块存储架构解析与三种主流类型详解

一、块存储架构的核心组成与工作原理

块存储（Block Storage）是一种将存储设备划分为固定大小的逻辑块（通常为512B-4KB），并通过块级接口（如SCSI、iSCSI、NVMe）提供数据访问的存储架构。其核心设计目标是实现存储资源的高效利用、低延迟访问和灵活扩展。

1.1 架构分层模型

块存储架构可分为三层：

• 前端接口层：负责与主机（如服务器、虚拟机）通信，支持多种协议（如iSCSI、FC、NVMe-oF）。例如，Linux系统通过/dev/sdX设备文件访问块设备，Windows通过磁盘管理器识别。
• 控制层：管理存储池的分配、快照、克隆等操作。以OpenStack Cinder为例，其调度器（Scheduler）根据容量、性能等策略选择后端存储。
• 后端存储层：实际存储数据的物理或虚拟设备，包括HDD、SSD或分布式存储节点。

1.2 数据访问流程

当主机发起读写请求时：

1. 主机通过协议（如iSCSI）发送SCSI命令到存储控制器。
2. 控制器解析命令，定位逻辑块地址（LBA）对应的物理位置。
3. 若数据在缓存中，直接返回；否则从磁盘读取并更新缓存。
4. 响应通过原路径返回主机。

此流程的关键优化点在于缓存算法（如LRU）和I/O调度策略（如CFQ、Deadline），直接影响性能。

二、块存储的三种主流类型详解

2.1 直接附加存储（DAS）

定义与原理：DAS（Direct Attached Storage）通过物理接口（如SATA、SAS）直接连接到主机，数据路径不经过网络。例如，一台服务器内置4块SSD组成RAID 0阵列，供本地应用独占使用。

技术特点：

• 低延迟：绕过网络栈，I/O延迟可低至微秒级。
• 有限扩展性：单主机连接设备数量受接口带宽限制（如SAS 12Gbps单链路最多支持256设备）。
• 管理简单：无需复杂软件，通过操作系统（如Linux的mdadm）管理RAID。

适用场景：

• 高性能计算（HPC）中需要极致I/O的场景，如金融交易系统。
• 小规模环境，如单节点数据库（MySQL、PostgreSQL）。

代码示例：Linux下配置DAS RAID 0

# 创建RAID 0阵列（假设/dev/sdb和/dev/sdc为两块SSD）
sudo mdadm --create /dev/md0 --level=0 --raid-devices=2 /dev/sdb /dev/sdc
# 格式化为XFS文件系统
sudo mkfs.xfs /dev/md0
# 挂载到/mnt/data
sudo mount /dev/md0 /mnt/data

2.2 存储区域网络（SAN）

定义与原理：SAN（Storage Area Network）通过专用网络（如FC、iSCSI）将存储设备与主机连接，实现多主机共享存储资源。例如，EMC VNX系列通过FC交换机连接多个服务器，提供LUN（逻辑单元号）供主机挂载。

技术特点：

• 高性能网络：FC协议带宽可达32Gbps，iSCSI通过TCP优化（如多路径I/O）提升吞吐量。
• 集中管理：通过存储阵列的管理界面（如EMC Unisphere）统一配置LUN、快照和复制。
• 高可用性：支持双活（Active-Active）或主备（Active-Passive）模式，避免单点故障。

适用场景：

• 企业级应用，如Oracle RAC数据库集群。
• 虚拟化环境（如VMware vSphere）需要共享存储支持vMotion。

代码示例：Linux下配置iSCSI发起程序（Initiator）

# 安装iSCSI工具
sudo apt-get install open-iscsi
# 发现目标（假设目标IP为192.168.1.100）
sudo iscsiadm -m discovery -t st -p 192.168.1.100
# 登录目标（IQN为iqn.2023-01.com.example:storage.target1）
sudo iscsiadm -m node --login -T iqn.2023-01.com.example:storage.target1
# 挂载发现的设备（如/dev/sdb）
sudo mount /dev/sdb /mnt/san_data

2.3 分布式块存储

定义与原理：分布式块存储将数据分散存储在多个节点上，通过软件定义存储（SDS）实现去中心化管理。例如，Ceph的RADOS Block Device（RBD）将数据切片并跨节点复制，提供弹性扩展能力。

技术特点：

• 弹性扩展：支持PB级存储，节点可动态添加。
• 强一致性：通过Paxos或Raft协议保证数据副本一致性。
• 多租户支持：通过QoS策略隔离不同用户的I/O性能。

适用场景：

• 云原生环境（如Kubernetes）需要动态分配存储。
• 大规模对象存储（如S3兼容接口）的底层块存储层。

代码示例：Ceph中创建RBD镜像并映射到主机

# 创建存储池（需已部署Ceph集群）
ceph osd pool create rbd_pool 128 128
# 初始化RBD
rbd pool init rbd_pool
# 创建10GB的RBD镜像
rbd create --size 10G --pool rbd_pool rbd_image1
# 映射到本地（需安装ceph-common）
sudo rbd map rbd_pool/rbd_image1 --id admin
# 格式化并挂载
sudo mkfs.xfs /dev/rbd0
sudo mount /dev/rbd0 /mnt/ceph_data

三、类型选择与优化建议

3.1 选择依据

• 性能需求：DAS（<1ms）> SAN（1-5ms）> 分布式（5-20ms）。
• 扩展性：分布式 > SAN > DAS。
• 成本：DAS（最低）< 分布式 < SAN（最高）。

3.2 优化实践

• DAS优化：使用NVMe SSD替代SATA SSD，性能提升3-5倍。
• SAN优化：启用多路径I/O（如Linux的multipathd），吞吐量提升100%。
• 分布式优化：调整副本数（如Ceph中osd pool default size=3），平衡可靠性与成本。

四、未来趋势

随着NVMe-oF协议的普及，块存储正从传统FC/iSCSI向低延迟、高带宽方向发展。同时，AI/ML工作负载对存储性能的要求（如4K随机读>1M IOPS）推动分布式块存储向全闪存架构演进。开发者需关注存储与计算资源的协同优化，例如通过CSI（Container Storage Interface）实现Kubernetes与块存储的无缝集成。

通过深入理解块存储架构与类型差异，开发者可更精准地匹配业务需求，避免因存储选型不当导致的性能瓶颈或成本浪费。