[儲存]資料儲存的基礎知識 - Block storage

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區塊儲存 (Block Storage)

區塊儲存 (Block Storage) 是最基本的儲存系統，就像電腦的倉庫，用來存放資料。資料在電腦裡是以 1 和 0 的形式儲存在某個「介質」上，例如：

  • 機械式硬碟 (HDD) 利用磁性來儲存資料
  • 固態硬碟 (SSD) 利用電子來儲存資料
  • 光碟則是用光來儲存資料

區塊儲存就像是我們能看到的一塊塊硬碟和儲存裝置。我們把儲存裝置連接電腦後，就能透過區塊儲存的 API 對裡面的資料進行增刪改查。

接下來，我們有了作業系統，它方便我們把資料存進去 Block Storage 裝置，可以說，作業系統是上層應用與 Block Storage 裝置溝通的橋樑。那麼，作業系統是如何與硬碟打交道呢？首先，作業系統利用 LUN ID 識別硬碟。LUN 是一個或一組或半個硬碟的邏輯代號。為什麼有半個呢？例如我們的 Windows 有一個硬碟，把它分成 C 槽和 D 槽，那麼它們就是各半個。LUN 不是獨佔式的，也就是說多台主機能共享一個儲存設備，不過一般不會這麼用，因為 Block Storage 的資料隔離沒有做得這麼好，若是同時寫入資料容易被混淆。

Block (區塊)

為什麼叫做 Block 呢？從作業系統的角度，資料的讀取和寫入都是以 Block 為最小單位。一個 Block 是一段固定長度的 bytes，常見為 4096 bytes。這樣的設定用意是提升資料讀寫的速度。如果一個個 byte 寫，一來一往速度非常慢。我們也不需要連續的儲存這些 Block，上層的作業系統會利用 Linked-List 資料結構把碎片化的 Block 記錄下來，把整段資料拼湊出來。一個 Block 對應一個或多個硬體的扇區 (Sector)，常見的一個 Sector 大小為 512 bytes。所以 Block 是給作業系統看的邏輯地址，Sector 是 Block Storage 上的實體地址。Block 大小可以透過作業系統設定，查詢指令為：

1
2
#> stat /boot/ |grep "IO Block"
  Size: 4096      	Blocks: 8          IO Block: 4096   directory

扇區 (Sector)

Sector 是 Block Storage 上的實體地址，也是把多個 bytes 分組成一個 Sector。我們以機械式硬碟 (HDD) 為例，HDD 有個針頭會去掃描磁碟，掃描的部分就是一個個扇區，如下圖所示：

HDD 就是用類似光碟的圓盤一個個堆疊出來的。剛剛提到的 “扇區” 就是上圖的 Sector，代表同個半徑下一小塊長度。

最後總結一下 Block Storage 的優缺點：

優點

Block Storage 最大的優點就是它使得計算與儲存分離，我們能輕易地透過 LUN ID 外接一個硬碟或硬碟組。

  • 高性能:
    IOPS (Inputs Outputs per Seconds) 高，延遲低，適合用作公司的 Database Server 或數據中心。
  • 易於修改:
    如果想改變 Block 裡的一小部分資料，直接改那個 Block 就可以。如果是檔案系統或 Object System，需要整個檔案或 Object 都改。
  • 擴充容易:
    擴充非常簡單，一個 LUN ID 就可以接上系統了，適合用在 SAN (儲存區域網路) 裡。

缺點

  • 不能同時讀寫：
    不能多台機器同時讀寫同一塊硬碟，雖然可以透過軟體解決此問題但會造成性能下降。
  • Metadata:
    Block Storage 沒有什麼 Metadata，File System 有檔案路徑、名字、大小等等快速定位資料，Block Storage 只有地址起始位置 (LBA)、長度。