成为木桶的短板。

那么如何才能应对信息爆炸时代的数据洪流呢？我们设想能否有一种“超级数据图书馆”，它提供海量的、可共享的存储空间给很多用户(服务器/服务器集群)使用，提供超大的存储容量，其存储容量规模千倍于当前的高速存储单元(SAN和NAS)，用户或应用访问数据时无需知道图书馆对这些书如何摆放和管理(布局管理)，只需要提供唯一编号(ID)就可以获取到这本书的内容(数据)。如果某一本书变得老旧残破，系统自动地将即将失效或已经失效的书页(存储介质)上的数据抄写(恢复/重构)到新的纸张(存储介质)上，并重新装订这本书，数据使用者无需关注这一过程，只是根据需要去获取数据资源。这种“超级数据图书馆”是否真的存在呢？
　　分布式对象存储的诞生

对象存储技术的出现和大量自动化管理技术的产生，使得“超级数据图书馆”不再是人类遥不可及的梦想。对象存储系统(Object-Based Storage System)改进了SAN和NAS存储的劣势，保留了NAS的数据共享等优势，通过高级的抽象接口替代了SCSI存储块和文件访问接口(不同地区的用户访问不同的POSIX文件系统，不仅浪费时间，而且让运维管理变的更复杂。相对而言，分布式存储系统的优势明显。在分布式存储系统上做应用开发更便利，易维护和扩容，自动负载平衡。以 RESTful HTTP接口代替了POSIX接口和QEMU Driver接口)，屏蔽了存储底层的实现细节，将NAS垂直的树形结构改变成平等的扁平结构，从而提高了扩展性、增强了可靠性、具备了平台无关性等重要存储特性。(Erasure Code：是将文件转换成一个碎片集合，每一个碎片很小，碎片被打散分布到一组服务器资源池里。只要存留的碎片数量足够，就可以合成为原本的文件。这可以在保持原本的数据健壮性的基础上大大减少需要的存储空间。不过Erasure Code并非适应所有的场景，尤其不适合网络延迟敏感的业务( 不过Erasure Code并非适应所有的场景，尤其不适合网络延迟敏感的业务))
　　SNIA(网络存储工业协会)定义的对象存储设备是这样的：

Ø 对象是自完备的，包含元数据、数据和属性

     n 存储设备可以自行决定对象的具体存储位置和数据的分布

     n 存储设备可以对不同的对象提供不同的QoS

Ø 对象存储设备相对于块设备有更高的“智能”，上层通过对象ID来访问对象，而无需了解对象的具体空间分布情况

     换句话说对象存储是智能化、封装得更好的块，是“文件”或其他应用级逻辑结构的组成部分，文件与对象的对应关系由上层直接控制，对象存储设备本身也可能是个分布式的系统——这就是分布式对象存储系统了。
　　用对象替代传统的块的好处在于对象的内容本身来自应用，其具有内在的联系，具有“原子性”，因此可以做到：

Ø 在存储层进行更智能的空间管理

Ø 内容相关的数据预取和缓存

Ø 可靠的多用户共享访问

Ø 对象级别的安全性

     同时，对象存储架构还具有更好的可伸缩性。一个对象除了ID和用户数据外，还包含了属主、时间、大小、位置等源数据信息，权限等预定义属性，乃至很多自定义属性。

     具备EB级规模扩展性的分布式对象存储，通过对应用提供统一的命名空间，构建EB级统一、可共享数据的存储资源池，有效地填补上述通用计算模型中“网络计算”场景海量存储单元空白，通过高层次的数据模型抽象，可以简化应用对数据访问，同时使得海量存储更加智能。

  对象是数据和自描述信息的集合，是在磁盘上存储的基本单元。对象存储通过简化数据的组织形式(如将树形的“目录”和“文件”替换为扁平化的“ID”与“对象”)、降低协议与接口的复杂度(如简化复杂的锁机制，确保最终一致性)，从而提高系统的扩展性以应对信息爆炸时代海量数据的挑战。同时对象的智能自管理功能也能有效降低系统维护复杂度，帮助用户降低整体拥有成本(TCO)。
概括一下，块设备速度快，对存储的数据没有进行组织管理，但在大多数场景下，用户数据读写不方便（以块设备位置offset + 数据的length来记录数据位置，读写数据）。而在块设备上构建了文件系统后，文件系统帮助块设备组织管理数据，数据存储对用户更加友好（以文件名来读写数据）。Ceph文件系统接口解决了“Ceph块设备+本地文件系统”不支持多客户端共享读写的问题，但由于文件系统结构的复杂性导致了存储性能较Ceph块设备差。对象存储接口是一种折中，保证一定的存储性能，同时支持多客户端共享读写。