隨著現(xiàn)代社會信息技術(shù)的發(fā)展以及人類生活的智能化，全球數(shù)據(jù)量正在無限制地擴(kuò)展和增加。傳統(tǒng)存儲雖然有技術(shù)成熟、性能良好、可用性高等優(yōu)點(diǎn)，但面對海量數(shù)據(jù)，其缺點(diǎn)也越來越明顯：如擴(kuò)展性差、成本高等。

為了克服上述缺點(diǎn)，滿足海量數(shù)據(jù)的存儲需求，市場上出現(xiàn)了分布式存儲技術(shù)。分布式存儲的興起與互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展密不可分，互聯(lián)網(wǎng)公司由于其大數(shù)據(jù)、輕資產(chǎn)的特點(diǎn)，通常使用大規(guī)模分布式存儲系統(tǒng)。

本篇文章會和讀者朋友們聊一聊，目前市場上一些主流的分布式存儲存儲框架。

分布式存儲技術(shù)

1.什么是分布式存儲

在了解什么是分布式存儲之前，我們先來了解一下存儲幾十年來的大概歷程。

直連存儲（DAS）：存儲和數(shù)據(jù)直連，拓展性、靈活性差。

中心化存儲（SAN、NAS）：設(shè)備類型豐富，通過IP/FC網(wǎng)絡(luò)互連，具有一定的拓展性，但是受到控制器能力限制，拓展能力有限。同時，設(shè)備到了生命周期要進(jìn)行更換，數(shù)據(jù)遷移需要耗費(fèi)大量的時間和精力。

分布式存儲：基于標(biāo)準(zhǔn)硬件和分布式架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)千節(jié)點(diǎn)/EB級擴(kuò)展，同時可以對塊、對象、文件等多種類型存儲統(tǒng)一管理。

分布式存儲就是將數(shù)據(jù)分散存儲到多個存儲服務(wù)器上，并將這些分散的存儲資源構(gòu)成一個虛擬的存儲設(shè)備，實(shí)際上數(shù)據(jù)分散的存儲在企業(yè)的各個角落。

打個簡單的比方，將數(shù)據(jù)比作成貨物，存儲比作成貨車，直連存儲就相當(dāng)于用普通貨車?yán)?；為了提升拉貨的效率，改用大型的貨車?yán)洠@就相當(dāng)于中心化存儲；現(xiàn)在，由于貨物太多，大型的貨車已經(jīng)不足以拉動全部貨物，改用一節(jié)一節(jié)連接起來的火車?yán)洠@就是分布式存儲。分布式系統(tǒng)的出現(xiàn)是為了用普通的機(jī)器完成單個計(jì)算機(jī)無法完成的計(jì)算、存儲任務(wù)，目的是利用更多的機(jī)器，處理更多的數(shù)據(jù)。

2.分布式存儲的優(yōu)勢

可擴(kuò)展：分布式存儲系統(tǒng)可以擴(kuò)展到數(shù)百甚至數(shù)千個這樣的集群大小，并且系統(tǒng)的整體性能可以線性增長。

低成本：分布式存儲系統(tǒng)的自動容錯和自動負(fù)載平衡允許在低成本服務(wù)器上構(gòu)建分布式存儲系統(tǒng)。此外，線性可擴(kuò)展性還能夠增加和降低服務(wù)器的成本，并實(shí)現(xiàn)分布式存儲系統(tǒng)的自動操作和維護(hù)。

高性能：無論是針對單個服務(wù)器還是針對分布式存儲群集，分布式存儲系統(tǒng)都需要高性能。

分布式存儲框架

分布式存儲技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，往往離不開底層的分布式存儲框架。根據(jù)其存儲的類型，可分為塊存儲，對象存儲和文件存儲。在主流的分布式存儲技術(shù)中，HDFS屬于文件存儲，Swift屬于對象存儲，而Ceph可支持塊存儲、對象存儲和文件存儲，故稱為統(tǒng)一存儲。

1.HDFS

HDFS是Hadoop核心組成之一，是分布式計(jì)算中數(shù)據(jù)存儲管理的基礎(chǔ)，被設(shè)計(jì)成適合運(yùn)行在通用硬件上的分布式文件系統(tǒng)。

1.1 HDFS的功能模塊

Client

Client是用戶與HDFS交互的手段，當(dāng)文件上傳 HDFS 的時候，Client 將文件切分成一個一個的 Block，然后進(jìn)行上傳；Client通過與NameNode 交互，來獲取文件的位置信息；與 DataNode 交互，讀取或者寫入數(shù)據(jù)；Client還可以提供NameNode格式化等一些命令來管理HDFS；同時，Client可以通過對HDFS的增刪改查等操作來訪問HDFS。

NameNode

NameNode就是HDFS的Master架構(gòu)，它維護(hù)著文件系統(tǒng)樹及整棵樹內(nèi)所有的文件和目錄，HDFS文件系統(tǒng)中處理客服端讀寫請求、管理數(shù)據(jù)塊（Block）的映射信息、配置副本策略等管理工作由NameNode來完成。

DataNode

NameNode 下達(dá)命令，DataNode 執(zhí)行實(shí)際操作。DataNode表示實(shí)際存儲的數(shù)據(jù)塊，同時可以執(zhí)行數(shù)據(jù)塊的讀寫操作。

Secondary NameNode

Secondary NameNode的功能主要是輔助NameNode，分擔(dān)其工作量；在緊急情況下可以輔助恢復(fù)NameNode，但是它不能替換NameNode并提供服務(wù)。

1.2 HDFS的優(yōu)勢

1.容錯性：數(shù)據(jù)自動保存多個副本。通過增加副本的形式，提高容錯性。其中一個副本丟失以后，可以自動恢復(fù)。

2.可以處理大數(shù)據(jù)：能夠處理數(shù)據(jù)規(guī)模達(dá)到GB、TB甚至PB級別的數(shù)據(jù)；能夠處理百萬規(guī)模以上的文件數(shù)量。

3.可以構(gòu)建在廉價的機(jī)器上，通過多副本機(jī)制，提高可靠性。

1.3 HDFS的缺點(diǎn)

1.不適合低延時數(shù)據(jù)訪問：比如毫秒級的存儲數(shù)據(jù)，是做不到的。

2.無法高效對大量小文件進(jìn)行存儲：存儲大量小文件的話，它會占用 NameNode 大量的內(nèi)存來存儲文件目錄和塊信息。這樣是不可取的，因?yàn)?NameNode的內(nèi)存總是有限的。同時，小文件存儲的尋址時間會超過讀取時間，它違反了HDFS的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3.不支持并發(fā)寫入、文件隨機(jī)修改：一個文件只能有一個寫，不允許多個線程同時寫。僅支持?jǐn)?shù)據(jù) append（追加），不支持文件的隨機(jī)修改。

2.Swift

swift于2008年起步，最初是由Rackspace公司開發(fā)的分布式對象存儲服務(wù)， 2010 年貢獻(xiàn)給 OpenStack 開源社區(qū)?，F(xiàn)如今已部署到大規(guī)模公有云的生產(chǎn)環(huán)境中使用。

2.1 Swift的功能模塊

Swift 采用完全對稱、面向資源的分布式系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，所有組件都可擴(kuò)展，避免因單點(diǎn)失效而影響整個系統(tǒng)的可用性。

Proxy Server（代理服務(wù)）：對外提供對象服務(wù) API，Proxy Server首先會通過Ring查找被操作實(shí)體的物理位置，隨后將請求轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)的賬戶、容器或?qū)ο蠓?wù)。

Authentication Server（認(rèn)證服務(wù)）：驗(yàn)證用戶的身份信息，并獲得一個訪問令牌（Token）。

Cache Server（緩存服務(wù)）：緩存令牌，賬戶和容器信息，但不會緩存對象本身的數(shù)據(jù)。

Account Server（賬戶服務(wù)）：Account Server是存儲節(jié)點(diǎn)中負(fù)責(zé)處理Account的get、head、put、delete、relication請求的服務(wù)進(jìn)程。提供賬戶元數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)信息，并維護(hù)所含容器列表的服務(wù)。

Container Server（容器服務(wù)）：Container Server是存儲節(jié)點(diǎn)中負(fù)責(zé)處理Container的get、head、put、delete、relication請求的服務(wù)進(jìn)程。提供容器元數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)信息，并維護(hù)所含對象列表的服務(wù)。

Object Server（對象服務(wù)）：Object Server就是一個簡單的BLOB存儲服務(wù)器，可以存儲、檢索和刪除保存再本地設(shè)備的對象。提供對象元數(shù)據(jù)和內(nèi)容服務(wù)，每個對象會以文件存儲在文件系統(tǒng)中。

Replicator（復(fù)制服務(wù)）：檢測本地副本和遠(yuǎn)程副本是否一致，采用推式（Push）更新遠(yuǎn)程副本。

Updater（更新服務(wù)）：對象內(nèi)容的更新。

Auditor（審計(jì)服務(wù)）：檢查對象、容器和賬戶的完整性，如果發(fā)現(xiàn)錯誤，文件將被隔離。

Account Reaper（賬戶清理服務(wù)）：移除被標(biāo)記為刪除的賬戶，刪除其所包含的所有容器和對象。

2.2 Swift的技術(shù)特點(diǎn)

1.Swift的數(shù)據(jù)模型采用層次結(jié)構(gòu)，共設(shè)三層：Account/Container/Object（即賬戶/容器/對象），每層節(jié)點(diǎn)數(shù)均沒有限制，可以任意擴(kuò)展。

2.Swift是基于一致性散列技術(shù)，通過計(jì)算將對象均勻分布在虛擬空間的虛擬節(jié)點(diǎn)上，在增加、刪除節(jié)點(diǎn)時可以大大減少需移動的數(shù)據(jù)量；通過獨(dú)特的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) Ring（環(huán)），再將虛擬節(jié)點(diǎn)映射到實(shí)際的物理存儲設(shè)備上，完成尋址過程。

3.Swift為賬戶、容器和對象分別定義了的環(huán)。環(huán)是為了將虛擬節(jié)點(diǎn)（分區(qū)）映射到一組物理存儲設(shè)備上，并提供一定的冗余度而設(shè)計(jì)的，環(huán)的數(shù)據(jù)信息包括存儲設(shè)備列表和設(shè)備信息、分區(qū)到設(shè)備的映射關(guān)系、計(jì)算分區(qū)號的位移。

2.3 Swift的優(yōu)點(diǎn)

1.極高的數(shù)據(jù)持久性

2.完全對稱的系統(tǒng)架構(gòu)

3.無限的可擴(kuò)展性

4.無單點(diǎn)故障

5.是OpenStack的子項(xiàng)目之一，適合云環(huán)境的部署

2.4 Swift的缺點(diǎn)

原生的對象存儲，不支持實(shí)時的文件讀寫、編輯功能

3.Ceph

Ceph最早起源于Sage就讀博士期間的工作、成果于2004年發(fā)表，并隨后貢獻(xiàn)給開源社區(qū)。經(jīng)過十幾年的發(fā)展，已成為應(yīng)用最廣泛的開源分布式存儲平臺。

3.1 Ceph的主要架構(gòu)

基礎(chǔ)存儲系統(tǒng)RADOS

Ceph的最底層是RADOS（分布式對象存儲系統(tǒng)），它具有可靠、智能、分布式等特性，實(shí)現(xiàn)高可靠、高可拓展、高性能、高自動化等功能，并最終存儲用戶數(shù)據(jù)。RADOS系統(tǒng)主要由Ceph OSD、Ceph Monitors兩部分組成，Ceph OSD 的功能是存儲數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)的復(fù)制、恢復(fù)、回填、再均衡，并通過檢查其他OSD 守護(hù)進(jìn)程的心跳來向 Ceph Monitors 提供一些監(jiān)控信息。Ceph Monitor維護(hù)著展示集群狀態(tài)的各種圖表，包括監(jiān)視器圖、 OSD 圖、歸置組（ PG ）圖、和 CRUSH 圖。

基礎(chǔ)庫LIBRADOS

LIBRADOS層的功能是對RADOS進(jìn)行抽象和封裝，并向上層提供API，以便直接基于RADOS進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)。RADOS是一個對象存儲系統(tǒng)，因此，LIBRADOS實(shí)現(xiàn)的API是針對對象存儲功能的。物理上，LIBRADOS和基于其上開發(fā)的應(yīng)用位于同一臺機(jī)器，因而也被稱為本地API。應(yīng)用調(diào)用本機(jī)上的LIBRADOS API，再由后者通過socket與RADOS集群中的節(jié)點(diǎn)通信并完成各種操作。

上層應(yīng)用接口

Ceph上層應(yīng)用接口涵蓋了RADOSGW（RADOS Gateway）、RBD（Reliable Block Device）和Ceph FS（Ceph File System），其中，RADOSGW和RBD是在LIBRADOS庫的基礎(chǔ)上提供抽象層次更高、更便于應(yīng)用或客戶端使用的上層接口。

應(yīng)用層

應(yīng)用層就是不同場景下對于Ceph各個應(yīng)用接口的各種應(yīng)用方式，例如基于LIBRADOS直接開發(fā)的對象存儲應(yīng)用，基于RADOSGW開發(fā)的對象存儲應(yīng)用，基于RBD實(shí)現(xiàn)的云主機(jī)硬盤等。

3.2 Ceph的功能模塊

Client客戶端：負(fù)責(zé)存儲協(xié)議的接入，節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡。

MON監(jiān)控服務(wù)：負(fù)責(zé)監(jiān)控整個集群，維護(hù)集群的健康狀態(tài)，維護(hù)展示集群狀態(tài)的各種圖表，如OSD Map、Monitor Map、PG Map和CRUSH Map。

MDS元數(shù)據(jù)服務(wù)：負(fù)責(zé)保存文件系統(tǒng)的元數(shù)據(jù)，管理目錄結(jié)構(gòu)。

OSD存儲服務(wù)：主要功能是存儲數(shù)據(jù)、復(fù)制數(shù)據(jù)、平衡數(shù)據(jù)、恢復(fù)數(shù)據(jù)，以及與其它OSD間進(jìn)行心跳檢查等。一般情況下一塊硬盤對應(yīng)一個OSD。

3.3 Ceph的優(yōu)點(diǎn)

1.CRUSH算法

CRUSH算法是ceph的兩大創(chuàng)新之一，簡單來說，ceph摒棄了傳統(tǒng)的集中式存儲元數(shù)據(jù)尋址的方案，轉(zhuǎn)而使用CRUSH算法完成數(shù)據(jù)的尋址操作。采用CRUSH算法，數(shù)據(jù)分布均衡，并行度高，不需要維護(hù)固定的元數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

2.高可用

Ceph中的數(shù)據(jù)副本數(shù)量可以由管理員自行定義，并可以通過CRUSH算法指定副本的物理存儲位置以分隔故障域，支持?jǐn)?shù)據(jù)強(qiáng)一致性，適合讀多寫少場景；ceph可以忍受多種故障場景并自動嘗試并行修復(fù)。

3.高擴(kuò)展性

Ceph本身并沒有主控節(jié)點(diǎn)，擴(kuò)展起來比較容易，并且理論上，它的性能會隨著磁盤數(shù)量的增加而線性增長。

4.特性豐富

Ceph支持對象存儲、塊存儲和文件存儲服務(wù)，故稱為統(tǒng)一存儲

3.4 Ceph的缺點(diǎn)

1.去中心化的分布式解決方案，需要提前做好規(guī)劃設(shè)計(jì)，對技術(shù)團(tuán)隊(duì)的要求能力比較高。

2.Ceph擴(kuò)容時，由于其數(shù)據(jù)分布均衡的特性，會導(dǎo)致整個存儲系統(tǒng)性能的下降。

BMJ分布式存儲

BMJ是一個高速、安全、可拓展的區(qū)塊鏈基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目。面向5G，對IPFS底層技術(shù)深度開發(fā)及優(yōu)化，通過切片技術(shù)對節(jié)點(diǎn)的P2P傳輸，實(shí)現(xiàn)數(shù)百兆文件的秒傳。從全新的角度出發(fā)，BMJ基于區(qū)塊鏈的分布式云存儲系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想提出新的方案，在數(shù)據(jù)傳輸方面引入數(shù)據(jù)交換機(jī)制和秒傳機(jī)制來提高數(shù)據(jù)傳輸速度；在數(shù)據(jù)存儲方面，通過采用一種高效的數(shù)據(jù)存儲架構(gòu)來提高數(shù)據(jù)存儲效率。

作為分布式存儲的領(lǐng)航者，BMJ目前正在快速布局，未來形成包括云存儲、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)的產(chǎn)業(yè)集群，可以更好的引領(lǐng)傳統(tǒng)企業(yè)升級轉(zhuǎn)型，推動整個新經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

為存儲而來，為服務(wù)而生，BMJ正在悄然地改變著整個世界，改變你我的生活。
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