塊存儲和文件存儲是我們比較熟悉的兩種主流的存儲類型，而對象存儲（Object-based Storage）是一種新的網(wǎng)絡(luò)存儲架構(gòu)，基于對象存儲技術(shù)的設(shè)備就是對象存儲設(shè)備（Object-based Storage Device）簡稱OSD。

首先，我們介紹這兩種傳統(tǒng)的存儲類型。通常來講，所有磁盤陣列都是基于Block塊的模式(DAS)，而所有的NAS產(chǎn)品都是文件級存儲

1、塊存儲

 以下列出的兩種存儲方式都是塊存儲類型：

 1） DAS（Direct Attach STorage）：是直接連接于主機(jī)服務(wù)器的一種儲存方式，每一臺主機(jī)服務(wù)器有獨(dú)立的儲存設(shè)備，每臺主機(jī)服務(wù)器的儲存設(shè)備無法互通，需要跨主機(jī)存取資料時，必須經(jīng)過相對復(fù)雜的設(shè)定，若主機(jī)服務(wù)器分屬不同的操作系統(tǒng)，要存取彼此的資料，更是復(fù)雜，有些系統(tǒng)甚至不能存取。通常用在單一網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下且數(shù)據(jù)交換量不大，性能要求不高的環(huán)境下，可以說是一種應(yīng)用較為早的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

 2）SAN（Storage Area Network）：是一種用高速（光纖）網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接專業(yè)主機(jī)服務(wù)器的一種儲存方式，此系統(tǒng)會位于主機(jī)群的后端，它使用高速I/O 聯(lián)結(jié)方式， 如 SCSI, ESCON 及 Fibre- Channels。一般而言，SAN應(yīng)用在對網(wǎng)絡(luò)速度要求高、對數(shù)據(jù)的可靠性和安全性要求高、對數(shù)據(jù)共享的性能要求高的應(yīng)用環(huán)境中，特點(diǎn)是代價高，性能好。例如電信、銀行的大數(shù)據(jù)量關(guān)鍵應(yīng)用。它采用SCSI 塊I/O的命令集，通過在磁盤或FC（Fiber Channel）級的數(shù)據(jù)訪問提供高性能的隨機(jī)I/O和數(shù)據(jù)吞吐率，它具有高帶寬、低延遲的優(yōu)勢，在高性能計(jì)算中占有一席之地，但是由于SAN系統(tǒng)的價格較高，且可擴(kuò)展性較差，已不能滿足成千上萬個CPU規(guī)模的系統(tǒng)。

2、文件存儲

通常，NAS產(chǎn)品都是文件級存儲。  NAS（Network Attached Storage）：是一套網(wǎng)絡(luò)儲存設(shè)備，通常是直接連在網(wǎng)絡(luò)上并提供資料存取服務(wù)，一套 NAS 儲存設(shè)備就如同一個提供數(shù)據(jù)文件服務(wù)的系統(tǒng)，特點(diǎn)是性價比高。例如教育、政府、企業(yè)等數(shù)據(jù)存儲應(yīng)用。

它采用NFS或CIFS命令集訪問數(shù)據(jù)，以文件為傳輸協(xié)議，通過TCP/IP實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化存儲，可擴(kuò)展性好、價格便宜、用戶易管理，如目前在集群計(jì)算中應(yīng)用較多的NFS文件系統(tǒng)，但由于NAS的協(xié)議開銷高、帶寬低、延遲大，不利于在高性能集群中應(yīng)用。

下面，我們對DAS、NAS、SAN三種技術(shù)進(jìn)行比較和分析：

表格 1 三種技術(shù)的比較

針對Linux集群對存儲系統(tǒng)高性能和數(shù)據(jù)共享的需求，國際上已開始研究全新的存儲架構(gòu)和新型文件系統(tǒng)，希望能有效結(jié)合SAN和NAS系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，支持直接訪問磁盤以提高性能，通過共享的文件和元數(shù)據(jù)以簡化管理，目前對象存儲系統(tǒng)已成為Linux集群系統(tǒng)高性能存儲系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)，如Panasas公司的Object Base Storage Cluster System系統(tǒng)和Cluster File Systems公司的Lustre等。下面將詳細(xì)介紹對象存儲系統(tǒng)。

3、對象存儲

總體上來講，對象存儲同兼具SAN高速直接訪問磁盤特點(diǎn)及NAS的分布式共享特點(diǎn)(擴(kuò)展性)

核心是將數(shù)據(jù)通路（數(shù)據(jù)讀或?qū)懀┖涂刂仆罚ㄔ獢?shù)據(jù)）分離，并且基于對象存儲設(shè)備（Object-based Storage Device，OSD）構(gòu)建存儲系統(tǒng)。每個對象存儲設(shè)備具有一定的智能，能夠自動管理其上的數(shù)據(jù)分布。

對象存儲結(jié)構(gòu)組成部分（對象、對象存儲設(shè)備、元數(shù)據(jù)服務(wù)器、對象存儲系統(tǒng)的客戶端）：

3.1、對象

對象是系統(tǒng)中數(shù)據(jù)存儲的基本單位，一個對象實(shí)際上就是文件的數(shù)據(jù)和一組屬性信息（Meta Data）的組合，這些屬性信息可以定義基于文件的RAID參數(shù)、數(shù)據(jù)分布和服務(wù)質(zhì)量等，而傳統(tǒng)的存儲系統(tǒng)中用文件或塊作為基本的存儲單位，在塊存儲系統(tǒng)中還需要始終追蹤系統(tǒng)中每個塊的屬性，對象通過與存儲系統(tǒng)通信維護(hù)自己的屬性。在存儲設(shè)備中，所有對象都有一個對象標(biāo)識，通過對象標(biāo)識OSD命令訪問該對象。通常有多種類型的對象，存儲設(shè)備上的根對象標(biāo)識存儲設(shè)備和該設(shè)備的各種屬性，組對象是存儲設(shè)備上共享資源管理策略的對象集合等。 

3.2、對象存儲設(shè)備

對象存儲設(shè)備具有一定的智能，它有自己的CPU、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)和磁盤系統(tǒng)，OSD同塊設(shè)備的不同不在于存儲介質(zhì)，而在于兩者提供的訪問接口。OSD的主要功能包括數(shù)據(jù)存儲和安全訪問。目前國際上通常采用刀片式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對象存儲設(shè)備。OSD提供三個主要功能：

（1） 數(shù)據(jù)存儲。OSD管理對象數(shù)據(jù)，并將它們放置在標(biāo)準(zhǔn)的磁盤系統(tǒng)上，OSD不提供塊接口訪問方式，Client請求數(shù)據(jù)時用對象ID、偏移進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫。

（2） 智能分布。OSD用其自身的CPU和內(nèi)存優(yōu)化數(shù)據(jù)分布，并支持?jǐn)?shù)據(jù)的預(yù)取。由于OSD可以智能地支持對象的預(yù)取，從而可以優(yōu)化磁盤的性能。

（3） 每個對象元數(shù)據(jù)的管理。OSD管理存儲在其上對象的元數(shù)據(jù)，該元數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)的inode元數(shù)據(jù)相似，通常包括對象的數(shù)據(jù)塊和對象的長度。而在傳統(tǒng)的NAS系統(tǒng)中，這些元數(shù)據(jù)是由文件服務(wù)器維護(hù)的，對象存儲架構(gòu)將系統(tǒng)中主要的元數(shù)據(jù)管理工作由OSD來完成，降低了Client的開銷。

3.3、元數(shù)據(jù)服務(wù)器（Metadata Server，MDS）

 MDS控制Client與OSD對象的交互，主要提供以下幾個功能：

（1） 對象存儲訪問。

MDS構(gòu)造、管理描述每個文件分布的視圖，允許Client直接訪問對象。MDS為Client提供訪問該文件所含對象的能力，OSD在接收到每個請求時將先驗(yàn)證該能力，然后才可以訪問。

（2） 文件和目錄訪問管理。

 MDS在存儲系統(tǒng)上構(gòu)建一個文件結(jié)構(gòu)，包括限額控制、目錄和文件的創(chuàng)建和刪除、訪問控制等。

（3） Client Cache一致性。

為了提高Client性能，在對象存儲系統(tǒng)設(shè)計(jì)時通常支持Client方的Cache。由于引入Client方的Cache，帶來了Cache一致性問題，MDS支持基于Client的文件Cache，當(dāng)Cache的文件發(fā)生改變時，將通知Client刷新Cache，從而防止Cache不一致引發(fā)的問題。

3.4、對象存儲系統(tǒng)的客戶端Client

為了有效支持Client支持訪問OSD上的對象，需要在計(jì)算節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對象存儲系統(tǒng)的Client。現(xiàn)有的應(yīng)用對數(shù)據(jù)的訪問大部分都是通過POSIX文件方式進(jìn)行的，對象存儲系統(tǒng)提供給用戶的也是標(biāo)準(zhǔn)的POSIX文件訪問接口。接口具有和通用文件系統(tǒng)相同的訪問方式，同時為了提高性能，也具有對數(shù)據(jù)的Cache功能和文件的條帶功能。同時，文件系統(tǒng)必須維護(hù)不同客戶端上Cache的一致性，保證文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)一致。文件系統(tǒng)讀訪問流程：

1)客戶端應(yīng)用發(fā)出讀請求; 

2)文件系統(tǒng)向元數(shù)據(jù)服務(wù)器發(fā)送請求，獲取要讀取的數(shù)據(jù)所在的OSD; 

3)然后直接向每個OSD發(fā)送數(shù)據(jù)讀取請求； 

4)OSD得到請求以后，判斷要讀取的Object，并根據(jù)此Object要求的認(rèn)證方式，對客戶端進(jìn)行認(rèn)證，如果此客戶端得到授權(quán)，則將Object的數(shù)據(jù)返回給客戶端；

5)文件系統(tǒng)收到OSD返回的數(shù)據(jù)以后，讀操作完成。

對象存儲文件系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)：

1、分布元數(shù)據(jù) 傳統(tǒng)的存儲結(jié)構(gòu)元數(shù)據(jù)服務(wù)器通常提供兩個主要功能。

（1）為計(jì)算結(jié)點(diǎn)提供一個存儲數(shù)據(jù)的邏輯視圖（Virtual File System，VFS層），文件名列表及目錄結(jié)構(gòu)。

（2）組織物理存儲介質(zhì)的數(shù)據(jù)分布（inode層）。對象存儲結(jié)構(gòu)將存儲數(shù)據(jù)的邏輯視圖與物理視圖分開，并將負(fù)載分布，避免元數(shù)據(jù)服務(wù)器引起的瓶頸（如NAS系統(tǒng)）。元數(shù)據(jù)的VFS部分通常是元數(shù)據(jù)服務(wù)器的10％的負(fù)載，剩下的90％工作（inode部分）是在存儲介質(zhì)塊的數(shù)據(jù)物理分布上完成的。在對象存儲結(jié)構(gòu)，inode工作分布到每個智能化的OSD，每個OSD負(fù)責(zé)管理數(shù)據(jù)分布和檢索，這樣90%的元數(shù)據(jù)管理工作分布到智能的存儲設(shè)備，從而提高了系統(tǒng)元數(shù)據(jù)管理的性能。另外，分布的元數(shù)據(jù)管理，在增加更多的OSD到系統(tǒng)中時，可以同時增加元數(shù)據(jù)的性能和系統(tǒng)存儲容量。

2、并發(fā)數(shù)據(jù)訪問 對象存儲體系結(jié)構(gòu)定義了一個新的、更加智能化的磁盤接口OSD。OSD是與網(wǎng)絡(luò)連接的設(shè)備，它自身包含存儲介質(zhì)，如磁盤或磁帶，并具有足夠的智能可以管理本地存儲的數(shù)據(jù)。計(jì)算結(jié)點(diǎn)直接與OSD通信，訪問它存儲的數(shù)據(jù)，由于OSD具有智能，因此不需要文件服務(wù)器的介入。如果將文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分布在多個OSD上，則聚合I/O速率和數(shù)據(jù)吞吐率將線性增長，對絕大多數(shù)Linux集群應(yīng)用來說，持續(xù)的I/O聚合帶寬和吞吐率對較多數(shù)目的計(jì)算結(jié)點(diǎn)是非常重要的。對象存儲結(jié)構(gòu)提供的性能是目前其它存儲結(jié)構(gòu)難以達(dá)到的，如ActiveScale對象存儲文件系統(tǒng)的帶寬可以達(dá)到10GB/s。

4、GlusterFS 和對象存儲

GlusterFS是目前做得***的分布式存儲系統(tǒng)之一，而且已經(jīng)開始商業(yè)化運(yùn)行。但是，目前GlusterFS3.2.5版本還不支持對象存儲。如果要實(shí)現(xiàn)海量存儲，那么GlusterFS需要用對象存儲。值得高興的是，GlusterFS最近宣布要支持對象存儲。它使用openstack的對象存儲系統(tǒng)swift的上層PUT、GET等接口，支持對象存儲。

20世紀(jì)電子與信息技術(shù)迅速發(fā)展，機(jī)器計(jì)算迅速普及，馮·諾依曼在1945年6月30日，提出了存儲程序邏輯架構(gòu)，即現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)都遵循的“馮·諾依曼體系架構(gòu)”，具體如下圖：

我們可以看出，馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)與人腦(生物)計(jì)算模型匹配度相當(dāng)準(zhǔn)確。我們通常把運(yùn)算器和控制器合并成中央處理器(CPU)，內(nèi)部小容量的存儲提供快速的訪問，外部存儲器提供大容量的存儲空間。在不同的計(jì)算機(jī)時代，我們可以按照不同的角度來理解馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)。在單機(jī)計(jì)算時代(包括大型機(jī)、小型機(jī)、微機(jī))內(nèi)部存儲器可理解為內(nèi)存(即Memory)，外部存儲器可理解為物理硬盤(包括本地硬盤和通過網(wǎng)絡(luò)映射的邏輯卷)。在本地硬盤空間不足，可靠性無法滿足業(yè)務(wù)需求的情況下，SAN存儲出現(xiàn)了，通過網(wǎng)絡(luò)映射的邏輯卷(即SAN存儲提供的LUN)成為增強(qiáng)版的硬盤。為了解決數(shù)據(jù)共享的問題，NAS存儲隨之誕生。

但馮諾依曼體系架構(gòu)沒有考慮并行計(jì)算和數(shù)據(jù)共享情形，在如今的網(wǎng)絡(luò)時代，大量計(jì)算設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)形成一個龐大、相互獨(dú)立但又邏輯統(tǒng)一的計(jì)算系統(tǒng)，因此我們可以總結(jié)出一個數(shù)據(jù)存儲的通用模型，這個模型包括兩級存儲，其存儲容量差距約1000倍：

如果將上圖中每一個計(jì)算模塊理解為一個計(jì)算內(nèi)核，那么高速存儲單元則是CPU內(nèi)的緩存(單位為KB~MB)，海量存儲單元則是內(nèi)存(單位為GB);如果把每一個計(jì)算模塊理解為一個CPU，那么高速存儲單元則是內(nèi)存(單位為GB~TB)，海量存儲是物理硬盤或通過網(wǎng)絡(luò)映射給服務(wù)器的邏輯卷(或網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)，單位為TB~PB);如果把計(jì)算模塊理解為針對某一項(xiàng)任務(wù)或某一組任務(wù)提供計(jì)算能力的服務(wù)器集群，把SAN或NAS等擁有TB~PB級存儲規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)存儲設(shè)備理解為高速存儲單元，那么具備PB~EB級存儲容量的海量存儲單元將基于什么技術(shù)和產(chǎn)品構(gòu)建呢？

SAN和NAS技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)了數(shù)十年，目前單臺SAN或NAS設(shè)備***容量已經(jīng)達(dá)到PB級別，但在應(yīng)對EB級數(shù)據(jù)挑戰(zhàn)時，還是顯得有些力不從心。這主要由于其架構(gòu)和服務(wù)接口決定的。

SAN使用SCSI協(xié)議作為底層協(xié)議，SCSI協(xié)議管理的粒度非常小，通常以字節(jié)(byte)或千字節(jié)(KB)為單位;同時SCSI協(xié)議沒有提供讀寫鎖機(jī)制以確保不同應(yīng)用并發(fā)讀寫時的數(shù)據(jù)一致性，因此難以實(shí)現(xiàn)EB級存儲資源管理和多個服務(wù)器/服務(wù)器集群之間數(shù)據(jù)共享。

NAS使用文件協(xié)議訪問數(shù)據(jù)，通過文件協(xié)議存儲設(shè)備能夠準(zhǔn)確識別數(shù)據(jù)內(nèi)容，并提供了非常豐富的文件訪問接口，包括復(fù)雜的目錄/文件的讀寫鎖。文件和目錄采用樹形結(jié)構(gòu)管理，每個節(jié)點(diǎn)使用一種叫做inode的結(jié)構(gòu)進(jìn)行管理，每一個目錄和文件都對應(yīng)一個iNode。目錄深度或同一目錄下的子節(jié)點(diǎn)數(shù)隨著整體文件數(shù)量的增加而快速增加，通常文件數(shù)量超過億級時，文件系統(tǒng)復(fù)雜的鎖機(jī)制及頻繁的元數(shù)據(jù)訪問將極大降低系統(tǒng)的整體性能。

傳統(tǒng)的RAID技術(shù)和Scale-up架構(gòu)也阻止了傳統(tǒng)的SAN和NAS成為EB級高可用，高性能的海量存儲單元。傳統(tǒng)的RAID基于硬盤，通常一個RAID組最多包含20+塊硬盤，即使PB級規(guī)模的SAN或NAS也將被分割成多個存儲孤島，增加了EB級規(guī)模應(yīng)用場景下的管理復(fù)雜度;同時Scale-up架構(gòu)決定了即使SAN和NAS存儲容量達(dá)到EB級，性能也將成為木桶的短板。

那么如何才能應(yīng)對信息爆炸時代的數(shù)據(jù)洪流呢？我們設(shè)想能否有一種“超級數(shù)據(jù)圖書館”，它提供海量的、可共享的存儲空間給很多用戶(服務(wù)器/服務(wù)器集群)使用，提供超大的存儲容量，其存儲容量規(guī)模千倍于當(dāng)前的高速存儲單元(SAN和NAS)，用戶或應(yīng)用訪問數(shù)據(jù)時無需知道圖書館對這些書如何擺放和管理(布局管理)，只需要提供唯一編號(ID)就可以獲取到這本書的內(nèi)容(數(shù)據(jù))。如果某一本書變得老舊殘破，系統(tǒng)自動地將即將失效或已經(jīng)失效的書頁(存儲介質(zhì))上的數(shù)據(jù)抄寫(恢復(fù)/重構(gòu))到新的紙張(存儲介質(zhì))上，并重新裝訂這本書，數(shù)據(jù)使用者無需關(guān)注這一過程，只是根據(jù)需要去獲取數(shù)據(jù)資源。這種“超級數(shù)據(jù)圖書館”是否真的存在呢？

分布式對象存儲的誕生

對象存儲技術(shù)的出現(xiàn)和大量自動化管理技術(shù)的產(chǎn)生，使得“超級數(shù)據(jù)圖書館”不再是人類遙不可及的夢想。對象存儲系統(tǒng)(Object-Based Storage System)改進(jìn)了SAN和NAS存儲的劣勢，保留了NAS的數(shù)據(jù)共享等優(yōu)勢，通過高級的抽象接口替代了SCSI存儲塊和文件訪問接口(不同地區(qū)的用戶訪問不同的POSIX文件系統(tǒng)，不僅浪費(fèi)時間，而且讓運(yùn)維管理變的更復(fù)雜。相對而言，分布式存儲系統(tǒng)的優(yōu)勢明顯。在分布式存儲系統(tǒng)上做應(yīng)用開發(fā)更便利，易維護(hù)和擴(kuò)容，自動負(fù)載平衡。以 RESTful HTTP接口代替了POSIX接口和QEMU Driver接口)，屏蔽了存儲底層的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，將NAS垂直的樹形結(jié)構(gòu)改變成平等的扁平結(jié)構(gòu)，從而提高了擴(kuò)展性、增強(qiáng)了可靠性、具備了平臺無關(guān)性等重要存儲特性。(Erasure Code： 是將文件轉(zhuǎn)換成一個碎片集合，每一個碎片很小，碎片被打散分布到一組服務(wù)器資源池里。只要存留的碎片數(shù)量足夠，就可以合成為原本的文件。這可以在保持原本的數(shù)據(jù)健壯性的基礎(chǔ)上大大減少需要的存儲空間。 不過Erasure Code并非適應(yīng)所有的場景，尤其不適合網(wǎng)絡(luò)延遲敏感的業(yè)務(wù)( 不過Erasure Code并非適應(yīng)所有的場景，尤其不適合網(wǎng)絡(luò)延遲敏感的業(yè)務(wù)))

SNIA(網(wǎng)絡(luò)存儲工業(yè)協(xié)會)定義的對象存儲設(shè)備是這樣的：

對象是自完備的，包含元數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)和屬性

存儲設(shè)備可以自行決定對象的具體存儲位置和數(shù)據(jù)的分布

存儲設(shè)備可以對不同的對象提供不同的QoS

對象存儲設(shè)備相對于塊設(shè)備有更高的“智能”，上層通過對象ID來訪問對象，而無需了解對象的具體空間分布情況

換句話說對象存儲是智能化、封裝得更好的塊，是“文件”或其他應(yīng)用級邏輯結(jié)構(gòu)的組成部分，文件與對象的對應(yīng)關(guān)系由上層直接控制，對象存儲設(shè)備本身也可能是個分布式的系統(tǒng)——這就是分布式對象存儲系統(tǒng)了。

用對象替代傳統(tǒng)的塊的好處在于對象的內(nèi)容本身來自應(yīng)用，其具有內(nèi)在的聯(lián)系，具有“原子性”，因此可以做到：

• 在存儲層進(jìn)行更智能的空間管理
• 內(nèi)容相關(guān)的數(shù)據(jù)預(yù)取和緩存
• 可靠的多用戶共享訪問
• 對象級別的安全性

同時，對象存儲架構(gòu)還具有更好的可伸縮性。一個對象除了ID和用戶數(shù)據(jù)外，還包含了屬主、時間、大小、位置等源數(shù)據(jù)信息，權(quán)限等預(yù)定義屬性，乃至很多自定義屬性。

具備EB級規(guī)模擴(kuò)展性的分布式對象存儲，通過對應(yīng)用提供統(tǒng)一的命名空間，構(gòu)建EB級統(tǒng)一、可共享數(shù)據(jù)的存儲資源池，有效地填補(bǔ)上述通用計(jì)算模型中“網(wǎng)絡(luò)計(jì)算”場景海量存儲單元空白，通過高層次的數(shù)據(jù)模型抽象，可以簡化應(yīng)用對數(shù)據(jù)訪問，同時使得海量存儲更加智能。

對象是數(shù)據(jù)和自描述信息的集合，是在磁盤上存儲的基本單元。對象存儲通過簡化數(shù)據(jù)的組織形式(如將樹形的“目錄”和“文件”替換為扁平化的“ID”與“對象”)、降低協(xié)議與接口的復(fù)雜度(如簡化復(fù)雜的鎖機(jī)制，確保最終一致性)，從而提高系統(tǒng)的擴(kuò)展性以應(yīng)對信息爆炸時代海量數(shù)據(jù)的挑戰(zhàn)。同時對象的智能自管理功能也能有效降低系統(tǒng)維護(hù)復(fù)雜度，幫助用戶降低整體擁有成本(TCO)。