深入理解对象存储（OSD）

1、对象存储的起源

存储局域网（SAN）和网络附加存储（NAS）是目前两种主流网络存储架构，在DAS和SAN中，存储资源就像一块一块的硬盘，直接挂载在主机上，我们称之为块存储

而在NAS中，呈现出来的是一个基于文件系统的目录架构，有目录、子目录、孙目录、文件，我们称之为文件存储。文件存储的最大特点，就是所有存储资源都可以通过多级路径方式进行访问

20世纪末，随着互联网的爆发，数据存储需求发生了两个重大的变化：

一是数据量爆炸式增长：Web应用的崛起、社交需求的刺激，极大地推动了多媒体内容创作和分享。人们开始上传大量的照片、音乐、视频，加剧了数据量的爆发。此外，信息技术的发展、企业数字化的落地，也产生了大量的数据，不断吞食着存储资源

二是非结构化数据的占比显著增加：例如图像、音频、视频、Word文章等

面对这两大趋势，由于技术本身和架构的限制，仅具备PB级扩展能力的块存储(SAN)和文件存储(NAS)显得有些无能为力

于是，对象存储应运而生

1996年，美国卡内基梅隆大学提出将对象存储作为一个研究项目，随后，加州大学伯克利分校也有推出类似的项目

2006年，美国Amazon公司发布AWS S3（Simple Storage Service）服务，正式将对象存储作为一项云存储服务，引入云计算领域，从此开启了对象存储的黄金时代

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2、什么是对象存储

存储局域网（SAN）和网络附加存储（NAS）是目前两种主流网络存储架构，而对象存储（Object-based Storage)是一种新的网络存储架构，基于对象存储技术的设备就是对象存储设备（Object-based Storage Device），简称OSD

对象存储，也称为“面向对象的存储”、“云存储”。它综合了网络附加存储(NAS)和存储局域网(SAN)的优点，同时具有SAN的高速直接访问和NAS的分布式数据共享等优势，提供了具有高性能、高可靠性、跨平台以及安全的数据共享的存储体系结构

对象存储允许将计算基础架构与存储需求分离。可以在对所有数据进行存储的同时无需监控存储，因此方便扩展并向云中的集群添加节点

对象存储核心是将数据通路（读写）和控制通路（元数据）分离，并且基于对象存储设备构建存储系统，每个对象存储设备具有自己的职能，能够自动管理其上的数据分布

对象存储是一种基于对象的存储设备，具备智能、自我管理能力，通过Web服务(如RUST、SOA、微服务)实现对象的读写和存储资源的访问

对象存储系统包含两种数据描述：容器(Bucket)、对象(Object)。容器和对象都有一个全局唯一的ID。对象存储采用扁平化结构管理所有数据，用户/应用通过接入码(AccessKey)认证后，只需要根据ID就可以访问容器/对象及相关的数据(Data)、元数据(Metadata)和对象属性(Attribute)

对象存储本质上就是一个Key-Value结构，Key是文件的URL路径，Value是对应的文件，没有传统文件系统那种目录树的结构，不能直接打开修改文件，只能先下载、修改，再上传，所以不支持append和truncate操作，操作接口比较简单，主要接口命令有PUT/GET/DELETE等

云厂商将对象存储称为云存储，不同云厂商对它有不同的命名。例如阿里云叫OSS，腾讯云叫COS，华为云叫OBS，百度云叫BOS等

3、对象存储与块存储、文件存储

• 相同点
  
  对象存储的底层硬件介质，依然是硬盘，和块存储、文件存储没有区别

• 不同点
  
  块存储：操作对象是磁盘。存储协议是SCSI、ISCSI、FC，以SCSI为例，主要接口命令有Read、Write、Read Capacity、Inquiry等
  
  文件存储：操作对象是文件和文件夹。存储协议是NFS、SAMBA（SMB）、POSIX等。以NFS为例，文件相关的接口命令包括：Read、Write、Create、Remove、Rename、Lookup、Access等；文件夹相关的接口命令包括：Mkdir、Rmdir、Readdir等
  
  对象存储：主要操作的是对象（Object）。存储协议是S3、Swift等，以S3为例，主要接口命令有PUT、GET、DELETE等。对象存储没有那种目录树的概念，在对象存储系统里，你不能直接打开/修改文件，只能先下载、修改，再上传文件

更多关于NAS与SAN的介绍见文章：传送门

4、对象存储架构

对象存储架构主要由对象存储设备（OSD）、元数据服务器（MDS）、对象存储系统的客户端（Client）三部分组成

对象存储设备（OSD）呈现出来的是一个个桶（Bucket），你可以往桶里面放对象（Object）

4.1、对象（Object）

对象（Object）是系统中数据存储的基本单位，一个对象实际上就是文件的数据和一组属性信息（MetaData）的组合

在传统的存储系统中用文件或块作为基本的存储单位，块设备要记录每个存储数据块在设备上的位置，而对象维护自己的属性，从而简化了存储系统的管理任务，增加了灵活性

对象的大小可以不同，可以包含各种数据结构，如文件、数据库表等。在存储设备中，所有对象都有一个唯一标识，OSD通过对象标识访问该对象

对象由三个部分组成：Key、Value、Metadata

• Key
  
  Key即为对象的全局唯一标识，可以理解为文件名(路径)，主要用于检索对象，服务器和用户不需要知道数据的物理地址，也能通过它找到对象。这种方法极大地简化了数据存储。Key类似一个URL地址，如果该对象被设置为“公开”，所有互联网用户都可以通过这个地址访问它

• Value
  
  Value即为数据本身

• Metadata
  
  Metadata为元数据，它类似对象（数据）的标签（属性），可以是对象的各种描述信息。例如一张人物图片，它的元数据可以是姓名、性别、年龄、拍摄地点、拍摄时间等。在传统的文件存储里，这类信息属于文件本身，和文件一起存储。而对象存储中，元数据是独立出来的，不在数据内部封装

4.2、对象存储设备（OSD）

每个OSD都是一个智能设备，具有自己的存储介质、处理器、内存以及网络系统等，负责管理本地的Object，是对象存储系统的核心

OSD同块设备的不同不在于存储介质，而在于两者提供的访问接口。OSD的主要功能包括数据存储和安全访问

OSD提供三个主要功能：

• 数据存储
  
  OSD管理对象数据，并将它们放置在标准的磁盘系统上，OSD不提供块接口访问方式，Client请求数据时用对象ID、偏移进行数据读写

• 智能分布
  
  OSD用其自身的CPU和内存优化数据分布，并支持数据的预取。由于OSD可以智能地支持对象的预取，从而可以优化磁盘的性能

• 管理每个对象元数据
  
  OSD管理存储在其上对象的元数据，该元数据与传统的INode元数据相似，通常包括对象的数据块和对象的长度。而在传统的NAS系统中，这些元数据是由文件服务器维护的，对象存储架构将系统中主要的元数据管理工作由OSD来完成，降低了Client的开销

4.3、元数据服务器（MDS）

MDS控制Client与OSD对象的交互，为客户端提供元数据，主要是文件的逻辑视图，包括文件与目录的组织关系、每个文件所对应的OSD等。主要提供以下几个功能：

• 对象存储访问
  
  MDS构造、管理描述每个文件分布的视图，允许Client直接访问对象。MDS为Client提供访问该文件所含对象的能力，OSD在接收到每个请求时将先验证该能力，然后才可以访问

• 文件和目录访问管理
  
  MDS在存储系统上构建一个文件结构，包括限额控制、目录和文件的创建和删除、访问控制等

• Client Cache一致性
  
  为了提高Client性能，在对象存储系统设计时通常支持Client方的Cache。由于引入Client方的Cache，带来了Cache一致性问题，MDS支持基于Client的文件Cache，当Cache的文件发生改变时，将通知Client刷新Cache，从而防止Cache不一致引发的问题

4.4、对象存储系统的客户端（Client）

为了有效支持Client支持访问OSD上的对象，需要在计算节点实现对象存储系统的Client。现有的应用对数据的访问大部分都是通过POSIX文件方式进行的，对象存储系统提供给用户的也是标准的POSIX文件访问接口。接口具有和通用文件系统相同的访问方式，同时为了提高性能，也具有对数据的Cache功能和文件的条带功能。同时，文件系统必须维护不同客户端上Cache的一致性，保证文件系统的数据一致

文件系统读访问流程：

• 客户端应用发出读请求
• 文件系统向元数据服务器发送请求，获取要读取的数据所在的OSD
• 然后直接向每个OSD发送数据读取请求
• OSD得到请求以后，判断要读取的Object，并根据此Object要求的认证方式，对客户端- 进行认证，如果此客户端得到授权，则将Object的数据返回给客户端
• 文件系统收到OSD返回的数据以后，读操作完成

5、对象存储的特性

• 容量无限大、灵活可扩展
  
  对象存储的所有业务、存储节点采用分布式集群方式工作，各功能节点集群都可以独立扩容，且扩容过程中业务零中断。从理论上来说，某个对象存储系统或单个桶（Bucket），并没有总数据容量和对象数量的限制
  
  对象存储对外提供更抽象的对象接口，而不是SCSI或文件接口。与SAN存储以逻辑扇区为单位的较细粒度的固定IO(512B~4KB)不同，对象存储IO粒度更有弹性，支持几个字节(B)到数万亿字节(TB)范围内的任意对象大小，使得业务可根据需要灵活的分割数据
  
  对象存储以对象ID为基础，扁平化的管理所有对象和桶，根据对象ID便可直接访问数据，解决了NAS复杂的目录树结构在海量数据情况下的数据查找耗时长的问题，这使得对象存储具备极强的扩展性，能够轻松实现单一命名空间内支持百亿级文件的存储

• 数据使用方便，安全可靠
  
  用户只需一个凭证（Key），便可以访问（HTTP）指定桶（Bucket）中的所有数据（对象）。大部分云厂商都有自己的图形化界面客户端工具，用户存取数据就像使用网盘一样
  
  对象存储采用了分布式架构，对数据进行多设备冗余存储（至少三个以上节点），数据分片存储在不同硬盘上，实现了异地容灾和资源隔离
  
  数据访问方面，所有的桶和对象都有ACL等访问控制策略，所有的连接都支持SSL加密，OBS系统会对访问用户进行身份鉴权

• 基于策略的自动化管理，用户成本低
  
  由于云环境中的数据往往是动态、快速增长的，所以基于策略的自动化将变得非常重要。对象存储支持从应用角度基于业务需求设置对象/容器的属性(元数据)策略，如数据保护级别，保留期限，合规状况，远程复制的份数等。这使得对象存储具备云的自服务特征同时，有效的降低运维管理的成本，使得客户在存储容量从TB增长到ZB时，运维管理成本不会随之飙升

• 基于SaaS模式的多租户技术
  
  多租户技术是实现如何在多用户环境下共用相同的系统或程序组件，并且可确保各用户间数据的隔离性。多租户特性可以使用同一种架构，同一套系统为不同用户和应用提供存储服务，并分别为这些用户和应用设置数据保护、数据存储策略，并确保这些数据之间相互隔离

6、对象存储的应用场景

• 图片和音视频等应用的海量存储
  
  对象存储可用于图片、音视频、日志等海量文件的存储。各种终端设备、Web网站程序、移动应用可以直接向对象存储写入或读取数据

• 网页或移动应用的静态和动态资源分离
  
  利用海量互联网带宽，对象存储可以实现海量数据的互联网并发下载

• 云端数据处理
  
  上传文件到对象存储后，可以配合媒体处理服务和图片处理服务进行云端的数据处理

• 数据迁移
  
  数据快速、安全地迁移至对象存储，帮助客户降低存储成本，提高运维效率

• 容灾备份
  
  对象存储不仅支持同城容灾，还支持跨区域异地容灾，防止用户数据丢失，业务长时间中断

7、国内常见的对象存储产品

• 阿里云
  
  阿里云对象存储（Object Storage Service，OSS）是一款海量、安全、低成本、高可靠的云存储服务，可提供99.9999999999%（12个9）的数据持久性，99.995%的数据可用性。多种存储类型供选择，全面优化存储成本
  
  官网：https://help.aliyun.com/zh/oss/

• 腾讯云
  
  腾讯云对象存储（Cloud Object Storage，COS）是腾讯云提供的一种存储海量文件的分布式存储服务，具有高扩展性、低成本、可靠安全等优点。通过控制台、API、SDK和工具等多样化方式，用户可简单、快速地接入COS，进行多格式文件的上传、下载和管理，实现海量数据存储和管理
  
  官网：https://cloud.tencent.com/document/product/436

• 华为云
  
  华为云对象存储服务（Object Storage Service，OBS）提供海量、安全、高可靠、低成本的数据存储能力，可供用户存储任意类型和大小的数据。适合企业备份/归档、视频点播、视频监控等多种数据存储场景
  
  官网：https://support.huaweicloud.com/obs/index.html

参考文章：
https://blog.csdn.net/zhanggqianglovec/article/details/104009464
https://zhuanlan.zhihu.com/p/555259241
https://zhuanlan.zhihu.com/p/166289089
https://blog.csdn.net/nihaoa50/article/details/88327178