分布式存儲的分類和典型應(yīng)用場景

本文來自“2023年中國分布式存儲市場研究報告”。分布式存儲指基于分布式架構(gòu)，通過軟硬件協(xié)同，依托高效網(wǎng)絡(luò)連接多個節(jié)點來實現(xiàn)存儲功能的IT產(chǎn)品和服務(wù)。

在傳統(tǒng)存儲面臨拓展性有限、結(jié)構(gòu)化/非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)兼容性不佳、I/O性能與成本不經(jīng)濟、可靠性不高和面向新應(yīng)用（如容器）支持能力有待提升、用戶體驗不佳等問題的背景下，分布式存儲一定程度上與傳統(tǒng)存儲實現(xiàn)了較好配合。

相比傳統(tǒng)的集中式存儲，分布式存儲在以下領(lǐng)域表現(xiàn)突出：

云原生：指“生在云上、長在云上”的政企業(yè)務(wù)場景，典型的有容器和微服務(wù)等

高性能計算（HPC）：支撐每秒百億億次浮點計算（EFLOPS）場景的分布式存儲

融媒體：指文件大且I/O延遲要求低的元宇宙、虛擬數(shù)字人和虛擬現(xiàn)實等場景

智能備份：指視頻監(jiān)控、醫(yī)療影像和智能制造等場景

從規(guī)?？?，近三年中國分布式存儲市場規(guī)模均保持30%以上的高速增長，2022年市場規(guī)模達104.2億元

從結(jié)構(gòu)看，2022年，文件存儲占比最高，一體機、分布式混閃、虛擬化融合在各自領(lǐng)域占比較高。

從場景看，HPC在2022年中國分布式存儲主要場景市場中居于重要地位

從區(qū)域看，2022年華北、華東地區(qū)占據(jù)半壁江山，京津冀、長三角市場領(lǐng)跑

2022年中國分布式存儲市場中，領(lǐng)導者有華為、中科曙光、浪潮、新華三；挑戰(zhàn)者有XSKY、 SmartX、 NetApp、 Dell&EMC、焱融科技；跟隨者有同有、杉巖和中國電子云；可期待者有深信服和聯(lián)想。

中科曙光在分布式存儲教育科研和氣象市場份額居首位，SmartX在分布式塊存儲金融市場居首位。

一、分布式存儲是什么

傳統(tǒng)存儲面臨拓展性有限、結(jié)構(gòu)化/非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)兼容性不佳、數(shù)據(jù)讀寫任務(wù)(I/O)性能與成本不經(jīng)濟、可靠性不高和面向新應(yīng)用（如容器）支持能力有待提升等問題，用戶體驗不佳。在此背景下，分布式存儲近年來迅速發(fā)展，一定程度上與傳統(tǒng)存儲實現(xiàn)了較好配合，滿足了多個場景用戶的個性化需求。

分布式架構(gòu)：與集中式架構(gòu)不同，分布式架構(gòu)沒有負責所有業(yè)務(wù)的中心節(jié)點，而是由多個可相互通信、協(xié)調(diào)的普通節(jié)點構(gòu)成集群，對外提供服務(wù)。

軟硬件協(xié)同：硬件主要由存儲控制系統(tǒng)（CPU、緩存）、硬盤/閃存盤和網(wǎng)絡(luò)等構(gòu)成，軟件則是與硬件適配的存儲操作系統(tǒng)，以及存儲服務(wù)軟件、管理軟件、狀態(tài)監(jiān)控軟件等應(yīng)用軟件。

高效網(wǎng)絡(luò)：并不是傳統(tǒng)的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)，而是采用存算分離的設(shè)計思路，不通過CPU，直接由內(nèi)存?zhèn)鬏數(shù)街悄芫W(wǎng)卡完成I/O的遠程直接地址訪問網(wǎng)絡(luò)（RDMA）。

二、分布式存儲的分類

根據(jù)場景特點和需求，2022年中國分布式存儲產(chǎn)品共有四種主要的分類方式：

按存儲對象，可分為分布式塊存儲、分布式文件存儲、分布式對象存儲、分布式統(tǒng)一存儲；

按產(chǎn)品形態(tài)，可分為一體機、純硬件和純軟件；

按存儲介質(zhì)，可分為分布式全閃存、分布式混閃；

按部署方式，可分為虛擬化融合方式、容器融合方式和分離方式。

（一）按存儲對象分類

分布式塊存儲：指將各存儲節(jié)點的硬盤、閃存盤等存儲硬件資源通過劃分邏輯卷（LVM）、創(chuàng)建獨立冗余存儲陣列（Raid）、邏輯分區(qū)等方式，由物理存儲資源轉(zhuǎn)化為面向需求的邏輯塊，提高使用效率。

分布式文件存儲：指基于文件系統(tǒng)對各存儲節(jié)點的數(shù)據(jù)進行存儲，形成目錄、子目錄、文件，常見的分布式文件存儲應(yīng)用有Ceph、HDFS、GFS、 FastDFS、GridFS、mogileFS、TFS等。

分布式對象存儲：指各存儲節(jié)點由標識符、數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)的對象數(shù)據(jù)構(gòu)成。其中標識符在該存儲系統(tǒng)中唯一，用于區(qū)分不同存儲區(qū)域；元數(shù)據(jù)將提取數(shù)據(jù)特征，便于快速檢索。分布式對象存儲相比塊存儲和文件存儲，數(shù)據(jù)查找和提取的效率大大提升，適用于文本、音頻、視頻等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。

分布式統(tǒng)一存儲：指各存儲節(jié)點同時支持塊、文件和對象三大類型數(shù)據(jù)，滿足虛擬化、云平臺和容器平臺等新興存儲需求，為用戶提供服務(wù)典型應(yīng)用和計算平臺的統(tǒng)一存儲資源池。

（二）按產(chǎn)品形態(tài)分類

一體機：從設(shè)備層面將各節(jié)點存儲資源進行融合優(yōu)化，同時軟硬件為同一廠商生產(chǎn)、一體交付，適配度高，可有效緩解單個節(jié)點或設(shè)備短板導致整體系統(tǒng)功能受影響等問題。擴展能力較強，且可在線增加節(jié)點，對前段業(yè)務(wù)完全透明。不足之處是價格偏高。

純硬件：指交付形態(tài)為磁盤陣列、閃存盤集群等硬件資源的分布式存儲產(chǎn)品，適配的軟件分為自研和開源二次開發(fā)兩種路線。純硬件交付模式成本高，但可靠性較高，適用于重要敏感數(shù)據(jù)存儲場景。

純軟件：指交付形態(tài)為定制化應(yīng)用軟件、平臺授權(quán)碼等的分布式存儲產(chǎn)品，一般應(yīng)用于優(yōu)化存儲硬件的場景，如老舊數(shù)據(jù)中心改擴建等。純軟件交付定制化空間大、成本低、交付周期短，但擴容及存儲硬件兼容性問題一定程度上也會影響運行效率。

（三）按存儲介質(zhì)分類

分布式全閃存：指各存儲節(jié)點完全由固態(tài)硬盤（SSD）構(gòu)成，主流的適配接口為NVNe，每秒讀寫次數(shù)（IOPS）可躍升至百萬級別，相比傳統(tǒng)的機械硬盤（HDD）提升了近千倍。缺點是價格高昂，且受限于系統(tǒng)總線協(xié)議和其他部件，分布式全閃存性能較難完全發(fā)揮。

分布式混閃：指各存儲節(jié)點由SSD、HDD等構(gòu)成。盡管性能不及分布式全閃存，但可針對場景需求進行個性化定制，從而最大程度上均衡成本和性能，是目前主流的分布式存儲產(chǎn)品。

（四）按部署方式分類

虛擬化融合：指在分布式存儲（塊存儲為主）的架構(gòu)基礎(chǔ)上，利用服務(wù)器虛擬化的隔離機制，實現(xiàn)存儲和服務(wù)器虛擬化在同一硬件節(jié)點上的部署。這種架構(gòu)的優(yōu)勢在于整體架構(gòu)更為簡單，并且節(jié)省了硬件成本，缺點是計算和存儲需要同時擴展，不適用于計算和存儲應(yīng)用不均衡的場景。

容器融合：面對容器化持久化存儲日益增長的需求和Kubernetes特有的管理架構(gòu)，專門針對此類場景的分布式存儲產(chǎn)品也開始涌現(xiàn)。容器融合的分布式存儲產(chǎn)品對 K8s集群內(nèi)的存儲資源進行整合與管理，不僅可以通過與容器融合部署降低成本，簡化系統(tǒng)架構(gòu)，還可以無縫融入 K8s 原生的開發(fā)和運維體系，更加符合 K8s 運維團隊的使用習慣。

分離：指各存儲節(jié)點資源與應(yīng)用分離，雖然架構(gòu)更加復(fù)雜并需要更多的硬件節(jié)點，但方案更為靈活，并適用更多場景，尤其適合大容量的數(shù)據(jù)存儲，以及從裸金屬、虛擬化到容器的不同計算節(jié)點的混合資源池。

三、分布式存儲的優(yōu)勢

高可靠性：分布式存儲的數(shù)據(jù)采取存放在多個存儲節(jié)點中的全冗余部署，通過多時間點快照、周期增量復(fù)制兩大核心技術(shù)，可實現(xiàn)在一定時間間隔內(nèi)，對各版本數(shù)據(jù)的保存，并且同時進行恢復(fù)，可幫助分析和研究，避免類似災(zāi)難的再次發(fā)生。

高效作業(yè)：面對可劃分為若干個并行運行的子任務(wù)的存儲任務(wù)，分布式存儲可將這些子任務(wù)分散到不同的存儲節(jié)點上，使其同時運行作業(yè)，從而提高效率。另外，分布式存儲系統(tǒng)具有任務(wù)負載平衡功能，如果某個存儲節(jié)點的負載過重，則可把其中一些作業(yè)遷移到其他節(jié)點去執(zhí)行，從而減輕該節(jié)點的負載，實現(xiàn)整體效率的提升。

高可擴展性：分布式存儲橫向連接了多個存儲節(jié)點，可按存儲容量和性能的需要，靈活橫向拓展（Scale-out）新節(jié)點。新存儲節(jié)點和原系統(tǒng)連接到同一個網(wǎng)絡(luò)，同時業(yè)務(wù)的連續(xù)性基本不受影響，可基本實現(xiàn)分布式存儲系統(tǒng)的總?cè)萘亢托阅軣o感線性擴展。新存儲節(jié)點的資源將由分布式存儲操作系統(tǒng)管理，進行分配或取消，原有數(shù)據(jù)可通過復(fù)制、鏡像、同步等方式，實現(xiàn)在新節(jié)點的遷移。