对象存储和块存储区别 简单理解，块存储和对象存储哪个最底层最好

***：对象存储和块存储存在区别。块存储将数据存储在块设备中，适合对存储设备有底层操作需求的场景，如数据库应用。而对象存储以对象为基本单元，包含数据和元数据，适用于海量数据存储和云计算环境等。难以简单判定哪个在最底层最好，块存储在对存储底层性能要求高的传统应用场景表现佳，对象存储在新兴的大规模数据存储及云应用场景有独特优势。

《块存储与对象存储：底层特性剖析与比较》

一、引言

在现代数据存储领域，块存储和对象存储是两种重要的存储方式，它们各自有着独特的架构、特性和适用场景，对于理解哪种存储在底层更具优势，需要深入剖析它们在多个维度上的差异，包括数据结构、访问方式、性能表现、可靠性、可扩展性等，这不仅有助于存储系统的设计者选择合适的存储技术，也能让企业和开发者根据自身需求优化数据存储策略。

二、块存储

1、数据结构

- 块存储将数据存储为固定大小的块，通常这些块的大小在512字节到数兆字节之间，例如常见的4KB大小的块，这些块在存储系统中是独立的逻辑单元，在传统的块存储系统中，如磁盘阵列（RAID），数据以块的形式分布在多个磁盘上，这种结构类似于传统的文件系统在磁盘上的存储方式，文件被分割成块，然后这些块被存储在磁盘的不同位置。

- 对于操作系统来说，块存储设备看起来就像一个原始的磁盘设备，操作系统可以直接对这些块进行读写操作，例如通过SCSI（Small Computer System Interface）或iSCSI（Internet Small Computer System Interface）协议，这意味着操作系统可以直接管理文件系统在这些块上的布局，包括创建文件系统（如NTFS、EXT4等）、分配磁盘空间等操作。

2、访问方式

- 块存储提供了低层次的、直接的访问方式，主机系统（如服务器）通过特定的块存储协议（如FC - Fibre Channel、iSCSI等）连接到存储设备，在这种连接下，主机将存储设备视为本地磁盘一样进行操作，在数据库应用场景中，数据库管理系统（DBMS）可以直接对块存储设备进行读写操作，以满足数据库对数据快速、随机访问的需求。

- 由于这种直接访问特性，块存储非常适合需要高性能随机I/O的应用，比如在线事务处理（OLTP）系统，这类系统需要频繁地对数据库中的小块数据进行随机读写操作，块存储能够提供较低的I/O延迟，确保事务处理的快速响应。

3、性能表现

- 随机I/O性能：块存储在随机I/O方面表现出色，以企业级的块存储系统为例，在处理大量小文件的随机读写时，由于其直接对块进行操作，不需要额外的转换层，能够快速定位到所需的块并进行读写，在一个高并发的数据库环境中，块存储可以有效地处理多个用户同时对数据库中不同记录（以块为单位存储）的读写请求，平均I/O延迟可以控制在较低水平，如几毫秒到十几毫秒之间。

- 顺序I/O性能：在顺序I/O方面，块存储也能提供较好的性能，当进行大规模数据的顺序读写时，例如备份和恢复操作，块存储系统可以利用其高速的磁盘通道（如高速的FC网络或万兆以太网用于iSCSI连接），以接近磁盘理论带宽的速度传输数据，对于高端的块存储设备，顺序读写带宽可以达到数GB/s的水平。

- 影响性能的因素：块存储的性能受多种因素影响，磁盘的转速（对于机械硬盘）、磁盘的接口类型（如SAS、SATA等）、存储系统的缓存策略等都对性能有重要影响，在一个采用了大量高速缓存（如SSD缓存）的块存储系统中，对于频繁访问的数据，可以大大提高读写性能，因为很多读写操作可以直接在缓存中完成，减少了对后端磁盘的访问。

4、可靠性

- 冗余机制：块存储通常采用多种冗余机制来确保数据的可靠性，在磁盘阵列中，常见的有RAID技术，RAID 1通过镜像的方式，将数据同时写入两个磁盘，这样即使一个磁盘出现故障，另一个磁盘仍然可以提供完整的数据，RAID 5则是通过奇偶校验信息分布在多个磁盘上的方式，在允许一个磁盘故障的情况下仍然能够恢复数据，企业级的块存储系统还会配备电池备份单元（BBU），以防止在突然断电时数据丢失，确保缓存中的数据能够安全地写入磁盘。

- 数据一致性：块存储在数据一致性方面有严格的要求，由于操作系统直接对块进行操作，在多主机共享块存储的情况下，需要通过锁机制和存储系统的一致性协议来确保数据在不同主机之间的一致性，在一个集群环境中，多个服务器共享一个块存储设备来存储共享文件系统，存储系统需要确保在不同服务器对同一文件块进行读写时的顺序和数据的正确性。

5、可扩展性

- 纵向扩展：块存储系统可以通过增加磁盘容量或升级磁盘性能来实现纵向扩展，在一个磁盘阵列中，可以将小容量的磁盘替换为大容量的磁盘，或者增加更多的磁盘来扩展存储容量，可以升级磁盘的接口类型（如从SATA升级到SAS）或者增加缓存容量来提高性能，纵向扩展存在一定的局限性，当达到存储系统的物理极限（如控制器的处理能力、机箱的磁盘插槽数量等）时，继续纵向扩展可能会面临成本高昂或性能提升不明显的问题。

- 横向扩展：一些现代的块存储系统也支持横向扩展，通过将多个块存储设备连接在一起，形成一个更大的存储池，一些分布式块存储系统可以将多个服务器上的本地磁盘组合成一个共享的块存储资源，这种横向扩展方式可以在一定程度上增加存储容量和性能，但在实现上往往比对象存储的横向扩展要复杂，因为需要考虑数据的分布、一致性和负载均衡等问题。

三、对象存储

1、数据结构

- 对象存储将数据作为对象进行管理，一个对象包含数据本身、元数据和一个全局唯一的标识符（Object ID），元数据包含了关于对象的各种信息，如对象的大小、创建时间、所有者等，与块存储不同，对象不是以固定大小的块存储在磁盘上，而是作为一个整体存储在对象存储系统中。

- 对象存储系统中的对象以扁平的结构存储，没有像传统文件系统那样的目录树结构，这种扁平结构使得对象存储在大规模数据存储时具有更好的可扩展性，在一个云对象存储系统中，数十亿个对象可以被存储在一个存储池中，通过对象的唯一标识符进行快速定位和访问。

2、访问方式

- 对象存储通过对象存储接口（如Amazon S3接口、OpenStack Swift接口等）进行访问，应用程序通过这些接口发送HTTP请求来操作对象，例如创建、读取、更新和删除对象，这种基于HTTP协议的访问方式使得对象存储非常适合在互联网环境下使用，因为HTTP是一种广泛应用的网络协议，便于不同平台和应用之间的交互。

- 与块存储的直接、低层次的访问方式不同，对象存储的访问是基于对象级别的，用户不需要关心对象在存储系统中的具体物理位置，只需要通过对象的唯一标识符进行操作，这种方式简化了数据存储和管理的复杂性，尤其是对于大规模的、分布式的存储系统。

3、性能表现

- 随机I/O性能：对象存储在随机I/O方面与块存储有所不同，由于对象存储需要通过网络接口（如HTTP）来访问对象，在处理大量小对象的随机读写时，可能会受到网络延迟和对象元数据查找的影响，在一个频繁访问小对象（如图片缩略图）的Web应用中，如果对象存储系统没有有效的缓存机制，每次请求都需要通过网络查找对象及其元数据，可能会导致较高的延迟，现代的对象存储系统通常采用了缓存技术（如内存缓存、CDN缓存等）来改善随机I/O性能。

- 顺序I/O性能：在顺序I/O方面，对象存储也能表现出较好的性能，当进行大规模数据的顺序读写时，例如在大数据分析场景中对大型数据集的读取，对象存储可以利用其分布式的架构，并行地从多个存储节点读取数据，如果对象存储系统采用了数据分片和并行传输技术，顺序读写带宽可以达到很高的水平，甚至可以超过单个块存储设备的带宽。

- 影响性能的因素：对象存储的性能受网络带宽、存储节点的性能、元数据管理等因素的影响，网络带宽是一个关键因素，因为对象存储依赖网络进行数据传输，低带宽的网络会严重限制对象存储的读写速度，存储节点的性能包括磁盘I/O性能、CPU性能等，在处理对象的存储和检索时起着重要作用，元数据管理也很重要，高效的元数据管理可以加快对象的定位和访问速度。

4、可靠性

- 冗余机制：对象存储通常采用多副本的冗余机制来确保数据的可靠性，在一个对象存储系统中，每个对象可以被复制到多个存储节点上，一个对象可以有三个副本分别存储在不同的服务器或存储区域中，这样，即使一个存储节点出现故障，仍然可以从其他副本中获取数据，一些对象存储系统还采用了纠删码（Erasure Coding）技术，通过将数据分割成多个片段，并添加冗余信息，在允许一定数量的存储节点故障的情况下仍然能够恢复数据。

- 数据一致性：对象存储在数据一致性方面也有自己的处理方式，由于对象是通过唯一标识符进行操作的，在多用户或多应用对同一对象进行操作时，对象存储系统需要通过版本控制、锁定机制等方式来确保数据的一致性，当两个用户同时对一个对象进行更新时，对象存储系统可以通过版本控制来确保只有一个更新被成功执行，或者通过锁定机制来确保顺序操作。

5、可扩展性

- 纵向扩展：对象存储系统可以通过升级存储节点的硬件（如增加磁盘容量、升级CPU等）来实现纵向扩展，在一个企业内部的对象存储系统中，可以将存储节点的磁盘从较小容量升级到较大容量，以增加单个节点的存储容量，与块存储类似，纵向扩展也有一定的局限性，当达到存储节点的物理极限时，继续纵向扩展可能会面临成本和性能的问题。

- 横向扩展：对象存储在横向扩展方面具有很强的优势，通过添加更多的存储节点到对象存储系统中，可以轻松地扩展存储容量和性能，在云对象存储环境中，这种横向扩展能力可以满足海量数据的存储需求，当企业的数据量不断增长时，可以简单地增加新的存储服务器到对象存储集群中，系统会自动将新的数据分配到新的节点上，不需要复杂的重新配置过程。

四、块存储与对象存储在底层的比较

1、数据管理复杂度

- 块存储：由于块存储是基于固定大小的块进行管理，操作系统需要直接管理文件系统在这些块上的布局，这增加了数据管理的复杂度，在磁盘空间分配方面，需要考虑块的分配策略，以避免磁盘碎片的产生，在多主机共享块存储时，需要处理数据一致性等复杂问题，如在集群文件系统中，需要确保不同主机对同一文件块的读写操作的正确性。

- 对象存储：对象存储将数据和元数据作为一个整体进行管理，并且采用扁平的结构，大大简化了数据管理的复杂度，用户不需要关心对象在存储系统中的物理位置，只需要通过对象的唯一标识符进行操作，对象存储系统负责对象的存储、检索和元数据管理，这种方式使得大规模数据的存储和管理更加高效。

2、存储效率

- 块存储：块存储在存储效率方面可能会受到磁盘碎片的影响，随着时间的推移，文件的写入和删除操作可能会导致磁盘上的块分布不均匀，产生磁盘碎片，这会降低磁盘的有效利用率，并且可能影响读写性能，通过定期的磁盘碎片整理等操作可以在一定程度上提高存储效率。

- 对象存储：对象存储由于采用了对象的概念，每个对象是一个独立的整体，不存在类似磁盘碎片的问题，对象存储系统可以根据对象的大小和访问频率等因素进行优化存储，例如采用不同的存储策略（如将频繁访问的小对象存储在高速存储介质中）来提高存储效率。

3、成本效益

- 块存储：块存储的成本效益在不同场景下有所不同，对于需要高性能、低延迟的应用场景（如企业级数据库应用），块存储的成本可能相对较高，因为需要配备高速的磁盘、高性能的存储控制器等硬件设备，在一些对成本比较敏感的小规模应用场景中，如果可以利用现有的硬件资源（如普通的磁盘阵列），块存储也可以提供相对较低成本的存储解决方案。

- 对象存储：对象存储在大规模数据存储方面具有较好的成本效益，由于其横向扩展能力强，可以通过添加低成本的存储节点来扩展存储容量，在云对象存储中，企业可以根据自己的需求选择不同的存储套餐，随着数据量的增加，成本的增长相对较为平缓，对象存储不需要像块存储那样复杂的硬件配置来满足高性能需求，降低了硬件成本。

4、安全性

- 块存储：块存储的安全性主要依赖于存储系统本身的安全机制，如访问控制列表（ACL）、加密等，在多主机共享块存储的情况下，需要确保每个主机对块的访问权限得到严格控制，在企业的存储区域网络（SAN）中，通过设置不同的用户和组对不同的LUN（Logical Unit Number，逻辑单元号，是块存储的一种标识）的访问权限来保障数据安全，块存储设备可以采用磁盘加密技术来防止数据在磁盘上的非法访问。

- 对象存储：对象存储的安全性也包括访问控制和数据加密等方面，通过对象存储接口，可以设置对象级别的访问权限，不同的用户或应用只能访问其具有权限的对象，对象存储系统也可以对对象进行加密，并且由于对象存储的分布式特性，数据在传输和存储过程中的安全性可以通过多副本和数据冗余机制得到增强，在云对象存储中，数据在不同的数据中心之间传输和存储时，多副本机制可以防止数据因单个节点故障或网络攻击而丢失。

5、底层技术实现难度

- 块存储：块存储的底层技术实现难度相对较高，它需要处理磁盘I/O操作、数据块的分配和管理、存储协议（如FC、iSCSI等）的实现等复杂问题，在构建一个高性能的块存储系统时，需要考虑磁盘的性能优化、缓存策略、数据一致性协议等多方面的技术因素，在设计一个企业级的磁盘阵列时，需要精确计算磁盘的读写速度、缓存命中率等参数，以确保系统的高性能和可靠性。

- 对象存储：对象存储的底层技术实现也有一定的挑战，但相对块存储来说，在某些方面可能更容易一些，对象存储主要关注对象的存储、检索和元数据管理，以及基于HTTP等网络协议的接口实现，虽然对象存储也需要处理分布式系统中的数据一致性、多副本管理等问题，但由于其采用了扁平的对象结构和基于网络的访问方式，在大规模数据存储和管理方面具有一定的优势，在构建一个云对象存储系统时，可以利用现有的网络技术和开源框架（如Ceph的对象存储部分）来简化开发和实现过程。

五、结论

块存储和对象存储在底层有着各自的特性和优势，很难简单地说哪一种在底层是最好的，块存储在随机I/O性能、直接访问方式等方面适合于对性能要求极高、需要低延迟的企业级应用，如数据库系统，它在传统的企业存储架构中有着根深蒂固的地位，但其数据管理复杂度较高、存储效率可能受磁盘碎片影响等问题也较为明显。

对象存储则在大规模数据存储、可扩展性、数据管理简单性等方面表现出色，适合于互联网应用、大数据存储等场景，其基于HTTP的访问方式和扁平的对象结构使得它在云计算、物联网等新兴领域有着广泛的应用前景，在成本效益方面，对象存储在大规模存储时更具优势。

在实际的存储需求中，企业和开发者需要根据具体的应用场景、性能要求、成本预算、数据规模等多方面因素综合考虑，选择最适合自己的存储方式，甚至在某些复杂的存储架构中，可以将块存储和对象存储结合使用，以发挥各自的优势，在企业的混合云存储架构中，可以将块存储用于核心业务系统（如数据库）的本地存储，以确保高性能和数据安全，同时利用对象存储来存储海量的非结构化数据（如文件、图片、视频等），以满足数据增长和成本控制的需求。