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06-052010

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塊存儲、文件存儲、對象存儲這三者的本質(zhì)差別是什么

2010-06-05 云主機專題

這三者的本質(zhì)差別是使用數(shù)據(jù)的“用戶”不同：塊存儲的用戶是可以讀寫塊設備的軟件系統(tǒng)，例如傳統(tǒng)的文件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫；文件存儲的用戶是自然人；對象存儲的用戶則是其它計算機軟件。

首先要說明一下的是，這三個概念都是分布式存儲中的概念，由不同的網(wǎng)絡存儲協(xié)議實現(xiàn)。不過“網(wǎng)絡”和“存儲”的結合本身會對解釋這三個概念的本質(zhì)差異帶來不便，下面的解釋中我會先解釋存儲本身，之后再結合網(wǎng)絡來說明。

文件存儲文件存儲的用戶是自然人，最容易理解。計算機中所有的數(shù)據(jù)都是0和1，存儲在硬件介質(zhì)上的一連串的01組合對我們來說完全無法去分辨以及管理。因此我們用“文件”這個概念對這些數(shù)據(jù)進行組織，所有用于同一用途的數(shù)據(jù)，按照不同應用程序要求的結構方式組成不同類型的文件（通常用不同的后綴來指代不同的類型），然后我們給每一個文件起一個方便理解記憶的名字。而當文件很多的時候，我們按照某種劃分方式給這些文件分組，每一組文件放在同一個目錄（或者叫文件夾）里面，當然我們也需要給這些目錄起一個容易理解和記憶的名字。而且目錄下面除了文件還可以有下一級目錄（稱之為子目錄或者子文件夾），所有的文件、目錄形成一個樹狀結構。我們最常用的Windows系統(tǒng)中，打開資源管理器就可以看到以這種方式組織起來的無數(shù)個文件和目錄。在Linux可以用tree命令列出以某個文件夾為根節(jié)點列出一棵樹：

為了方便查找，從根節(jié)點開始逐級目錄往下，一直到文件本身，把這些目錄、子目錄、文件的名字用特殊的字符（例如Windows/DOS用“\”，類Unix系統(tǒng)用“/”）拼接起來，這樣的一串字符稱之為路徑，例如Linux中的“/etc/systemd/system.conf”或者Windows中的“C:\Windows\System32\taskmgr.exe”。人類用路徑作為唯一標識來訪問具體的文件。而由作為自然人的程序員所編寫的各種軟件程序，絕大部分也使用這種方式來訪問文件。

把存儲介質(zhì)上的數(shù)據(jù)組織成目錄-子目錄-文件這種形式的數(shù)據(jù)結構，用于從這個結構中尋找、添加、修改、刪除文件的程序，以及用于維護這個結構的程序，組成的系統(tǒng)有一個專用的名字：文件系統(tǒng)（File System）。文件系統(tǒng)有很多，常見的有Windows的FAT/FAT32/NTFS，Linux的EXT2/EXT3/EXT4/XFS/BtrFS等。而在網(wǎng)絡存儲中，底層數(shù)據(jù)并非存儲在本地的存儲介質(zhì)，而是另外一臺服務器上，不同的客戶端都可以用類似文件系統(tǒng)的方式訪問這臺服務器上的文件，這樣的系統(tǒng)叫網(wǎng)絡文件系統(tǒng)（Network File System），常見的網(wǎng)絡文件系統(tǒng)有Windows網(wǎng)絡的CIFS（也叫SMB）、類Unix系統(tǒng)網(wǎng)絡的NFS等。而文件存儲除了網(wǎng)絡文件系統(tǒng)外，F(xiàn)TP、HTTP其實也算是文件存儲的某種特殊實現(xiàn)，都是可以通過某個url來訪問一個文件。

塊存儲傳統(tǒng)的文件系統(tǒng)，是直接訪問存儲數(shù)據(jù)的硬件介質(zhì)的。介質(zhì)不關心也無法去關心這些數(shù)據(jù)的組織方式以及結構，因此用的是最簡單粗暴的組織方式：所有數(shù)據(jù)按照固定的大小分塊，每一塊賦予一個用于尋址的編號。以大家比較熟悉的機械硬盤為例，一塊就是一個扇區(qū)，老式硬盤是512字節(jié)大小，新硬盤是4K字節(jié)大小。老式硬盤用柱面-磁頭-扇區(qū)號（CHS，Cylinder-Head-Sector）組成的編號進行尋址，現(xiàn)代硬盤用一個邏輯塊編號尋址（LBA，Logical Block Addressing）。所以，硬盤往往又叫塊設備（Block Device）,當然，除了硬盤還有其它塊設備，例如不同規(guī)格的軟盤，各種規(guī)格的光盤，磁帶等。

至于哪些塊組成一個文件，哪些塊記錄的是目錄/子目錄信息，這是文件系統(tǒng)的事情。不同的文件系統(tǒng)有不同的組織結構，這個就不展開了。為了方便管理，硬盤這樣的塊設備通?？梢詣澐譃槎鄠€邏輯塊設備，也就是我們熟悉的硬盤分區(qū)（Partition）。反過來，單個介質(zhì)的容量、性能有限，可以通過某些技術手段把多個物理塊設備組合成一個邏輯塊設備，例如各種級別的RAID，JBOD，某些操作系統(tǒng)的卷管理系統(tǒng)（Volume Manager）如Windows的動態(tài)磁盤、Linux的LVM等。

補充一下的是，塊設備的使用對象除了傳統(tǒng)的文件系統(tǒng)以及一些專用的管理工具軟件如備份軟件、分區(qū)軟件外，還有一些支持直接讀寫塊設備的軟件如數(shù)據(jù)庫等，但一般用戶很少這樣使用。

在網(wǎng)絡存儲中，服務器把本地的一個邏輯塊設備——底層可能是一個物理塊設備的一部分，也可能是多個物理塊設備的組合，又或者多個物理塊設備的組合中的一部分，甚至是一個本地文件系統(tǒng)上的一個文件——通過某種協(xié)議模擬成一個塊設備，遠程的客戶端（可以是一臺物理主機，也可以是虛擬機，某個回答所說的塊設備是給虛擬機用是錯誤的）使用相同的協(xié)議把這個邏輯塊設備作為一個本地存儲介質(zhì)來使用，劃分分區(qū)，格式化自己的文件系統(tǒng)等等。這就是塊存儲，比較常見的塊存儲協(xié)議是iSCSI。

對象存儲其實介于塊存儲和文件存儲之間。文件存儲的樹狀結構以及路徑訪問方式雖然方便人類理解、記憶和訪問，但計算機需要把路徑進行分解，然后逐級向下查找，最后才能查找到需要的文件，對于應用程序來說既沒必要，也很浪費性能。

而塊存儲是排它的，服務器上的某個邏輯塊被一臺客戶端掛載后，其它客戶端就無法訪問上面的數(shù)據(jù)了。而且掛載了塊存儲的客戶端上的一個程序要訪問里面的數(shù)據(jù)，不算類似數(shù)據(jù)庫直接訪問裸設備這種方式外，通常也需要對其進行分區(qū)、安裝文件系統(tǒng)后才能使用。除了在網(wǎng)絡上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包效率更高以外，并不比使用文件存儲好多少，客戶端的文件系統(tǒng)依然需要對路徑分解，然后逐級查找才能定位到某一個具體的文件。

是否可以用不排它但又類似塊設備訪問的方式呢？理論上是可以的，但對塊設備的訪問方式雖然比文件存儲快，其實也很麻煩——一個文件往往是由多個塊組成，并且很可能是不連續(xù)的。例如要讀取一個文件，可能需要發(fā)出這樣的指令：

讀取從編號A?開始的N?個塊；

…………

讀取從編號Ai開始的Ni個塊。

最后自行把這i個連續(xù)的塊自行拼接成一個文件，這才完成了一個文件的讀取操作。為了發(fā)出這些指令，訪問文件的軟件系統(tǒng)需要記錄下這個文件分成多少個部分，每個部分的起始塊編號是多少，有多少塊，順序如何。不單是讀取操作，刪除、寫入、修改操作也是如此，非常麻煩復雜。而且往往一個文件可能需要被多個系統(tǒng)訪問使用，這就更麻煩了。

為了解決這中麻煩，使用一個統(tǒng)一的底層存儲系統(tǒng)，管理這些文件和底層介質(zhì)的組織結構，然后給每個文件一個唯一的標識，其它系統(tǒng)需要訪問某個文件，直接提供文件的標識就可以了。存儲系統(tǒng)可以用更高效的數(shù)據(jù)組織方式來管理這些標識以及其對應的存儲介質(zhì)上的塊。

當然，對于不同的軟件系統(tǒng)來說，一次訪問需要獲取的不一定是單個我們傳統(tǒng)意義上的文件，根據(jù)不同的需要可能只是一個/組值，某個文件的一部分，也可能是多個文件的組合，甚至是某個塊設備，統(tǒng)稱為對象。這就是對象存儲。

分布式存儲所謂分布式存儲，就是這個底層的存儲系統(tǒng)，因為要存放的數(shù)據(jù)非常多，單一服務器所能連接的物理介質(zhì)是有限的，提供的IO性能也是有限的，所以通過多臺服務器協(xié)同工作，每臺服務器連接若干物理介質(zhì)，一起為多個系統(tǒng)提供存儲服務。為了滿足不同的訪問需求，往往一個分布式存儲系統(tǒng)，可以同時提供文件存儲、塊存儲和對象存儲這三種形式的服務。

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