块存储、文件存储、对象存储这三者的本质差别是什么？

块存储、文件存储、对象存储这三者的
本质差别是什么？
 

在存储基础设施的决策中，基本原则是维持应用需求、成本和性能之间的平衡，企业在寻找既有块存储的高性能，又兼备文件存储的简易性和低总拥有成本的解决方案。本文将通过两大部分内容进行阐述，第一部分，主要对块存储、文件存储、对象存储做详细介绍，包括协议说明、访问特点、应用场景及各自的优缺点等内容。

块存储是一种通过网络方式连接存储设备和应用服务器的存储架构，这个网络专用于主机和存储设备之间的访问。当有数据的存取需求时，数据可以通过SAN在服务器和后台存储设备之间高速传输。对于客户端来说，块存储就是一块磁盘，可以对其格式化、创建文件系统并挂载。它和文件存储最大的区别就是块存储只提供存储空间，而把文件系统的抽象交给客户端来管理。
块存储常用来存储结构化数据，数据在块存储中被表示为同等大小的块，块存储不赋予这些比特位任何含义。当应用需要严格控制数据的结构时，块存储往往很有用。这种块存储的常见用途是数据库，数据库可以使用原始块设备高效地读写结构化数据。
目前常用的块存储结构根据协议和连接器的不同，主要实现形式有光纤通道 FC SAN 和 IP SAN。光纤通道块存储使用光纤信道协议在服务器（或主机）和存储设备之间传输数据。IP SAN 使用 IP 协议进行通讯。FC 技术主要用于满足日益增长的服务器和大容量数据系统之间的高速数据传输需求。FC SAN 使用光纤通道协议（Fibre Channel Protocol，FCP），能实现通道技术中的低协议开销，高速数据传输的优点，同时又具有网络技术的扩展性。

关键优势
1.在较长距离上保持高传输带宽，同时保持较低的传输误码率。
2.支持网络上大量的可寻址设备，利用SAN架构进行数据整合，多台服务器可以通过存储网络同时访问存储系统，不必为每台服务器单独购买存储设备，降低存储设备异构化程度，提高存储资源利用率。
3.传输协议可在主机总线适配卡上以硬件方式实现，从而减少对服务器CPU的占用。

传统块存储环境中，数据是以块 I/O 的形式在光纤通道上传输，但发挥 FC SAN 的优势需要额外的成本用于购买 FC 组件（如HBA卡和交换机）。企业通常会有一个基于 IP 网络的架构，技术的发展实现了块 I/O 在 IP 网络上传输，称为 IP SAN。现有的网络基础设施可以被复用，这远比投资一个新的 SAN 硬件和软件环境更加经济。许多远程、容灾解决方案正在利用 IP 网络，借此技术，用户还可以扩展其存储基础设施的地理范围。

iSCSI、FCIP、FCoE
iSCSI（Internet SCSI）、FCIP（Fibre Channel over IP）和FCoE（Fibre Channel over Ethernet）是现行主要的基于IP传输网络的IP SAN协议。
1.iSCSi协议实现了将SCSI I/O封装在IP报文中通过TCP/IP传输，iSCSI因其相对成本较低且易于实施（特别是在没有FC SAN的环境中），广泛用于服务器和存储之间的连接。
2.FCIP协议允许FCIP实体（如FCIP网关）在IP网络上实现FC交换，它结合了FC SAN和成熟广泛部署的IP基础设施二者的优势，让企业有了一个更好的方式来利用现有的投资和技术进行数据的保护、存储和迁移。
3.FCoE最大的优势是实现了I/O的合并。通常来说，数据中心的服务器都会配置2-4个网卡和冗余的HBA卡，如果数据中心有上百台服务器，那么就需要大量的适配器、线缆和交换机，这会让环境变得复杂，难于管理和扩展。FCoE通过FCoE交换机和聚合网络适配器（Converged Network Adapters，CNA）来实现I/O合并的情况。聚合网络适配器替代了服务器中的HBA和NIC，将IP流量和FC流量合并，服务器不再需要多种网络适配器连接多个独立网络，减少了对于适配器、线缆和交换机的需求，极大降低了成本和管理开销。

块存储是一种高性能的网络存储方案，但是块存储不能实现数据在多个主机之间的共享，企业出于协作目的，可能需要多个不同类型的客户端之间共享数据或文件，这是块存储无法实现的。

文件存储提供了面向客户端的文件级数据访问，它基于局域网，按照 TCP/IP 协议进行通信，以文件 I/O 方式进行数据传输。文件 I/O 是一个指明了访问文件的高等级请求。例如，一个客户端可以通过指明文件名、位置或其它属性来访问这个文件。NAS 操作系统记录文件在磁盘中的位置，然后将客户端的文件 I/O 转换为块级 I/O 以获取数据。

文件存储处理 I/O 流程
1.发起方（客户端/用户）将 I/O 请求使用 TCP/IP 打包，并通过网络栈转发，NAS 设备通过网络收到这一请求。
2.NAS设备将 I/O 请求转换为合适的物理存储请求。这个请求是块级 I/O，然后在物理存储上执行操作。
3.NAS 设备收到来自存储的数据，经过处理后，将数据以合适的文件协议打包作为回应。
4.NAS 设备再将此数据封装成 TCP/IP 网络数据包，通过网络转发给客户端。

文件存储也是桌面用户经常接触到的一种存储系统。当你在计算机中打开和关闭一个文档时，就使用了文件系统。客户端可以访问文件存储上的文件系统（上传和下载文件），客户端和存储之间使用的协议有CIFS（SMB）、NFS等网络文件共享协议。文件存储在提供文件共享的同时，也提供对文件的其它管理，如可靠性维护和文件操作权控制等。尽管文件存储在其实现的管理操作上有很多不同于对本地文件操作的步骤，然而对用户而言，文件存储就是一个目录，对文件存储的操作与对本机文件的操作是没有区别的。
NAS访问需要经过文件系统格式转换，所以并不适合块级的应用，尤其是要求使用裸设备的数据库系统应用。

关键优势
1.支持全面信息存取：使得文件共享更加高效，本地的目录和文件可以在局域网上提供给其它计算机上的用户使用，若干个端点用户基于共同文件（如项目文档、源代码）可展开协同工作。
2.较好的灵活性：NAS 同时兼容 Linux 和 Windows 平台的客户端。
3.低成本：NAS 使用常见且成本较低的以太网组件。

常访问互联网和使用移动设备的用户会经常用到对象存储技术，对象存储文件系统的核心是将数据通路和控制通路分离，对象存储不提供对原始块的访问，也不提供基于文件的访问，它提供的是对整个对象数据的访问——一般来说是通过系统特定的API接口。对象可以通过基于HTTP/REST协议的URL(Uniform Resource Locator）进行访问，与浏览器访问Web网站的方式类似。对象存储将存储位置抽象为URL，以便能够以一种与底层存储机制无关的方式扩展规模，这使得对象存储成为构建大规模和高并发系统的理想方式。
随着系统规模的扩大，对象存储仍然能够提供单一的命名空间。这意味着应用程序或者用户不需要关心也不应该关心现在正在使用哪个存储系统。不像文件系统需要管理多个存储卷，对象存储极大地减轻了运维人员的负担。

数据存储过程
对象存储系统中数据存储的过程如下：
1.应用服务器将文件发送给 OSD（Object-based Storage Device）节点，请求存储该文件。
2.OSD 节点将此文件分成两部分：用户数据和元数据。
3.OSD 节点应用专用算法生成对象 ID，该算法基于用户数据的内容生成一个独特的 ID。
4.为了方便后续的访问，OSD 节点使用元数据服务存储元数据和对象 ID。
5.OSD 节点使用数据存储服务将用户数据存储在硬盘阵列中。
6.向应用服务器发送确认，表明对象已经存储。

获取对象数据
应用程序获取对象数据的过程如下：
1.应用服务器向 OSD 系统发送读取请求。
2.元数据服务取出被请求的文件的对象 ID。
3.元数据服务将对象 ID发送给应用服务器。
4.应用服务器将对象 ID 发送给 OSD 存储服务，用于获取数据。
5.OSD 存储服务从存储设备中获取对象。
6.OSD 存储设备将文件发送给应用服务器。

在应对非结构化数据方面，基于对象存储设备与传统存储方案相比有很多优势。对象存储结合了 SAN 和 NAS 两者的优势。它提供了平台无关性和位置无关性，同时也提供了扩展性、安全和数据共享特性。
对象存储的主要优点之一是它能够分发面向大规模存储集群服务器的对象请求。这为海量数据提供了一种低成本、可靠、可扩展的存储系统。

其它优势
1.安全性：数据一致性和内容真实性。对象存储使用特别的算法生成具有很好加密属性的对象。对象存储中的请求验证是在存储设备中进行的，而不是通过外部的验证机制实现的。
2.平台无关性：对象是抽象的数据（包括元数据和其它属性）容器。这一属性使得对象可以在本地或远程的异质平台间共享。这种平台无关性让对象存储成为云计算环境下最佳选择。
3.扩展性：因为使用了扁平地址空间，基于对象存储能够在不影响性能的情况下存储大量的数据。存储和OSD节点都可以在性能和容量两个纬度上单独扩展。
4.管理性和可靠性：OSD拥有管理和保护对象的智能，它保护和复制对象的能力是可以自愈的，以更低的代价提供了数据冗余的能力，在分布式对象存储系统中一个或多个节点失效的情况下，数据依然可访问。