塊存儲設備

互聯(lián)網(wǎng)越來越發(fā)達，網(wǎng)速越來越快（管制也越來越嚴），很多事情都可以通過聯(lián)網(wǎng)解決。很多存儲行業(yè)商家也get到了這個點。下圖是個極簡的模型，商家存儲設備(黑盒子)，用戶一個筆記本電腦，通過TCP/IP承載的iSCSI協(xié)議，對于Linux用戶，可以看到一個塊設備/dev/sdax，就像使用本地硬盤(如/dev/sda)一樣，可以對其進行分區(qū)，格式化為文件系統(tǒng)，亦或直接裸設備讀寫。

圖9 塊存儲設備

對于用戶，這就夠了，著實方便，付錢就行。

對于一個有追求的碼農(nóng)，我們是有必要看看這個黑盒子里面是什么。下圖是黑盒子里面的東西，再次強調(diào)，包括本文之前或之后的插圖及描述，都是十分宏觀的。篇幅有限不能說的太細，符合本文主旨；另外，說的太細就會和具體商家產(chǎn)品很像，咱不能那么干。

拋開硬件、驅(qū)動、OS等，直接看軟件邏輯，首先將系統(tǒng)上的硬盤組成多個RAID，如何組，組成哪種RAID，哪幾塊盤組成RAID等等，這些都是可以通過管理員配置。有人問了（對，還是前面問問題的那個人）：“就一個RAID行不行？”

可以，但是有風險，如果一個盤出現(xiàn)故障，RAID就暫時不能提供服務了，整個系統(tǒng)所有用戶會受到影響。如果組成多個RAID，那么，僅僅有故障盤的RAID暫時無法服務，其它RAID是可以繼續(xù)工作，不至于影響所有用戶。套用某相聲表演藝人的話說，用戶就是衣食父母。

繼續(xù)看圖，軟件對下要管理RAID，對上要為用戶提供服務，它給用戶提供的是LUN（全稱是Logical Unit Number，也就是邏輯單元號），當然啦，用戶（人）不必去理解什么是LUN，就如上面所說，頂多是一個/dev/sdax，LUN是軟件、協(xié)議層面的東西。怎么理解呢？每個LUN關(guān)聯(lián)了一組物理存儲資源，你擁有了這個LUN，就擁有了這組物理存儲資源，凡是使用物理存儲資源，需要提供你的LUN ID。有過編程經(jīng)驗的人很容易理解，十分類似一個文件或socket句柄?？蛻舳耍ㄟ@里不使用用戶這個詞，這里偏只程序）對LUN的讀寫，至少需要提供”LUN ID+R/W+Offset+Length[+data]”這些信息。

為什么需要LUN，而不是把RAID直接“丟給”用戶？

圖10 塊存儲設備內(nèi)部

因為每個用戶的需求是不一樣。

碼農(nóng)李二狗，全部身家800G代碼，做開發(fā)的時候谷歌一下然后復制粘貼來的。某宅男，擁有海量高清大片，4TB+不在話下。按照圖10，我們可以給李二狗分配LUN 1，給某宅男分配LUN 2。軟件邏輯層負責做映射，事實上，一個LUN可以映射到多個RAID，多個LUN也可以映射到一個RAID上（不常用，因為RAID故障影響多個用戶），用戶數(shù)據(jù)都會準確的保存到屬于該LUN的物理存儲資源中，不會出現(xiàn)張冠李戴的情況。當用戶需求改變的時候，如李二狗也開始收集高清大片了，需要的空間就大了，那么可以將LUN1資源進行擴充，十分靈活。最后，LUN的大小和該LUN所映射的物理存儲資源大小以及用戶查看/dev/sdax的大小是一致的。

帶文件系統(tǒng)的存儲設備

其實在大多數(shù)場景，用戶都是將設備格式化成某個文件系統(tǒng)使用。那么設備廠商就對用戶說：“我有一個辦法，你們可以不用自己格式化，我直接提供一個文件系統(tǒng)，直接mount就行了，NFS，簡單吧?！?/p>

“好啊！好?。　?/p>

“不過，得加錢?！?/p>

“……”

商業(yè)上的事我們先不管，看下圖。用戶交好錢，被告知一個地址，直接mount到本地，確實方便。

圖11 帶文件系統(tǒng)的存儲設備

這回，黑盒子里面又是什么東西呢？

圖12 帶文件系統(tǒng)的存儲設備

看圖之后，是不是和我一樣的感覺？MMP奸商。 就多了一個文件系統(tǒng)層，內(nèi)部格式化LUN，然后就多收了不少錢。

如果你以為只有這些就錯了！

我們假設，你付費買了1TB的空間，服務商是沒有真的給你預留1TB物理存儲資源的，當你用的時候，再去申請物理存儲資源。你很憤憤，就存滿1TB，此時你以為真的消耗服務商1TB物理存儲資源了？不見得！有可能只消耗了0.8TB甚至更少。

拋開商業(yè)成見，但從技術(shù)角度來看，這里有兩個技術(shù)需要提到壓縮 和 去重，這在文件系統(tǒng)層面很容易做到。

壓縮（Compress）

您可能知道，文件系統(tǒng)在進行IO時候是以一定大小數(shù)據(jù)塊(block)為單位進行的，以4KB為例。壓縮也是以這個數(shù)據(jù)塊為單位，在寫入磁盤之前進行壓縮，原本4KB的數(shù)據(jù)，壓縮之后可能就變成2KB，多個壓縮之后的數(shù)據(jù)塊再次拼成4KB，然后保存到物理磁盤。這個操作，節(jié)省了物理資源。用戶讀數(shù)據(jù)的時候，如果是壓縮的，需要首先解壓縮，然后返回給用戶。壓縮、解壓縮操作是純算法的，主要消耗CPU資源，因此在系統(tǒng)負載很高的時候，不建議啟用壓縮機制。另外，數(shù)據(jù)是否壓縮，需要額外的元數(shù)據(jù)（metadata）記錄，這增加了系統(tǒng)復雜度。有的設備會將壓縮、解壓縮操作交給硬件去完成，減少CPU的消耗。

去重（Deduplicate）

上傳一個大的高清影片到網(wǎng)盤，秒傳，遇到過吧？這說明服務商存儲系統(tǒng)存在了一個和你一模一樣的文件，你遇到了一個志同道合的宅友。為了節(jié)省空間，系統(tǒng)就僅僅給你做個標記（或類似一個軟鏈接），然后增加文件的引用計數(shù)，免得別人刪除了影響到你。這個還是從文件層面的去重，也十分容易理解。我們做個極端假設，如果兩個1G大小的文件，僅僅有一個字節(jié)不同，按照上面方式是不能做到去重的，還是得上傳。文件的一部分一樣就不能進行去重了嗎？

答案是有。數(shù)據(jù)塊（block）級別的去重。

圖13 數(shù)據(jù)塊級別去重

我們看圖13說話。最初，硬盤神馬都沒有，文件1數(shù)據(jù)全部寫入硬盤，這沒什么好說的。然后，文件2，其中BEF三個塊，硬盤已經(jīng)存在，不必寫入了，剩下的塊需要寫入。最后再看文件3，前面3個塊，XYZ不存在于硬盤中，需要寫。后面的XY就不必寫了，最后的E也是不必寫。

去重技術(shù)確實節(jié)約物理存儲資源，但也存在一些問題。

比如：如何確定當前要寫的塊硬盤中已經(jīng)存在？

不可能去硬盤中逐一比較！

一個做法是將早期寫入的塊進行HASH計算，將HASH值以及塊信息保存到內(nèi)存中，作為Cache，新預寫的塊計算HASH值，如果HASH值在Cache中存在，則取出Cache中塊信息，做去重操作，記錄信息。內(nèi)存有限，Cache不能足夠大到保存所有硬盤中的塊信息，因此去重是有限度的，另外Cache的更新也是一個技術(shù)要點，何種Cache更新算法能夠得到好的去重效率是一個值得深入研究的話題。

好了，以上簡要介紹了兩種存儲設備。接下來……

有人問了（對，依舊是前面問問題的那個人）：

“我替碼農(nóng)李二狗他父親王老爺子問個問題，是軟件就有BUG，如果你這軟件崩潰了，是不是所有用戶都不能正常訪問了？”

“沒錯！”

“弱爆了吧？”

在前面RAID的描述中，可以體會到一個詞“冗余”，冗余起到保險、保護作用。既然說軟件存在缺陷，可能掛，那么就放兩份在那，兩個物理獨立的設備運行同樣的軟件，互為主備。主用設備工作時備用設備待命，主備共享系統(tǒng)中RAID、LUN等配置及狀態(tài)，主用設備掛了，備用設備上。用戶無感知。這類方案在很多領(lǐng)域（如通信設備）也是常見的。

圖14 主備備份

“看起來有用，你這主備設備都放在哪里？”

“服務商機房或數(shù)據(jù)中心。”

“如果數(shù)據(jù)中心著火了或其它情況，這些設備就不能提供服務了吧？”

“沒錯!”

“弱爆了吧？”

數(shù)據(jù)中心可是個有網(wǎng)、有電、有空調(diào)，有外賣宅男向往的好地方，是具備基本的防火、防盜（防師兄？）等防災害的地方，但凡事預則立不預則廢，萬一出現(xiàn)差錯可就是大事了。

其實數(shù)據(jù)中心也有“備份”。一般在同城的其它地方，也會有一個數(shù)據(jù)中心，用于備份當前數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)，同城較近拉光纖，備份效率杠杠的，甚至是實時備份。

圖15 數(shù)據(jù)中心

“如果城市發(fā)生較大地震，兩個數(shù)據(jù)中心都損毀了，數(shù)據(jù)就丟了吧？”

“沒錯！”

“弱爆了吧？”

兩地三中心。即生產(chǎn)數(shù)據(jù)中心、同城災備中心、異地災備中心建設方案。兩個城市的三個數(shù)據(jù)中心互聯(lián)，如果一個數(shù)據(jù)中心發(fā)生故障或災難，其他數(shù)據(jù)中心可以正常運行并對核心業(yè)務或全部業(yè)務實現(xiàn)接管。

圖16 兩地三中心

“那如果兩個城市都……”

“你稍等，我打個電話?！?/p>

喂，代罵公司嗎？這是我的個人資產(chǎn)證明，幫我罵個人，罵道我破產(chǎn)。

……

天下無不散宴席。本次分享就到此結(jié)束了，還是那句話，能力有限水平一般，蜻蜓點水的啰嗦了這些，萬一有那么一句半句勾起了您的興趣，我就十分欣慰。

注：我們尊重對知識刨根問底的精神，以上代罵公司有關(guān)說辭純屬扯淡。

尾聲

“你可嚇壞我了，在看Linuxer公眾號的文章呢，向大牛們學習學習，我一直覺得技術(shù)沒啥長進，內(nèi)心挺虛的?！?/p>

“看你體格應該不只是心虛吧？確實，這些文章質(zhì)量都很高，值得學習，除了那篇《大話存儲》有點打醬油。在說，學習沒必要偷偷摸摸的吧？”

“習慣了，沒辦法，看感興趣的東西就這樣。”

“我只能呵呵了。我關(guān)注的主播要上線了，先走了，這個移動硬盤放這借你用用?！?/p>

“里面是什么?”

“當然也是你感興趣的東西——你懂的”。