块存储：原理、应用与选型指南

一、块存储的本质定义

块存储（Block Storage）是一种将物理存储设备抽象为固定大小逻辑单元（块）的数据存储架构。每个存储块具有唯一标识符，操作系统通过SCSI、iSCSI或FC等协议直接访问这些原始存储块，就像访问本地硬盘一样。与文件系统不同，块存储不包含元数据结构，需要上层应用或文件系统自行管理数据组织方式。

关键技术特征包括：

1. 低延迟访问：直接读写磁盘扇区，绕过文件系统开销
2. 高吞吐量：支持大块连续IO操作（通常4KB-1MB块大小）
3. 裸设备映射：通过LUN（Logical Unit Number）标识存储资源
4. 灵活扩展：支持动态卷管理（如LVM）和在线扩容

二、核心工作原理剖析

2.1 存储协议栈

块存储工作在OSI模型的传输层以下，典型协议包括：

+-------------------+  
| 应用层（数据库等） |  
+-------------------+  
|   文件系统层      | ← 可选层级
+-------------------+  
|   SCSI/iSCSI/FC   | ← 块存储协议层
+-------------------+  
|     设备驱动      |  
+-------------------+

2.2 数据寻址机制

采用三维地址定位：

• LUN：逻辑单元编号（类似磁盘标识）
• Block Address：块偏移地址
• Offset：块内字节偏移

2.3 典型实现方案

1. 本地块存储：直接挂载物理磁盘（如/dev/sda）
2. 网络块存储：
   • SAN（Storage Area Network）
   • iSCSI Target/Initiator架构
   • NVMe over Fabrics（新一代低延迟方案）

三、与文件/对象存储的对比

维度	块存储	文件存储	对象存储
访问接口	块设备接口	POSIX文件API	RESTful API
元数据管理	无	集中式目录树	键值存储
典型延迟	微秒级	毫秒级	十毫秒级
适用场景	数据库/虚拟机	共享文档	互联网内容
扩展性	垂直扩展为主	有限横向扩展	无限横向扩展

四、企业级应用场景

4.1 数据库系统

关系型数据库（如Oracle、MySQL）依赖块存储提供：

• 稳定的IOPS保障（特别是OLTP场景）
• 原子写操作支持
• 卷级快照备份

4.2 虚拟化平台

VMware ESXi、KVM等通过块存储实现：

• 虚拟机磁盘镜像（VMDK/QCOW2）存储
• vMotion实时迁移的共享存储
• 存储策略管理（Storage Policy Based Management）

4.3 高性能计算

AI训练场景中块存储可提供：

• GPU直通访问的RDMA支持
• 并行文件系统底层存储（如Lustre OST）
• 持久化内存加速（Intel Optane PMem）

五、选型与技术决策

5.1 性能评估指标

• IOPS：随机小IO处理能力（如MySQL需要5000+ IOPS）
• 吞吐量：顺序大块读写带宽（单位MB/s）
• 延迟：95%请求响应时间（关键业务要求<1ms）

5.2 企业采购清单

1. 协议支持：是否需RDMA/RoCEv2？
2. 多路径IO：支持ALUA（Asymmetric Logical Unit Access）？
3. 数据服务：
   • 自动精简配置（Thin Provisioning）
   • 压缩/去重功能
   • 加密传输（TLS for iSCSI）

5.3 云上部署建议

• AWS EBS优化实例：选择gp3/io2类型
• 阿里云云盘：搭配ESSD AutoPL功能
• 跨AZ部署：通过存储复制实现DR

六、性能优化实战

6.1 Linux系统调优

# 调整IO调度器（deadline适合数据库）
echo deadline > /sys/block/sdb/queue/scheduler
# 增大队列深度
echo 256 > /sys/block/sdb/queue/nr_requests
# 禁用磁盘写入缓存（保证数据持久性）
hdparm -W0 /dev/sdb

6.2 基准测试方法

使用FIO工具模拟真实负载：

[global]
ioengine=libaio
runtime=300
[randwrite]
rw=randwrite
bs=4k
iodepth=32
numjobs=4

七、前沿技术演进

1. 计算存储分离：如AWS Nitro系统实现<100μs延迟
2. 可编程SSD：通过FPGA实现存储内计算
3. 持久内存应用：PMEM作为块设备的新用法

通过全面理解块存储的技术本质和应用实践，开发者能够为关键业务系统选择最适合的存储架构，在性能、成本、可靠性之间取得最佳平衡。