块存储架构图：分层与模块化设计

块存储系统的核心架构通常采用分层设计，以实现性能、可靠性与扩展性的平衡。典型的块存储架构可分为三层：前端接口层、存储控制层和后端存储介质层。

1. 前端接口层

前端接口层负责与客户端（如虚拟机、容器或物理服务器）通信，提供标准的块设备访问协议。常见协议包括：

• iSCSI：基于TCP/IP网络的SCSI协议封装，适用于广域网部署，成本低但延迟较高。
• FC（Fibre Channel）：通过光纤通道传输SCSI命令，提供低延迟、高带宽的存储网络，常用于企业级数据中心。
• NVMe-oF（NVMe over Fabrics）：基于NVMe协议的远程存储访问，支持RDMA（远程直接内存访问），延迟接近本地磁盘。

架构图示例：

graph LR
    A[客户端] -->|iSCSI/FC/NVMe-oF| B[前端接口模块]
    B --> C[存储控制层]

前端接口层需处理协议转换、连接管理和流量调度。例如，在iSCSI场景中，接口模块需将SCSI命令封装为TCP/IP数据包，并通过网络传输至存储节点。

2. 存储控制层

存储控制层是块存储系统的“大脑”，负责元数据管理、数据分布、快照、克隆等核心功能。其关键模块包括：

• 元数据服务：记录块与物理磁盘的映射关系（如LBA到磁盘偏移量的映射），支持快速查询与更新。
• 数据分布引擎：根据策略（如哈希、轮询）将数据分散到不同存储节点，避免热点问题。
• 快照与克隆服务：通过写时复制（Copy-on-Write）或指针重定向技术实现数据保护与快速复制。

分布式块存储架构图：

graph TD
    C[存储控制层] --> D[元数据服务]
    C --> E[数据分布引擎]
    C --> F[快照/克隆服务]
    D --> G[存储节点1]
    E --> H[存储节点2]
    F --> I[存储节点3]

在分布式架构中，控制层通常采用主从或去中心化设计。例如，Ceph的RADOS块设备（RBD）通过CRUSH算法实现数据分布，无需中央元数据服务器。

3. 后端存储介质层

后端存储介质层直接管理物理磁盘或SSD，提供数据持久化存储。根据介质类型，可分为：

• HDD阵列：成本低，容量大，但随机I/O性能差。
• SSD阵列：高吞吐、低延迟，适合高性能场景。
• 云存储接口：如AWS EBS、Azure Disk Storage，通过API提供弹性块存储服务。

本地存储架构图：

graph LR
    J[存储节点] --> K[本地磁盘阵列]
    K --> L[RAID控制器]
    L --> M[物理磁盘]

在本地存储场景中，RAID技术（如RAID 5、RAID 10）通过数据条带化和冗余校验提升可靠性与性能。

块存储技术分类与适用场景

块存储技术可根据数据分布、协议类型和部署模式分类，以下为关键技术详解：

1. 分布式块存储

分布式块存储通过多节点协作提供高可用性和扩展性，代表技术包括：

• Ceph RBD：基于RADOS对象存储层，支持动态扩展和强一致性。
• GlusterFS Block Storage：通过分布式哈希表（DHT）管理块数据，适合海量小文件场景。
• Sheepdog：专为虚拟机设计的分布式块存储，支持QEMU/KVM原生集成。

适用场景：云计算、大数据分析、需要横向扩展的私有云环境。

2. SAN（存储区域网络）技术

SAN通过专用网络（如FC或iSCSI）连接服务器与存储设备，提供高性能块存储访问：

• FC SAN：延迟低（<1ms），带宽高（16/32/64Gbps），适合金融、电信等关键业务。
• IP SAN（iSCSI）：基于现有IP网络，成本低，但需优化网络质量（如QoS、多路径）。

优化建议：在IP SAN中，启用多路径I/O（MPIO）和jumbo帧（MTU=9000）可显著提升吞吐量。

3. 本地存储与直连存储（DAS）

本地存储通过主机总线适配器（HBA）直接连接磁盘，适用于单节点高性能场景：

• NVMe SSD：延迟<10μs，IOPS达百万级，适合数据库、缓存层。
• RAID卡加速：通过硬件缓存和预读算法优化随机I/O性能。

代码示例（Linux下NVMe设备识别）：

# 列出所有NVMe设备
lsblk -d -o NAME,ROTA,ROTA | grep -v "1"  # ROTA=0表示NVMe
# 测试I/O性能
fio --name=randread --ioengine=libaio --iodepth=32 --rw=randread --bs=4k --direct=1 --size=1G --filename=/dev/nvme0n1

4. 云原生块存储

云服务商提供的块存储服务（如AWS EBS、阿里云ESSD）通过虚拟化层抽象物理存储，支持弹性扩展和按需付费：

• 通用型SSD：平衡性能与成本，适合大多数应用。
• 极热型SSD：延迟<100μs，IOPS达数十万，适合高频交易。

最佳实践：在云环境中，为数据库选择“极热型SSD”并启用多AZ部署以提升容灾能力。

架构选型与技术决策建议

1. 性能优先场景：选择NVMe-oF协议+分布式存储（如Ceph RBD），或本地NVMe SSD+RAID 10。
2. 成本敏感场景：采用IP SAN（iSCSI）+HDD阵列，或云服务商的通用型SSD。
3. 高可用性要求：分布式块存储（3副本）+跨可用区部署，或FC SAN双活架构。
4. 扩展性需求：避免单体存储设备，优先选择支持横向扩展的分布式架构。

总结：块存储架构的设计需综合考虑性能、成本、可靠性与扩展性。通过分层架构图可清晰理解各模块职责，而技术选型需结合业务场景（如OLTP、大数据、容器存储）进行权衡。未来，随着NVMe-oF和CXL（Compute Express Link）技术的普及，块存储将进一步向低延迟、高带宽方向演进。