云存儲架構設計最佳實踐

1、云存儲架構設計最正確實踐 TOC o 1-5 h z 前言2.概述2.云存儲技術分析22. 1云存儲通用框架22.2云存儲硬件架構31集中式存儲4分布式存儲-獨立部署架構5分布式存儲-超融合架構53分布式底層存儲技術6. 1分布式文件系統(tǒng)7.2分布式鍵值存儲83.云存儲架構框架設計91總體設計原那么和方法9需求分析10. 1應用場景分析10.2數(shù)據(jù)存儲需求10云存儲總體架構11架構設計評估125技術選型13需求分析應用場景分析不同行業(yè)、業(yè)務場景往往決定了云存儲不同的應用場景，傳統(tǒng)行業(yè)和互 聯(lián)網(wǎng)行業(yè)之間往往也有著明顯差異：核心業(yè)務應用場景：傳統(tǒng)行業(yè)核心業(yè)務邏輯的變化不頻繁，核心系 統(tǒng)的業(yè)務量增長

2、是規(guī)律的，可預估的，系統(tǒng)架構穩(wěn)定；而互聯(lián)網(wǎng)行業(yè) 來說，業(yè)務系統(tǒng)追求敏捷迭代，業(yè)務量起伏變化較大，系統(tǒng)架構從簡 單到復雜，要求彈性伸縮；互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務應用場景：對于傳統(tǒng)行業(yè)來說，互聯(lián)網(wǎng)是一種新的業(yè)務 拓展渠道，是業(yè)務轉型的方向，需要逐步試點開放的；非結構化數(shù)據(jù)場景：非結構化數(shù)據(jù)場景也有很大差異，在局部場景 下，非結構化數(shù)據(jù)多是系統(tǒng)產(chǎn)生或提供的臨時數(shù)據(jù)，一次寫入屢次讀 取，要求10性能穩(wěn)定，如個人網(wǎng)盤場景；另外一些場景下，非結構 化數(shù)據(jù)要求長期存放，一次寫入很少讀取，逐漸成為冷數(shù)據(jù)，典型的 如銀行保險業(yè)務雙錄場景；數(shù)據(jù)災備與平安：無論是傳統(tǒng)行業(yè)還是互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)，都需要考慮業(yè) 務連續(xù)性需求，建立數(shù)據(jù)災備體

3、系和敏感數(shù)據(jù)保護方案。而金融行業(yè) 還有著更加嚴格的國家法律法規(guī)和金融監(jiān)管部門要求，業(yè)務系統(tǒng)的 RT0、 RP0要求更加明確，重要、敏感數(shù)據(jù)需要平安可控，一般會 審慎選擇云存儲的部署模式。數(shù)據(jù)存儲需求部署模式敏感數(shù)據(jù)情況決定了云存儲的部署模式，對于涉及敏感數(shù)據(jù)較多的系 統(tǒng)，一般采用私有部署模式；對于非敏感數(shù)據(jù)，云存儲的本錢往往是一個是 重要的考慮點，公有云部署除了考慮數(shù)據(jù)存儲費用外，也還需考慮存儲流量 費用。綜合考慮我司的業(yè)務應用場景，云存儲排除了公有云模式，而是采用了私有 部署模式。存儲訪問接口存儲訪問接口對應的是云存儲的功能需求，對于我司來說，包括塊存儲、NAS存儲接口和對象存儲S3接口。塊

4、存儲對應于云服務器硬盤需求，NAS 存儲對應于多個云服務器間的文件共享需求，對象存儲S3接口對應于互 聯(lián)網(wǎng)類業(yè)務非結構化數(shù)據(jù)存儲和冷數(shù)據(jù)歸檔需求。數(shù)據(jù)存儲分級數(shù)據(jù)存儲分級可以在滿足不同業(yè)務系統(tǒng)存儲需求的基礎上，降低整體 云存儲本錢，結合我司業(yè)務情況分為：.核心業(yè)務類型系統(tǒng)及其數(shù)據(jù)庫，需要最高的存儲性能和可靠性；.其他輕量級數(shù)據(jù)庫，需要較高的存儲性能和可靠性；.互聯(lián)網(wǎng)類新業(yè)務和其他非關鍵類應用，需要一定的存儲性能和較 好的擴展性；.非結構化類型業(yè)務數(shù)據(jù)，需要較高的擴展性，存儲性能要求不高；.數(shù)據(jù)備份與歸檔，數(shù)據(jù)存儲冷熱分層；.開發(fā)測試系統(tǒng)，利舊存儲。云存儲總體架構從行業(yè)開展趨勢和企業(yè)IT戰(zhàn)略轉型

5、方向看，我司傳統(tǒng)業(yè)務依然處于 基礎性的重要地位，這也決定了集中式存儲架構將與分布式存儲架構長期 并存的狀態(tài)。分布式存儲架構主要用于新的線上業(yè)務場景，集中式SAN存 儲和NAS存儲在傳統(tǒng)業(yè)務場景依然占據(jù)重要地位。最終確立了統(tǒng)一納管異構存儲資源，提供多種類型數(shù)據(jù)接口、面向海量 數(shù)據(jù)場景的云存儲架構，如圖7所示.可通過引入超融合架構來構建私 有云laaS平臺，實現(xiàn)IT基礎架構云化轉型，分別構建開發(fā)測試、互聯(lián) 網(wǎng)類新業(yè)務應用等超融合集群。而海量的半結構化和非結構化數(shù)據(jù)需要通 過分布式對象存儲來構建可彈性擴容的數(shù)據(jù)湖，采用基于策略的數(shù)據(jù)全生 命周期管理，提供熱、溫、冷不同資源池，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在不同資源池以及

6、云平 臺間的流動和分層。云存儲服務身份認證對象存儲身份認證對象存儲訪問控制文件共享存儲備份歸檔大數(shù)據(jù)存儲云存儲資源池存儲系統(tǒng)API接塊窯文仲喜對象備存飛接口層存儲抽象層敷堀存儲層圖7.云存儲架構示意圖架構設計評估云存儲架構設計是否合理，需要從敏感點、權衡點以及架構風險點這三 個方面去評估：敏感點敏感點對應于不同數(shù)據(jù)存儲的共有的一些特性，比方存儲的軟硬件成 本、可靠性、存儲10性能、架構復雜度、靈活擴展能力、資源孤島、故障 域隔離和可管理性等屬性；權衡點權衡點那么是影響多個架構質(zhì)量屬性的敏感點，需要架構師評估取舍的 局部。比方存儲架構是集中式還是分布式?jīng)Q定了存儲的架構復雜度和靈活 擴展能力；存儲

7、的軟硬件本錢也很大程度上決定了存儲的可靠性和性能；資 源孤島雖然會造成資源浪費，但合理規(guī)劃好，也是故障域隔離的前提。風險點對于架構師來說，最需要關注的往往是架構中的風險點，是架構設計成 敗的關鍵。分布式存儲架構存在著復雜度高、新技術引入風險以及版本迭代 速度快等風險點；超融合架構還面臨著擴展性受限、資源孤島等風險；而傳 統(tǒng)存儲架構主要風險點在于難以應對海量數(shù)據(jù)存儲擴展，本錢較高，與新技 術的適配度也不高。對應于我司的云存儲架構設計，傳統(tǒng)SAN存儲性能穩(wěn)定，10延時低, 本錢高，不易擴展，但適合于核心業(yè)務場景；NAS存儲性能不高，但易于使 用和文件共享，本錢也不高，適合于絕大多數(shù)文件共享訪問場景

8、；分布式對 象存儲性能一般，架構復雜度高，但可以靈活擴展，支持海量數(shù)據(jù)存儲，成 本低，適合于海量結構化數(shù)據(jù)存儲和互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務場景；而超融合架構可以很 好地與計算資源融合，架構簡單，本錢低，雖然有擴展性受限和資源孤島問 題，但結合公司業(yè)務和計算資源配比建立不同超融合集群，可以做好數(shù)據(jù)存 儲分級，隔離不同的故障域。技術選型按照云存儲架構設計評估，我司還需要分別引入分布式對象存儲和超 融合兩種不同硬件架構的云存儲方案。結合云存儲底層存儲技術的分析，分 布式對象存儲更適宜采用基于分布式鍵值存儲的產(chǎn)品，性能需求不高，擴展 性更強；超融合那么傾向于基于分布式文件系統(tǒng)的產(chǎn)品，邏輯架構更加清晰， 并不追求超大規(guī)

9、模部署，而小規(guī)模部署下性能更有優(yōu)勢。對于傳統(tǒng)行業(yè)來說，開源云存儲技術并不能拿來即用，是不適應不同業(yè) 務系統(tǒng)的存儲需求的。要在云存儲這樣的基礎架構領域做到技術自主是非 常困難的，也缺乏相應的技術積累、人才隊伍建設和研發(fā)資源投入。因此大 多數(shù)傳統(tǒng)企業(yè)都需要選擇不同廠商的云存儲產(chǎn)品，做技術選型也就是在篩 選不同廠商產(chǎn)品。不同廠商的分布式存儲都會有其清晰的市場定位和優(yōu)勢場景，其中廠 商對于存儲產(chǎn)品核心技術的把控能力是最重要的，其次是廠商的售后服務 水平，當然還要看產(chǎn)品的定價水平。對于我司這樣的中小企業(yè)來說，更傾向 于跟隨策略，篩選市場份額前列、有大規(guī)模的同行業(yè)落地案例的廠商產(chǎn)品。 在篩選出了廠商產(chǎn)品之

10、后，技術層面還需要做好P0C測試，來驗證技術選 型。對于云存儲產(chǎn)品來說，選型測試還需要考慮以下六點：業(yè)務應用場景業(yè)務類型決定了數(shù)據(jù)存儲分級標準，數(shù)據(jù)類型決定了使用存儲連接方 式以及云存儲產(chǎn)品類型等功能需求，數(shù)據(jù)容量那么決定了云存儲的擴展性能 力要求；兼容性對于云存儲產(chǎn)品來說，軟硬件的兼容性是一個重要指標，包括通用服務器選型、設備微碼驅(qū)動版本、操作系統(tǒng)版本、不同虛擬化平臺等的兼容性；10性能10性能也是云存儲是產(chǎn)品是否適配業(yè)務應用場景的另一個重要考量 點，相比于通用的存儲性能指標數(shù)據(jù)，業(yè)務場景下的測試更有說服力；高可靠性通過開展破壞性測試，來驗證云存儲產(chǎn)品的高可靠性；易管理性分布式架構復雜度高，

11、云存儲的易管理性關系到運維人員是否能很好 地管控云存儲；數(shù)據(jù)保護和容災數(shù)據(jù)保護和容災會增加本錢，但依然需要考慮數(shù)據(jù)多維度的平安。隨著互聯(lián)網(wǎng)類新興業(yè)務的激增、業(yè)務數(shù)據(jù)快速增長，云存儲技術應運而 生。本文深入剖析了云存儲通用框架、硬件架構以及其底層原理這三個技術層 面的差異性，為云存儲架構框架設計提供了理論依據(jù)；再結合細分行業(yè)及其業(yè) 務應用場景的差異性需求，最終確定了滿足企業(yè)需求的云存儲總體架構，并詳 細介紹了架構設計評估和技術選型過程中的一些實踐經(jīng)驗。.概述隨著互聯(lián)網(wǎng)類新興業(yè)務的激增、業(yè)務數(shù)據(jù)快速增長，使得企業(yè)數(shù)據(jù)中心 存儲系統(tǒng)面臨新的挑戰(zhàn)：大數(shù)據(jù)、云計算等新技術應用帶來了新的存儲應用 場景；海

12、量數(shù)據(jù)存儲沖擊著傳統(tǒng)存儲架構，性能容量成為瓶頸；存儲系統(tǒng)擴 容和新建周期長，無法滿足業(yè)務敏捷需求。云存儲技術應運而生，敏捷、資源可彈性部署、按需獲取的特性很好地 滿足了數(shù)據(jù)中心海量數(shù)據(jù)和新興業(yè)務快速上線的存儲需求。.云存儲技術分析顧名思義，云存儲是在云計算基礎上衍生和開展出來的，通過網(wǎng)絡將大 量異構存儲設備構成了統(tǒng)一的存儲資源池，在集中式存儲技術基礎上，融合 了分布式存儲、多租戶共享、軟件定義存儲等多種云存儲技術。新技術應用都有其兩面性，在設計構建云存儲架構框架之前，有必要詳 細了解和剖析云存儲技術，這樣才能結合自身需求做好規(guī)劃。下文將從云存 儲通用框架、存儲硬件架構以及分布式底層存儲技術這三

13、方面展開表達。1云存儲通用框架相比于傳統(tǒng)存儲來說，云存儲系統(tǒng)是一種層次化的體系結構，其通用框 架可參考圖1分為云存儲服務和云存儲資源池兩種，其中云存儲資源池是 云存儲最為核心的局部。云存儲服務。份認證訪問控制云存儲資源池存:儲系統(tǒng)存儲費源管理存儲費源管理API 接 C塊存儲文件存儲對象存儲存儲接I兒!存儲抽象層集中式存儲 分價式存儲數(shù)據(jù)存儲所圖1.云存儲通用框架圖云存儲資源池又可細分為數(shù)據(jù)存儲層、存儲抽象層和存儲接口層。數(shù)據(jù) 存儲層是云存儲的基礎，由不同類型的硬件設備組成，提供多種10性能 的存儲資源；存儲抽象層實現(xiàn)了不同類型的存儲設備的邏輯虛擬化管理，為 上層應用提供不同存儲資源的抽象，實現(xiàn)

14、存儲資源的靈活調(diào)配；存儲接口層 提供了不同類型的存儲接口，實現(xiàn)存儲系統(tǒng)與外部應用的數(shù)據(jù)傳輸。 云存儲服務為用戶提供統(tǒng)一的協(xié)議和編程接口，提供云數(shù)據(jù)盤和對象存儲 服務，是云存儲資源調(diào)度控制的入口，授權用戶可以公共應用接口訪問云存 儲。云存儲硬件架構數(shù)據(jù)存儲層可根據(jù)差異化的需求、細分行業(yè)以及不同的應用場景，部署 不同架構的數(shù)據(jù)存儲，這也是存儲硬件選型的關鍵。一般可分為集中式和分 布式兩種存儲架構，其中分布式存儲中又可以依據(jù)計算與存儲是否解耦，再 細分為獨立部署與超融合兩種架構，下文將對這三種架構存儲進行評估。. 1集中式存儲集中式存儲的代表是傳統(tǒng)SAN存儲或NAS存儲，使用專用硬件和存 儲控制器。

15、其架構如圖2所示，存儲控制器采用雙控或多控互聯(lián)架構，包 含RAID功能和大容量Cache?？刂破骱蠖诉B接到磁盤柜，磁盤柜包含了 多個RAID組，每個RAID組又包含多塊磁盤，這就組成了集中式的磁盤 陣列。0 0-0 A磁盤柜圖2.集中式存儲硬件架構示意圖集中式存儲一般提供塊存儲或文件存儲接口服務，其優(yōu)點可總結為：性能：10分片粒度小，數(shù)據(jù)10傳輸路徑短，表現(xiàn)為低時延和高 I0PS ；可靠性高：專有硬件和存儲控制器的可靠性高，基于RAID和硬件 冗余等技術也較成熟；數(shù)據(jù)強一致性：控制器、磁盤間的集中式互聯(lián)架構最大限度地保證 了數(shù)據(jù)的強一致性。當然傳統(tǒng)集中式存儲也有其劣勢，這也是分布式架構興起的原

16、因，表現(xiàn)在：擴展性差：集中式存儲是無法無限制地擴展磁盤柜的，受限于存儲 控制器的擴展能力；本錢較高：集中式存儲的高可靠專有硬件也會帶來更高的設備采購本錢和維保本錢。分布式存儲-獨立部署架構分布式存儲采用可擴展的系統(tǒng)結構，通過網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)分散存儲在多臺 獨立的存儲節(jié)點上，其架構如圖3所示，分布式存儲-獨立部署架構由 多個專門的存儲節(jié)點組成，對外提供各種存儲服務。圖3.分布式存儲-獨立部署架構示意圖分布式存儲不再依賴于傳統(tǒng)專用硬件，大局部部署在通用服務器之上, 通過軟件定義的方式來實現(xiàn)核心存儲邏輯，其優(yōu)勢在于：靈活迭代：相比于硬件的迭代，軟件版本迭代周期更快更靈活；硬件本錢低： 消除了專有硬件依賴，

17、硬件本錢低；易擴展： 分布式架構易于橫向擴展，性能容量線性擴展。而分布式存儲的劣勢在于：復雜度高：相比于集中式單體架構來說，分布式運維復雜度高；穩(wěn)定性低：局部產(chǎn)品技術成熟度不夠，硬件故障或系統(tǒng)異常場景下, 存儲性能易受影響。分布式存儲-超融合架構超融合架構是一個包含計算、網(wǎng)絡、存儲的整體架構解決方案，其存儲 本身也是分布式存儲。在超融合形態(tài)中，計算與存儲是同一軟件堆棧運行在 通用服務器中的，其架構如圖4所示，大多數(shù)超融合產(chǎn)品在其節(jié)點上會部署控制器虛擬機CVM , CVM會承當存儲服務功能，而普通的虛擬機需與 CVM通信才可訪問數(shù)據(jù)存儲。虐蟻機虛擬機,留務喜虛擬化層,留務喜虛擬化層,服務25虛擬

18、化層,一爆務器虛Q化層CVM scsifiSIHCVM scsifiSIHCVMSCSI 拉制器-toogj loom Loox- -100三0皂I00H1loot- LOQZ- Is制君超融合超融合圖4.分布式存儲-超融合架構示意圖超融合傾向于計算層和存儲層可以很好耦合的設計理念，除了分布式 存儲的優(yōu)點外，其優(yōu)勢還包括：降低運維復雜度：通過架構設計、部署、日常運維管理的簡化，單 一廠商可提供所有軟硬件的支持。而分布式存儲的獨立部署架構的優(yōu)勢在于資源自由調(diào)配、計算與存儲 層可獨立部署擴展。這樣來看，超融合的劣勢如下：新的資源孤島：無法與外部做資源共享，會帶來資源利用率和統(tǒng)一 管理問題；性能問題

19、： 計算與和存儲會爭搶服務器硬件資源和網(wǎng)絡帶寬，性能 問題會更明顯；橫向擴展性缺乏：性能風險也間接帶來了無法大規(guī)模部署的問題;系統(tǒng)內(nèi)部復雜性：系統(tǒng)架構的簡化帶來了更高的內(nèi)部復雜性。2.3分布式底層存儲技術相比于集中式存儲，分布式存儲的復雜性更高，但更適應大規(guī)模的云部 署場景，有必要深入了解其底層原理。分布式存儲存在著獨立部署和超融合 的硬件架構差異，而從邏輯層面來看，不管是獨立部署還是超融合架構，又 主要分為分布式文件系統(tǒng)（DFS ）和分布式鍵值（k-v ）存儲這兩種存 儲技術。1分布式文件系統(tǒng)云存儲技術的復雜性還在于存儲虛擬化技術，它屏蔽了數(shù)據(jù)10與底 層數(shù)據(jù)存儲的映射與實現(xiàn)細節(jié)。如圖5所示

20、，分布式文件系統(tǒng)（DFS ） 是一種虛擬文件系統(tǒng)，本身有著文件目錄結構特征。而DFS對外提供的存 儲單元那么是由文件組成，這些文件又會被邏輯分片，再按照多數(shù)據(jù)副本分布 算法分布到不同數(shù)據(jù)節(jié)點上。| vDisk | | vDisk | | vDisk | vDisk |XDFSXDFSchunk g-unF |chunk 一-chunk 一 raunk 一 一chunk 一 -chunk 一I邏輯數(shù)據(jù)分片 k但凰僮m HUM數(shù)據(jù)節(jié)點數(shù)據(jù)節(jié)點數(shù)據(jù)節(jié)點元數(shù)據(jù)管理圖5.基于DFS的云存儲底層原理示意圖基于DFS的云存儲邏輯清晰，也有著比擬廣的應用范圍，比方GFS、 HDFS等典型應用，包括一些超融合底

21、層存儲也是基于DFS來實現(xiàn)的，但 也存在著明顯缺陷：擴展性受限：基于目錄結構的文件系統(tǒng)，會成為DFS大規(guī)模擴展的瓶頸；性能方面：文件目錄信息可以通過緩存到內(nèi)存中來提高定位數(shù)據(jù)的速度，但是當文件數(shù)量到達一定量級時，硬件無法滿足時，性能會急 劇下降。分布式鍵值存儲分布式文件系統(tǒng)的文件目錄管理遵循著map-reduce的設計思路，化 大為小，分而治之，再合并處理，其架構中需要元數(shù)據(jù)管理節(jié)點來協(xié)調(diào)，本 質(zhì)上還是一種中心化；分布式鍵值（k-v ）存儲是一種無中心化架構，解 決了主節(jié)點本身的瓶頸，其架構設計思路那么是均衡設計，所有節(jié)點的地位都 是對等的，通過數(shù)據(jù)布局算法均衡分布在不同節(jié)點上。一致性hash算法 和虛擬節(jié)點是一種通用做法，不同于簡單散列hash將數(shù)據(jù)分布在一條直 線上，而是采用首尾相連，將整個哈希值空間組織成一個虛擬圓環(huán)。ceph是一種典型基于分布式鍵值的存儲系統(tǒng)，其object數(shù)據(jù)分布采 用的是crush算法，是在一致性hash算法基礎上，充分考慮多副本、故 障域隔離等約束設計而來，其實現(xiàn)原理如圖6所示。數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)寫入。PoolPGPGPGPG圖6,基于