云存儲技術(shù)分析和架構(gòu)框架設(shè)計

云存儲技術(shù)分析和架構(gòu)框架設(shè)計

【摘要】隨著互聯(lián)網(wǎng)類新興業(yè)務(wù)的激增、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)快速增長，云存儲技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。本文深入剖析了云存儲通用框架、硬件架構(gòu)以及其底層原理這三個技術(shù)層面的差異性，為云存儲架構(gòu)框架設(shè)計提供了理論依據(jù)；再結(jié)合細(xì)分行業(yè)及其業(yè)務(wù)應(yīng)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(gòu)，并詳細(xì)介紹了架構(gòu)設(shè)計評估和技術(shù)選型過程中的一些實踐經(jīng)驗。1.概述隨著互聯(lián)網(wǎng)類新興業(yè)務(wù)的激增、業(yè)務(wù)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(shù)應(yīng)用帶來了新的存儲應(yīng)用場景；海量數(shù)據(jù)存儲沖擊著傳統(tǒng)存儲架構(gòu)，性能容量成為瓶頸；存儲系統(tǒng)擴(kuò)容和新建周期長，無法滿足業(yè)務(wù)敏捷需求。云存儲技術(shù)應(yīng)運(yùn)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(wù)快速上線的存儲需求。2.云存儲技術(shù)分析顧名思義，云存儲是在云計算基礎(chǔ)上衍生和發(fā)展出來的，通過網(wǎng)絡(luò)將大量異構(gòu)存儲設(shè)備構(gòu)成了統(tǒng)一的存儲資源池，在集中式存儲技術(shù)基礎(chǔ)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(shù)。新技術(shù)應(yīng)用都有其兩面性，在設(shè)計構(gòu)建云存儲架構(gòu)框架之前，有必要詳細(xì)了解和剖析云存儲技術(shù)，這樣才能結(jié)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(gòu)以及分布式底層存儲技術(shù)這三方面展開敘述。2.1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(jié)構(gòu)，其通用框架可參考圖1分為云存儲服務(wù)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部分。

圖1.云存儲通用框架圖云存儲資源池又可細(xì)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(chǔ)，由不同類型的硬件設(shè)備組成，提供多種IO性能的存儲資源；存儲抽象層實現(xiàn)了不同類型的存儲設(shè)備的邏輯虛擬化管理，為上層應(yīng)用提供不同存儲資源的抽象，實現(xiàn)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(yīng)用的數(shù)據(jù)傳輸。云存儲服務(wù)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(wù)，是云存儲資源調(diào)度控制的入口，授權(quán)用戶可以公共應(yīng)用接口訪問云存儲。2.2云存儲硬件架構(gòu)數(shù)據(jù)存儲層可根據(jù)差異化的需求、細(xì)分行業(yè)以及不同的應(yīng)用場景，部署不同架構(gòu)的數(shù)據(jù)存儲，這也是存儲硬件選型的關(guān)鍵。一般可分為集中式和分布式兩種存儲架構(gòu)，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(xì)分為獨(dú)立部署與超融合兩種架構(gòu)，下文將對這三種架構(gòu)存儲進(jìn)行評估。2.2.1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。其架構(gòu)如圖2所示，存儲控制器采用雙控或多控互聯(lián)架構(gòu)，包含RAID功能和大容量Cache。控制器后端連接到磁盤柜，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。

圖2.集中式存儲硬件架構(gòu)示意圖集中式存儲一般提供塊存儲或文件存儲接口服務(wù)，其優(yōu)點可總結(jié)為：性能：IO分片粒度小，數(shù)據(jù)IO傳輸路徑短，表現(xiàn)為低時延和高IOPS；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(shù)也較成熟；數(shù)據(jù)強(qiáng)一致性：

控制器、磁盤間的集中式互聯(lián)架構(gòu)最大限度地保證了數(shù)據(jù)的強(qiáng)一致性。當(dāng)然傳統(tǒng)集中式存儲也有其劣勢，這也是分布式架構(gòu)興起的原因，表現(xiàn)在：擴(kuò)展性差：

集中式存儲是無法無限制地擴(kuò)展磁盤柜的，受限于存儲控制器的擴(kuò)展能力；成本較高：

集中式存儲的高可靠專有硬件也會帶來更高的設(shè)備采購成本和維保成本。2.2.2分布式存儲-獨(dú)立部署架構(gòu)分布式存儲采用可擴(kuò)展的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)分散存儲在多臺獨(dú)立的存儲節(jié)點上，其架構(gòu)如圖3所示，分布式存儲-獨(dú)立部署架構(gòu)由多個專門的存儲節(jié)點組成，對外提供各種存儲服務(wù)。

圖3.分布式存儲-獨(dú)立部署架構(gòu)示意圖分布式存儲不再依賴于傳統(tǒng)專用硬件，大部分部署在通用服務(wù)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；硬件成本低：

消除了專有硬件依賴，硬件成本低；易擴(kuò)展：

分布式架構(gòu)易于橫向擴(kuò)展，性能容量線性擴(kuò)展。而分布式存儲的劣勢在于：復(fù)雜度高：

相比于集中式單體架構(gòu)來說，分布式運(yùn)維復(fù)雜度高；穩(wěn)定性低：

部分產(chǎn)品技術(shù)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。2.2.3分布式存儲-超融合架構(gòu)超融合架構(gòu)是一個包含計算、網(wǎng)絡(luò)、存儲的整體架構(gòu)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(yùn)行在通用服務(wù)器中的，其架構(gòu)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(jī)CVM，CVM會承擔(dān)存儲服務(wù)功能，而普通的虛擬機(jī)需與CVM通信才可訪問數(shù)據(jù)存儲。

圖4.分布式存儲-超融合架構(gòu)示意圖超融合傾向于計算層和存儲層可以很好耦合的設(shè)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(yùn)維復(fù)雜度：

通過架構(gòu)設(shè)計、部署、日常運(yùn)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(dú)立部署架構(gòu)的優(yōu)勢在于資源自由調(diào)配、計算與存儲層可獨(dú)立部署擴(kuò)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：

計算與和存儲會爭搶服務(wù)器硬件資源和網(wǎng)絡(luò)帶寬，性能問題會更明顯；橫向擴(kuò)展性不足：

性能風(fēng)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(fù)雜性：

系統(tǒng)架構(gòu)的簡化帶來了更高的內(nèi)部復(fù)雜性。2.3分布式底層存儲技術(shù)相比于集中式存儲，分布式存儲的復(fù)雜性更高，但更適應(yīng)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(dú)立部署和超融合的硬件架構(gòu)差異，而從邏輯層面來看，不管是獨(dú)立部署還是超融合架構(gòu)，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(shù)。2.3.1分布式文件系統(tǒng)云存儲技術(shù)的復(fù)雜性還在于存儲虛擬化技術(shù)，它屏蔽了數(shù)據(jù)IO與底層數(shù)據(jù)存儲的映射與實現(xiàn)細(xì)節(jié)。如圖5所示，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(jié)構(gòu)特征。而DFS對外提供的存儲單元則是由文件組成，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。

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，也有著比較廣的應(yīng)用范圍，比如GFS、HDFS等典型應(yīng)用，包括一些超融合底層存儲也是基于DFS來實現(xiàn)的，但也存在著明顯缺陷：擴(kuò)展性受限：

基于目錄結(jié)構(gòu)的文件系統(tǒng)，會成為DFS大規(guī)模擴(kuò)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(dāng)文件數(shù)量達(dá)到一定量級時，硬件無法滿足時，性能會急劇下降。2.3.2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(shè)計思路，化大為小，分而治之，再合并處理，其架構(gòu)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(gòu)，解決了主節(jié)點本身的瓶頸，其架構(gòu)設(shè)計思路則是均衡設(shè)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(chǔ)上，充分考慮多副本、故障域隔離等約束設(shè)計而來，其實現(xiàn)原理如圖6所示。

圖6.基于分布式KV的云存儲底層原理示意圖與基于DFS的云存儲相比，基于分布式KV的云存儲可以支持更好的擴(kuò)展性，但是也存在如下缺陷：復(fù)雜度高：

基于分布式KV的云存儲又增加了一層存儲抽象，系統(tǒng)設(shè)計和運(yùn)維復(fù)雜度都很高；性能方面：

寫入延時增加，多數(shù)據(jù)副本寫入的時延更高一些；3.云存儲架構(gòu)框架設(shè)計3.1總體設(shè)計原則和方法云存儲總體設(shè)計應(yīng)堅持以下三項原則：合適原則：

應(yīng)與具體所處行業(yè)和應(yīng)用場景相適應(yīng)，考慮企業(yè)實際業(yè)務(wù)應(yīng)用情況，注重成本、收益、風(fēng)險三方面的平衡；簡單原則：

云存儲架構(gòu)框架本身具有很高的復(fù)雜度，架構(gòu)設(shè)計和實際落地過程中更應(yīng)注意循序漸進(jìn)，化繁為簡；前瞻性原則：

應(yīng)采用業(yè)界主流云存儲技術(shù)，保持技術(shù)的先進(jìn)性，考慮架構(gòu)的擴(kuò)展能力。云存儲分析設(shè)計包括兩種思維方法：1)自頂向下自頂向下方法是從云計算的整體架構(gòu)出發(fā)，逐步求精，去分析設(shè)計云存儲通用框架及其組成元素。該設(shè)計分析方法既需要對問題域有清晰的了解，對行業(yè)未來一段時間內(nèi)的應(yīng)用場景有清晰的認(rèn)識，又需要能把控住求解域，對云存儲技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用有深刻的認(rèn)識。2)自底向上自底向上方法則相反，針對實際需要解決的問題，去做云存儲產(chǎn)品的技術(shù)選型，逐步搭建云存儲架構(gòu)框架，從具體到抽象。云存儲架構(gòu)框架設(shè)計采用哪種方法是需要根據(jù)企業(yè)實際情況來定的，自頂向下方法需要更高的技術(shù)把控力，也需要更多的項目預(yù)算，落地前需要謀而后動，充分測試；而自底向上的方法則追求快速應(yīng)用落地，但需要注意技術(shù)應(yīng)用的連貫性，也需要考慮架構(gòu)框架最終目標(biāo)。而以我司實際情況來看，更適合采用自低向上的方法，根據(jù)各種業(yè)務(wù)應(yīng)用場景，去評估落地適合的云存儲方案，降低試錯成本，在不斷的實踐過程中，去推進(jìn)云存儲架構(gòu)框架的演進(jìn)。3.2需求分析3.2.1應(yīng)用場景分析不同行業(yè)、業(yè)務(wù)場景往往決定了云存儲不同的應(yīng)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(wù)應(yīng)用場景：

傳統(tǒng)行業(yè)核心業(yè)務(wù)邏輯的變化不頻繁，核心系統(tǒng)的業(yè)務(wù)量增長是規(guī)律的，可預(yù)估的，系統(tǒng)架構(gòu)穩(wěn)定；而互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)來說，業(yè)務(wù)系統(tǒng)追求敏捷迭代，業(yè)務(wù)量起伏變化較大，系統(tǒng)架構(gòu)從簡單到復(fù)雜，要求彈性伸縮；互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)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(wù)拓展渠道，是業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)型的方向，需要逐步試點開放的；非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)場景：

非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)場景也有很大差異，在部分場景下，非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)多是系統(tǒng)產(chǎn)生或收集的臨時數(shù)據(jù)，一次寫入多次讀取，要求IO性能穩(wěn)定，如個人網(wǎng)盤場景；另外一些場景下，非結(jié)構(gòu)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(wù)雙錄場景；數(shù)據(jù)災(zāi)備與安全：

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(wù)連續(xù)性需求，建立數(shù)據(jù)災(zāi)備體系和敏感數(shù)據(jù)保護(hù)方案。而金融行業(yè)還有著更加嚴(yán)格的國家法律法規(guī)和金融監(jiān)管部門要求，業(yè)務(wù)系統(tǒng)的RTO、RPO要求更加明確，重要、敏感數(shù)據(jù)需要安全可控，一般會審慎選擇云存儲的部署模式。3.2.2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)，云存儲的成本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(fèi)用外，也還需考慮存儲流量費(fèi)用。綜合考慮我司的業(yè)務(wù)應(yīng)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(yīng)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。塊存儲對應(yīng)于云服務(wù)器硬盤需求，NAS存儲對應(yīng)于多個云服務(wù)器間的文件共享需求，對象存儲S3接口對應(yīng)于互聯(lián)網(wǎng)類業(yè)務(wù)非結(jié)構(gòu)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(wù)系統(tǒng)存儲需求的基礎(chǔ)上，降低整體云存儲成本，結(jié)合我司業(yè)務(wù)情況分為：a).核心業(yè)務(wù)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；b).其他輕量級數(shù)據(jù)庫，需要較高的存儲性能和可靠性；c).互聯(lián)網(wǎng)類新業(yè)務(wù)和其他非關(guān)鍵類應(yīng)用，需要一定的存儲性能和較好的擴(kuò)展性；d).非結(jié)構(gòu)化類型業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，需要較高的擴(kuò)展性，存儲性能要求不高；e).數(shù)據(jù)備份與歸檔，數(shù)據(jù)存儲冷熱分層；f).開發(fā)測試系統(tǒng)，利舊存儲。3.3云存儲總體架構(gòu)從行業(yè)發(fā)展趨勢和企業(yè)IT戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型方向看，我司傳統(tǒng)業(yè)務(wù)依然處于基礎(chǔ)性的重要地位，這也決定了集中式存儲架構(gòu)將與分布式存儲架構(gòu)長期并存的狀態(tài)。分布式存儲架構(gòu)主要用于新的線上業(yè)務(wù)場景，集中式SAN存儲和NAS存儲在傳統(tǒng)業(yè)務(wù)場景依然占據(jù)重要地位。最終確立了統(tǒng)一納管異構(gòu)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(gòu)，如圖7所示.可通過引入超融合架構(gòu)來構(gòu)建私有云IaaS平臺，實現(xiàn)IT基礎(chǔ)架構(gòu)云化轉(zhuǎn)型，分別構(gòu)建開發(fā)測試、互聯(lián)網(wǎng)類新業(yè)務(wù)應(yīng)用等超融合集群。而海量的半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)需要通過分布式對象存儲來構(gòu)建可彈性擴(kuò)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)在不同資源池以及云平臺間的流動和分層。

圖7.云存儲架構(gòu)示意圖3.4架構(gòu)設(shè)計評估云存儲架構(gòu)設(shè)計是否合理，需要從敏感點、權(quán)衡點以及架構(gòu)風(fēng)險點這三個方面去評估：敏感點敏感點對應(yīng)于不同數(shù)據(jù)存儲的共有的一些特性，比如存儲的軟硬件成本、可靠性、存儲IO性能、架構(gòu)復(fù)雜度、靈活擴(kuò)展能力、資源孤島、故障域隔離和可管理性等屬性；權(quán)衡點權(quán)衡點則是影響多個架構(gòu)質(zhì)量屬性的敏感點，需要架構(gòu)師評估取舍的部分。比如存儲架構(gòu)是集中式還是分布式?jīng)Q定了存儲的架構(gòu)復(fù)雜度和靈活擴(kuò)展能力；存儲的軟硬件成本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(fèi)，但合理規(guī)劃好，也是故障域隔離的前提。風(fēng)險點對于架構(gòu)師來說，最需要關(guān)注的往往是架構(gòu)中的風(fēng)險點，是架構(gòu)設(shè)計成敗的關(guān)鍵。分布式存儲架構(gòu)存在著復(fù)雜度高、新技術(shù)引入風(fēng)險以及版本迭代速度快等風(fēng)險點；超融合架構(gòu)還面臨著擴(kuò)展性受限、資源孤島等風(fēng)險；而傳統(tǒng)存儲架構(gòu)主要風(fēng)險點在于難以應(yīng)對海量數(shù)據(jù)存儲擴(kuò)展，成本較高，與新技術(shù)的適配度也不高。對應(yīng)于我司的云存儲架構(gòu)設(shè)計，傳統(tǒng)SAN存儲性能穩(wěn)定，IO延時低，成本高，不易擴(kuò)展，但適合于核心業(yè)務(wù)場景；NAS存儲性能不高，但易于使用和文件共享，成本也不高，適合于絕大多數(shù)文件共享訪問場景；分布式對象存儲性能一般，架構(gòu)復(fù)雜度高，但可以靈活擴(kuò)展，支持海量數(shù)據(jù)存儲，成本低，適合于海量結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲和互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)場景；而超融合架構(gòu)可以很好地與計算資源融合，架構(gòu)簡單，成本低，雖然有擴(kuò)展性受限和資源孤島問題，但結(jié)合公司業(yè)務(wù)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。3.5技術(shù)選型按照云存儲架構(gòu)設(shè)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(gòu)的云存儲方案。結(jié)合云存儲底層存儲技術(shù)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(kuò)展性更強(qiáng)；超融合則傾向于基于分布式文件系統(tǒng)的產(chǎn)品，邏輯架構(gòu)更加清