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【云存储】SDS软件定义存储，数据存储的类型与技术方案（块/文件/对象，Ceph、RBD等）

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1、分布式存储架构（软件定义存储SDS，超融合基础架构HCI）

云存储

• 云存储，是一种云计算领域存储服务方式，底层构建在分布式存储基础之上，上层通过Internet形式提供存储服务，除具备分布式存储基础特性外，更兼具灵活性，通常由云厂商提供。
• 公有云，私有云，混合云存储，本质上与本地存储类型一致，以产品的形式可以有以下三个存储分类，块存储，文件存储，对象存储。
• 存储技术与解决方案有分布式，集中式。具体技术有RDB，Ceph，HDFS等等，下面也会详细介绍。

存储架构发展趋势：从集中式架构向分布式架构不断演进

• 引用-重点看！， 存储市场按照存储架构可以分为传统企业级存储（TESS）、软件定义存储（SDS）、超融合基础架构（HCI），随着数据量增长及数据分析需求爆发，存储架构从传统的集中式存储向分布式演进，分布式存储的主要形式分为软件定义与超融合。
  

• 传统集中式存储架构演进
  DAS（直接连接存储）：存储设备是通过电缆（通常是SCSI接口电缆）直接连到服务器的。
  NAS方式则全面改进了以前低效的DAS存储方式。它采用独立于服务器，使用网络连接存储专用文件服务器来连接存储设备，自形成一个网络。
  SAN是一个用在服务器和存储资源之间的、专用的、高性能的网络体系。
  
  

• 分布式存储架构
  软件定义存储SDS：将存储硬件中的存储控制器功能抽出来放到软件上，包括卷管理、RAID、数据保护、快照和复制等等。虚拟化和虚拟化和云技术的发展和成熟转变了数据中心的设计、建造、管理和运维方式，这种变革使软件定义存储越来越有吸引力。
  超融合架构HCI: 超融合基础架构除对计算、存储、网络等基础元素进行虚拟化外，通常还包括诸多IT架构管理功能多个单元设备可以通过网络聚合起来，实现模块的无缝横向扩展，形成统一资源池。
  

存储服务商

• 《中国软件定义存储(SDS)及超融合存储系统(HCI)市场季度跟踪报告，2023 年第三季度》
• 国外的云存储服务提供商：
  Amazon Web Services (AWS) S3、Google Cloud Storage、Microsoft Azure Blob Storage、IBM Cloud Object Storage、Dropbox、Box、Apple iCloud
• 国内的一些数据服务服务商: ,
  
  

参考资料：1， 2,3， 4，5

2、存储类型（块存储，文件存储，对象存储）

参考资料：1, 2，3

块存储（硬盘裸盘, ssd, hdd, raw, qcow2）

• 块存储提供的是不带文件系统裸磁盘，使用之前需先进行初始化。我们比较常见的块存储形式是我们的Windows硬盘或手机存储空间，数据是按字节来存储和访问的。
• 块存储使用时，文件系统在客户端，例如Windows系统，我们可以在Windows桌面查看我们存储的内容，但是对于硬盘里的内容和格式，我们是一无所知的，只有借助客户端的文件系统才能查看。
• 由于块存储只负责数据读取和写入，因此具有有高带宽、低延迟的优势，但是扩展能力有限，适用于对响应时间要求高的系统。比如数据库、ERP等企业核心应用的存储等。DAS、SAN这两种存储设备于块存储类型。
• 基于Block块的存储模式，两种常见存储方式：
  DAS（Direct Attch Storage）， 直连主机存储方式
  SAN (Storage Area Netowrk)，高速网络链接主机存储方式
• 块存储不仅仅是直接使用物理设备，间接使用物理设备的也叫块设备，比如虚机创建虚拟磁盘。VMware、VirtualBox都可以创建虚拟磁盘，虚机创建的磁盘格式包括raw、qcow2等，这与主机使用的裸设备不一样，且有不同的应用场景。
• 优点
• 1、通过RAID与LVM等手段，对数据提供了保护(RAID可实现磁盘的备份和校验，LVM可以做快照)；
• 2、RAID将多块廉价的硬盘组合起来，构建大容量的逻辑盘对外提供服务，性价比高；
• 3、写数据时，由于是多块磁盘组合成的逻辑盘，可以并行写入，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：
• 不利于不同操作系统主机间的数据共享，因为操作系统使用不同的文件系统，格式化完成后，不同文件系统间的数据是无法共享的。

文件存储（属性索引, ftp, nfs, smb）

• 依附网络提供文件存储服务。文件存储也有软硬一体化的设备，用一台普通服务器/笔记本，只要安装上合适的操作系统与软件，就可以对外提供FTP与NFS服务。
• 文件存储的存储端带有文件系统，我们常见的NAS存储都是文件存储设备。这些文件存储设备除了磁盘外还带有文件系统，用户直接通过存储端的文件系统就能调用存储资源。
• 文件存储一般体现形式是目录和文件（比如C：\User\Program Files\Common Files），数据以文件的方式存储和访问，按照目录结构进行组织。文件存储有自己的文件系统，对于每个客户端而言是一个统一的文件系统，可以同时供多个客户端使用，易于共享。
• 相比于块存储，文件存储由于有自己的文件系统，可以实现更高级的管理，可以很方便的共享，因此用途非常广泛。比如常用的NFS、CIFS、ftp等都是基于文件存储的。但相比于块存储，文件存储读写速度相对于块存储要慢一点。
• 读写速率低，传输速率慢：以太网，上传下载速度较慢，另外读写操作都分布到单台服务器，与磁阵的并行写相比性能差距较大。
• 主流应用：CephFS、HDFS、NFS、CIFS、Samba、FTP

对象存储（哈希索引, oss）

• 块存储性能出色但是不能共享，文件存储可以共享但是速度又总是不让人满意；做为不会做选择题的成年人既想性能，还要实现共享，同时还要满足大规模扩展需求，所有就有了对象存储。
• 对象存储一般体现形式是一个UUID（比如我们常见的网址xxx），这个UUID是唯一性的，即使在全球也只有通过这一个UUID。
• 数据和元数据打包在一起作为一个整体对象存在一个超大池子里。用户想访问，只需能通过它的UUID，才能找到它。
• 对象存储端的文件系统就是采用这种哈希表-键值（可以理解为查字典，最多两层目录）这种方式来提高读写速度的。对象存储就可以非常简单的扩展到超大规模，因此非常适合数据量大、增速又很快的视频、图像等，例如百度网盘、大数据存储。
• 成本：数据库等追求高性能的应用更适合采用块存储。对象存储的成本比普通的文件存储还是较高。

三类存储的区别

• 这三者的本质差别是使用数据的“用户”不同：
  块存储的用户是可以读写块设备的软件系统，例如传统的文件系统、数据库；
  文件存储的用户是自然人；
  对象存储的用户则是其它计算机软件。
• 引用

3、存储技术与解决方案（RDB，Ceph，HDFS等等）

参考资料：1, 2-ceph基础， 3，4, 5, 6

单机/集中式存储系统

• 单机存储系统是单机存储引擎 （数据结构在机械磁盘、SSD等持久化介质上的实现）的一种封装 ，对外提供文件、键值、表格或者关系模型的存储服务。
• 集中式存储相对与单机存储而言，存储系统中包含了更多组件，除了机头（控制器）、磁盘阵列（JBOD）和交换机等设备外，还有管理设备等辅助设备。

分布式存储系统

• 分布式存储系统，是将分散独立的存储设备通过网络互联，系统关联，对外作为一个整体提供存储服务。
• 设计原则参考CAP

HDFS (Hadoop Distributed File System)

• 架构: 主-从架构
  特点: 高吞吐量和冗余存储
  劣势: 高延迟，更多适用于批处理作业

Ceph

• Ceph是一个统一的分布式存储系统，设计初衷是提供较好的性能、可靠性和可扩展性。它是一个统一的存储系统，既支持传统的块、文件存储协议，例如SAN和NAS，也支持新兴的对象存储协议，如S3和Swift，这使得Ceph理论上可以满足时下一切主流的存储应用的要求。
• 组件: Ceph OSD, Mon, MDS
  用途: 对象存储、块存储和文件系统
  挑战: 高复杂性，需要专业知识进行管理
• Kubernetes 支持 Ceph 的块存储（Ceph RBD）和文件存储（CephFS）作为 Kubernetes 的持久存储后端。Kubernetes 自带 Ceph RBD 的 internal provisioner，可以配置动态提供，如果要使用 CephFS 作为动态存储提供，需要安装外置的 provisioner。
• ceph结构
  LIBRADOS： 一个允许应用程序直接访问 RADO 的库，支持 C、C++、Java、Python、Ruby 和 PHP
  RADOSGW： 基于存储桶的 REST网关，兼容s3和Swift
  RBD： 一个负责任的，完全-分布式块设备，使用Linux内核cliont和QEMU/KVM驱动程序
  CEPHFS： 符合POSIX标准的分发文件系统，具有Linux内核客户端和对FUSE的支持
  RADOS： 由自我修复、自我管理、智能存储节点组成的可靠、自主、分布式对象存储

RBD (RADOS Block Device)

• RBD(RADOSBlockDevice)指分布式块存储服务组件，是Ceph对外的三大存储服务组件之一。另外两个分别是CephFS以及Radosgw 。
• 它允许用户在 Ceph 集群上创建、管理和使用虚拟块存储设备，类似于传统的硬盘分区或逻辑卷。这些虚拟块设备可以用于云计算环境中的虚拟机（例如 KVM、QEMU）作为虚拟磁盘，也可以直接挂载在物理服务器上作为块设备使用。
• 上层应用访问RBD有两种途径：librbd以及krbd。其中librbd是基于librados的用户态接口库，而krbd是继承在GNU/Linux内核中的一个内核模块。通过librbd命令行工具，将RBD块设备映射为本地的一个块设备文件。

ceph 运维常用命令

# 镜像
ceph df   #查看集群使用状态
ceph health detail  #显示集群健康状态
rados -p [pool_name] ls #缓存对象
rbd -p [pool_name] map [img_name]  #挂载镜像
rbd -p [pool_name] unmap [img_name] #卸载RBD镜像
rbd ls -p  [pool_name] -l   #查看存储池内RBD镜像
rbd ls [pool_name]  #查看RBD镜像
rbd rm --pool [pool_name]--image [img_name] # 删除RBD镜像
rbd create [img_name] --size nM|G|T --pool [pool_name] --image-format 2 --image-feature layering # 创建RBD镜像
rbd status --pool [pool_name] --image [img_name] # 查看缓存状态
rbd status {pool-name}/{image-name} #缓存状态
rbd info [pool-name/]image-name #检索 RBD 镜像详情
rbd du [pool-name/]image-name #检索 RBD 镜像的调配磁盘使用量和实际磁盘使用量。
rbd resize [pool-name/]image-name --size nM|G|T #调整 RBD 镜像大小
rbd rm [pool-name/]image-name #删除 RBD 镜像
rbd cp [pool-name/]src-image-name [pool-name/] tgt-image-name #复制 RBD 镜像
rbd mv [pool-name/]src-image-name [pool-name/] new-image-name #重命名 RBD 镜像
rbd trash mv [pool-name/]image-name #将 RBD 镜像移到回收站中
rbd trash rm [pool-name/]image-name #从回收站中删除 RBD 镜像
rbd trash restore [pool-name/]image-name #从回收站中恢复 RBD 镜像
rbd trash ls [pool-name] #列出回收站中的所有 RBD 镜像
rbd fs fail  <fs_name> #允许快速删除文件系统（以进行测试）或快速关闭文件系统和MDS守护程序
ceph fs set <fs_name> joinable false #允许快速删除文件系统（以进行测试）或快速关闭文件系统和MDS守护程序
ceph fs set <fs_name> joinable true #恢复cephfs集群# 存储池
ceph osd pool create <poolname> pg_num pgp_num {replicated|erasure} #创建存储池
ceph osd pool ls [detail] #列出存储池
ceph osd pool lspools #列出存储池
ceph osd pool stats [pool name] #获取存储池的时间信息
ceph osd pool old-name new-name #重命名存储池
ceph osd pool get [pool name] size #获取存储池对象副本数默认为一主两倍3副本
ceph osd pool get [pool name] min_size #存储池最下副本数
ceph osd pool get [pool name] pg_num #查看当前pg数量
ceph osd pool get [pool name] crush_rule #设置crush算法规则，默认为副本池(replicated_rule)
ceph osd pool get [pool name] nodelete  #控制是否可以删除。默认可以
ceph osd pool get [pool name] nopgchange  #控制是否可更新存储池的pg num 和pgp num
ceph osd pool set [pool name] pg_num 64 #修改制定pool的pg数量
ceph osd pool get [pool name] nosizechange #控制是否可以更改存储池的大小，默认允许修改
ceph osd pool set-quota [pool name] #获取存储池配额信息
ceph osd pool set-quota [pool name] max_bytes   21474836480 #设置存储池最大空间，单位字节
ceph osd pool set-quota [pool name] max_objects 1000 #设置存储池最大对象数量
ceph osd pool get [pool name] noscrub #查看当前是否关闭轻量扫描数据，默认值为false，不关闭，开启
ceph osd pool set [pool name] noscrub true #修改制定的pool轻量扫描为true，不执行轻量扫描
ceph osd pool set [pool name] nodeep-scrub #查看当前是否关闭深度扫描数据，默认值为false，不关闭，开启
ceph osd pool set [pool name] nodeep-scrub true #修改制定pool的深度扫描测量为true,即不执行深度扫描
ceph osd pool get [pool name] scrub_min_interval #查看存储池的最小整理时间间隔，默认值没有设置，可以通过配置文件中的osd_scrub_min_interval参数指定间隔时间。
ceph osd pool get [pool name] scrub_max_interval #查看存储池的最大整理时间间隔，默认值没有设置，可以通过配置文件中的osd_scrub_max_interval参数指定。
ceph osd pool get [pool name] deep_scrub_interval #查看存储池的深层整理时间间隔，默认值没有设置，可以通过配置文件中的osd_deep_scrub_interval参数指定。
rados df #显示存储池的用量信息# 快照
ceph osd pool mksnap [pool name] [snap name] #创建存储池快照
rados -p [pool name] mksnap [snap name]  #创建存储池快照
rados -p [pool name] lssnap # 列出存储池快照
radps rollback  -p [pool name] [object name] [snap name] #通过快照还原某个文件
ceph osd pool rnsnap [pool name] [snap name] # 删除存储池快照
rados -p [pool name ] rmsnap [snap name] # 删除存储池快照

参考资料：1, 2, 3，4, 5

镜像 (Mirroring)技术

• 类型: 同步镜像和异步镜像
• 优点: 高数据可靠性和容灾能力
• 缺点: 在同步模式下可能影响性能
• 在日常使用镜像的过程中，您可能需要将某格式的镜像转换为其他格式，以下为您提供qemu-img工具或自研qemu-img-hw工具转换镜像格式的操作指导。
• qemu-img工具 支持vhd、vmdk、qcow2、raw、vhdx、qcow、vdi或qed格式的镜像之间相互转换，qemu-img-hw工具弥补了qemu-img工具不支持zvhd和zvhd2格式的缺陷。
• 通过qemu-img工具转换镜像格式: 格式转换

快照 (Snapshot)技术

• 实现方式: 写时复制 (Copy-on-write)
• 优点: 快速备份和恢复
• 缺点: 可能占用较多存储空间
• 管理快照可以参考上面的ceph命令

NFS (Network File System)协议

• 版本: NFSv3, NFSv4
• 功能: 支持文件锁定和ACLs
• 挑战: 网络延迟和安全问题

SMB/CIFS (Server Message Block)协议

• 主要应用: Windows环境中的文件共享
• 特点: 文件和打印机共享
• 版本: SMB1, SMB2, SMB3

文件系统 (File System)

• 常见类型: Ext4, NTFS, XFS, Btrfs
• 特性: 日志记录、快照、压缩和加密
• 用途: 管理和组织存储设备上的数据