块存储架构解析与主流技术盘点

一、块存储架构基础解析

块存储（Block Storage）是存储区域网络（SAN）的核心技术形态，其架构设计直接决定了存储系统的性能、可靠性和扩展性。典型的块存储架构包含以下核心组件：

1.1 物理存储层

由磁盘阵列（HDD/SSD）、存储控制器和连接总线构成。现代存储系统普遍采用多级混合架构：

• 高性能SSD作为缓存层（Cache Tier）
• SAS/NVMe SSD作为性能层（Performance Tier）
• 大容量HDD作为容量层（Capacity Tier）

1.2 逻辑抽象层

通过LUN（Logical Unit Number）实现物理存储的逻辑映射，关键技术包括：

# 典型LUN创建示例（伪代码）
storage_pool = create_pool(disks=['nvme0n1','nvme1n1'], raid_level=10)
lun = create_lun(pool=storage_pool, size=1024GB, thin_provisioning=True)

1.3 协议接入层

支持多种块级访问协议：

• 光纤通道协议（FCP）
• iSCSI协议
• NVMe over Fabrics
• SRP（SCSI RDMA Protocol）

二、主流块存储技术详解

2.1 SAN存储区域网络

技术特点：

• 专用高速网络（通常8/16/32Gbps FC）
• 支持多路径I/O（MPIO）故障切换
• 典型延迟<1ms

部署建议：

graph TD
    A[应用服务器] -->|FC HBA卡| B(FC交换机)
    B --> C[存储控制器]
    C --> D[磁盘阵列]

2.2 iSCSI技术

协议栈组成：

1. SCSI指令集
2. TCP/IP传输层
3. 以太网物理层

性能优化方案：

• 启用Jumbo Frame（9000字节MTU）
• 使用TOE（TCP Offload Engine）网卡
• 配置MC/S（Multiple Connections per Session）

2.3 NVMe技术体系

演进路线：
| 技术版本 | 关键特性 | 吞吐量 |
|——————|———————————————|———————|
| NVMe 1.0 | 原生PCIe接口 | 4GB/s |
| NVMe 1.3 | 支持多路径I/O | 16GB/s |
| NVMe 2.0 | ZNS/ZNS+技术 | 32GB/s |

三、技术选型决策框架

3.1 评估维度矩阵

维度	企业级SAN	iSCSI SAN	NVMe-oF
延迟	★★★★☆	★★★☆☆	★★★★★
成本	★★☆☆☆	★★★★☆	★★☆☆☆
扩展性	★★★☆☆	★★★★☆	★★★★★
管理复杂度	★★☆☆☆	★★★☆☆	★★☆☆☆

3.2 典型场景适配

金融核心交易系统：

• 首选FC SAN + 全闪存阵列
• 配置同步远程复制（Sync Mirror）
• 启用端到端数据校验

云计算平台：

• 推荐Ceph RBD + NVMe后端
• 采用EC（Erasure Coding）冗余
• 实现QoS限速策略

四、前沿技术发展趋势

1. 计算存储分离架构：

   • 通过RDMA实现μs级延迟
   • 典型案例：AWS Nitro系统

2. 可编程数据平面：

   • 基于DPDK/SPDK加速I/O栈
   • 存储处理器卸载（如SmartNIC）

3. 持久内存应用：

   • Intel Optane PMem作为存储级内存
   • 支持字节级寻址的块设备

五、实施建议清单

1. 性能调优必选项：

   • 对齐文件系统块大小（通常4KB/8KB）
   • 禁用磁盘写入缓存（保证数据一致性）
   • 设置合理的队列深度（QD32-64）

2. 高可用设计要点：

   • 双控制器Active-Active配置
   • 跨机架/可用区部署
   • 定期验证故障切换流程

3. 容量规划方法：

   总需求 = (原始数据量 × (1+增长率)^年限) / 压缩比 + 元数据开销

通过系统化的架构理解和精准的技术选型，块存储能够为各类关键业务提供稳定高效的存储服务支撑。建议企业根据实际业务特征，结合本文提供的技术框架进行针对性设计。