块存储架构解析与主流技术盘点

一、块存储架构核心设计

块存储（Block Storage）通过将存储空间划分为固定大小的逻辑单元（通常512字节到几MB），提供裸磁盘级别的数据访问能力。其架构设计包含三个关键层级：

1. 物理设备层

• 基于HDD/SSD/NVMe等介质构建RAID阵列
• 采用多路径IO（MPIO）避免单点故障
• 典型案例：NetApp FAS系列采用WAFL文件系统管理底层磁盘

1. 逻辑抽象层

• LUN（Logical Unit Number）映射机制
• 精简配置（Thin Provisioning）技术示例：

  # 虚拟化存储池容量分配示例
  def allocate_volume(pool, size):
    if pool.free_space > size * 0.2:  # 保留20%缓冲
        return Volume(size)
    raise InsufficientSpaceException()

1. 协议接入层

• 支持SCSI/NVMe over Fabrics等传输协议
• 端口聚合技术提升吞吐量（如LACP绑定4×10GbE）

二、主流块存储技术方案

（1）SAN存储区域网络

• FC SAN：8/16/32Gbps光纤通道，延迟<1ms
• 性能基准：EMC PowerMax 200K IOPS/控制器
• 部署成本：每端口$500-$2000（含HBA卡）

（2）iSCSI协议栈

• TCP/IP网络承载SCSI指令
• 典型配置示例：

  # Linux targetcli配置示例
  /> cd /backstores/block
  /backstores/block> create dev=/dev/sdb1 name=disk1
  /backstores/block> cd /iscsi
  /iscsi> create iqn.2023-08.storage:target1

（3）超融合架构

• VMware vSAN：最小3节点集群
• Nutanix：元数据分布式哈希表
• 性能对比：混合配置下随机读写延迟差异<15%

三、关键技术演进趋势

1. NVMe-oF革新

• RDMA网络实现μs级延迟（RoCEv2 vs. iWARP）
• SPDK用户态驱动提升IOPS 40%

1. 智能分层存储

• 冷热数据自动迁移算法
• 华为OceanStor支持7级存储池

1. 容器化适配

• CSI（Container Storage Interface）插件体系
• Kubernetes持久卷声明示例：

  apiVersion: v1
  kind: PersistentVolumeClaim
  metadata:
  name: csi-block-pvc
  spec:
  accessModes: ["ReadWriteOnce"]
  resources:
    requests:
      storage: 100Gi
  storageClassName: "fast-ssd"

四、企业级选型建议

1. 性能敏感型场景

• 数据库：优先选择全闪存SAN（Oracle ASM推荐配置）
• 需验证队列深度(QD32+)下的IOPS稳定性

1. 成本敏感型场景

• Ceph RBD：三副本下每TB有效成本<$500
• 注意网络带宽与OSD数量的配比（建议1GbE/5-8 OSDs）

1. 混合云场景

• AWS EBS gp3 vs. Azure Premium SSD对比：
  • 吞吐量：250MB/s vs. 150MB/s（基础配置）
  • 每GB月费：$0.08 vs. $0.12

五、运维最佳实践

1. 性能调优

• 块大小对齐（4K for SSD）
• 使用fio工具进行压力测试：
  ```ini
  [global]
  ioengine=libaio
  direct=1
  runtime=300

[randread]
rw=randread
bs=4k
numjobs=16
```

1. 容灾设计

• 同步复制RPO=0方案（EMC SRDF/A）
• 异步复制网络带宽计算公式：
  所需带宽(Mbps) = 日变更量(GB)×8 / 86400 × 压缩比

1. 安全加固

• LUN masking绑定WWPN
• 启用SCSI Persistent Reservations防脑裂

当前块存储技术正经历从传统集中式向软件定义架构的转型，建议企业在技术选型时综合考虑性能需求、扩展弹性与TCO三个维度，建立科学的评估体系。