块存储架构：从底层到高层的构建逻辑

块存储（Block Storage）作为存储系统的核心组件，其架构设计直接影响数据访问效率、可靠性与扩展性。典型的块存储架构可划分为三层：前端接口层、存储控制层与后端存储介质层。

1. 前端接口层：负责接收并解析主机（如虚拟机、容器）发送的SCSI/iSCSI/NVMe-oF等协议请求，将逻辑块地址（LBA）映射为内部存储单元标识。例如，在Linux系统中，块设备驱动（如/dev/sdX）通过ioctl系统调用与存储设备交互，前端接口需将此类调用转换为内部存储操作指令。
2. 存储控制层：实现数据分布、缓存管理、快照生成等核心功能。以分布式块存储为例，控制层通过一致性哈希算法将数据块分散到多个存储节点，同时维护元数据索引（如ZFS的DMU或Ceph的RADOS对象映射表）。缓存策略（如写回缓存、预读缓存）在此层实现，显著提升随机I/O性能。
3. 后端存储介质层：直接操作物理磁盘（HDD/SSD）或通过存储池抽象管理底层设备。例如，LVM（逻辑卷管理）将多个物理卷组合为虚拟卷组，提供灵活的容量扩展能力；而ZFS的存储池（zpool）则通过RAIDZ算法实现数据冗余与校验。

块存储的三种类型：架构差异与场景适配

类型一：直连式存储（DAS）—— 简单但局限的本地化方案

架构特点：DAS通过SCSI/SAS/NVMe接口直接连接主机与存储设备，无中间网络层。其数据路径为：主机CPU → 主机总线适配器（HBA）→ 磁盘控制器 → 物理磁盘。例如，一台服务器通过HBA卡连接4块SSD组成本地RAID阵列，所有I/O操作均由主机内核的块设备驱动处理。

优势与局限：

• 低延迟：无网络传输开销，适合对时延敏感的数据库（如MySQL InnoDB）或高频交易系统。
• 成本低：无需额外存储网络设备，适合小型企业或边缘计算场景。
• 扩展性差：单主机存储容量受物理接口数量限制，且无法共享给其他主机。

实践建议：在DAS部署中，优先选择支持多队列的NVMe SSD（如Intel Optane），并通过ionice命令调整I/O优先级，避免单一进程占用全部带宽。

类型二：存储区域网络（SAN）—— 企业级高性能共享存储

架构特点：SAN通过光纤通道（FC）或iSCSI协议构建专用存储网络，实现多主机对共享存储池的访问。典型架构包括：

• FC SAN：主机通过HBA卡连接FC交换机，存储设备（如EMC VNX、NetApp FAS）通过后端磁盘阵列提供LUN（逻辑单元号）。
• iSCSI SAN：基于TCP/IP网络，通过软件发起端（如Linux的open-iscsi）或硬件iSCSI HBA实现存储访问，成本更低但性能受网络带宽影响。

性能优化关键点：

• 多路径I/O：通过multipathd服务配置多条物理路径（如两条FC链路），实现负载均衡与故障切换。
• 存储分层：将热数据放置在SSD缓存层（如NetApp FlashCache），冷数据沉淀至大容量HDD层。
• QoS策略：在存储阵列端配置IOPS/带宽限制，避免单个LUN占用过多资源（例如，限制备份任务占用不超过30%的阵列带宽）。

适用场景：金融核心交易系统、大型ERP（如SAP HANA）等需要高可用性与低延迟的场景。某银行曾通过FC SAN部署Oracle RAC集群，实现99.999%的可用性。

类型三：云原生块存储—— 弹性与自动化的新一代方案

架构特点：云原生块存储（如AWS EBS、Azure Disk Storage）基于分布式存储系统构建，通过虚拟化层抽象底层硬件。其核心组件包括：

• 控制平面：通过API接收用户请求（如创建卷、调整大小），并协调数据分布与复制。
• 数据平面：由多个存储节点组成分布式存储集群，采用纠删码（EC）或三副本策略保障数据可靠性。例如，AWS EBS gp3卷类型通过SSD缓存层与后端HDD存储池结合，平衡性能与成本。

与本地存储的对比：
| 维度 | 云原生块存储 | 本地SAN/DAS |
|———————|——————————————|—————————————-|
| 扩展性 | 秒级扩容（如从100GB到1TB） | 需停机添加磁盘或扩展RAID |
| 可靠性 | 跨可用区复制 | 依赖本地RAID级别 |
| 成本模型 | 按需付费（如$0.05/GB/月） | 前期CAPEX高，维护OPEX低 |

实践建议：在云环境中，优先选择支持弹性卷（如AWS EBS Provisioned IOPS SSD）与快照链（如Azure Managed Disks）的存储类型。对于数据库负载，可通过fio工具测试不同卷类型的IOPS与延迟，例如：

fio --name=randread --ioengine=libaio --iodepth=32 \
    --rw=randread --bs=4k --direct=1 --size=10G \
    --filename=/dev/xvda --runtime=60 --time_based

架构选型：从场景到技术的映射

选择块存储类型时，需综合考虑以下因素：

1. 性能需求：若需单卷百万IOPS（如AI训练），优先选择云原生SSD或本地NVMe SAN；若为归档数据，可选用高容量HDD。
2. 数据共享：多主机访问需求驱动SAN或云存储选型，而DAS仅适用于单机场景。
3. 运维复杂度：云存储通过自动化管理（如自动快照、生命周期策略）降低运维成本，而本地SAN需专业存储管理员。

案例参考：某电商平台在促销期间，通过云原生块存储的弹性扩容功能，将数据库卷从500GB动态扩展至2TB，同时利用存储快照实现分钟级备份，避免了传统SAN扩容的停机风险。

未来趋势：软件定义与全闪存化

随着软件定义存储（SDS）的普及，块存储架构正从硬件中心向软件中心演进。例如，Ceph通过RADOS对象存储层提供统一的块、文件与对象接口，而OpenStack Cinder则实现了多后端存储的统一管理。同时，全闪存阵列（AFA）的普及使得块存储延迟进入微秒级时代，为5G、边缘计算等低时延场景提供支撑。

开发者需关注存储协议的演进（如NVMe-oF替代iSCSI）、智能缓存算法（如机器学习驱动的预读）以及多云环境下的存储一致性（如CSI驱动在Kubernetes中的实现）。通过深入理解块存储架构与类型差异，可更高效地构建高可用、高性能的存储系统。