什么是云原生存储

云原生是一种开发和运行软件应用程序的新范式，它融合了云计算、容器化、Serverless 和微服务等技术趋势。云原生存储是一种旨在用于云原生环境的存储技术。

云原生存储平台可以存储管理有状态应用程序的数据，并解决 Kubernetes 或其它基于云原生环境的基础设施中一直存在的数据存储挑战问题。分布式架构中的对象存储可以基于现代对象存储、块存储或传统磁盘驱动器提供数据存储服务。

云原生应用和传统应用并没有一个标准的划分界限，其描述的是一种技术倾向，即越符合以下特征的应用越云原生化：

• 应用容器化
• 服务网格化
• 声明式 API
• 运行可弹性扩展
• 自动化的 DevOps
• 故障容忍和自愈
• 平台无关，可移植的

云原生应用是一簇应用特征能力的集合，而实现了这些能力的应用在可用性、稳定性、扩展性、性能等核心能力都会有大幅的优化。优异的能力代表了技术的方向，云原生应用正在引领各个应用领域实现云原生化，同时也在深刻改变着应用服务的方方面面。存储作为应用运行的基石，也在服务云原生化过程中遇到了更多的需求与挑战。

云原生存储的主要特点

云原生存储的关键特性如下：

高可用性

云原生存储必须在高需求中可用。存储系统需要具有即使在事件失败时也能访问数据的功能——无论是在传输系统、存储介质、控制器还是其他组件中。存储高可用性的 3 个要素：

• 在其它存储设备上，维护数据的复制副本。
• 在任何故障情况下，冗余设备都会处理故障转移。
• 故障组件可以修复和恢复。

以下几个是衡量高可用性的指标：

• 恢复时间目标 (RTO) - 从故障到服务恢复的时间。
• 恢复点目标 (RPO)：最新的数据副本有多近？它会影响在发生故障时可能丢失的大部分数据。
• 正常运行时间百分比：服务启动和可用总时间的百分比。
• 平均故障间隔时间 (MTBF)：故障发生的频率。
• 平均恢复时间 (MTTR)：服务从故障中恢复所需的时间。

可扩展性

云原生存储可以轻松灵活扩展。存储系统的可扩展性可以从 4 个维度来定义：

• 客户端可扩展性：有能力增加访问存储系统的客户端和用户的强度。
• 吞吐量可扩展性：能够以更高的吞吐量运行，以 MB/s或 GB/s为单位，或通过同一接口每秒同时进行大量操作。
• 容量可扩展性：具有在单次部署中增加存储系统的存储容量的能力。
• 集群可扩展性：可以根据需要通过添加更多组件来增加存储组件。

存储性能

云原生存储应该支持可预测的、可扩展的性能，服务水平通常从以下角度进行衡量。

• 完成读/写操作的时间。
• 每秒最大存储操作数。
• 数据的吞吐量，以 MB/s 或 GB/s 为单位存储或检索。

一致性

云原生存储应该支持如下的一致性：

• 在写、更新或删除操作之后，读操作应该返回正确和更新的数据。
• 系统“强一致性”：修改数据返回完成后，从客户端读取立马能够读取最新的数据，相比弱一致性。
• 系统“最终一致性”：修改数据返回完成后，从客户端读取可能不是读取最新的数据，要过一会可能才能读取到最新的数据。

在一致性系统中，读取延迟可以被视为恢复点目标 (RPO)，因为这代表了组件故障时数据丢失最多的情况。

耐用性

云原生存储应该是持久的，需要保护数据免受任何丢失。不仅仅是可访问性，存储系统要确保数据可以长期存储。一些因素会影响存储系统的耐用性：

• 数据保护层，例如可用的多个数据副本。
• 冗余级别——本地冗余、远程站点冗余、公有云可用区冗余以及区域冗余。
• 存储介质的耐用特性——例如 SSD、旋转磁盘、磁带。
• 系统能够检测由于组件故障、流量溢出等导致的损坏，并自动重建或恢复损坏的数据。

动态部署

动态部署是云原生存储系统的最终理想标准，可以根据需要快速部署或配置，也可以通过多种方式进行部署和实例化，其中包括：

• 硬件部署：部署在数据中心的物理存储设备。使用此部署模型来构建标准化组件，这些组件无需特殊配置即可添加到集群中、需要时进行交换和删除。
• 软件部署：存储组件被定义为软件组件部署在硬件、设备或云实例上。无论是本地环境还是云环境，云原生软件解决方案通常都可以安装。一些软件定义的存储系统被构建为容器，并且可以使用容器编排自动部署。
• 云服务：这些云服务可以由公有云提供商管理并作为服务交付，抽象了底层存储实现。用户可以通过使用 Web 界面或 API，配置新实例或额外存储。

云原生存储解决方案

云原生存储的最佳解决方案定义如下：

公有云存储

公有云可以提供一系列云原生存储选项，包括对象存储（例如 Amazon S3 或 青云QingCloud 对象存储）、基于云的文件共享以及附加到计算实例的托管磁盘。

私有云存储

每当公司构建私有云时，他们通常会倾向于选择具有简单可扩展性、高可靠性和便利性特性的商业云存储服务商。大多数服务商提供部署支持和运营与维护 (O&M) 服务。随着云原生存储需求的增长，私有云基础设施供应商提供了最成熟的云原生接口，允许本地资源消耗云存储。

自行维护的存储服务

公司可以在内部构建的存储服务类型主要有 2 种：块存储和简单文件存储。

Ceph RBD 和存储区域网络 (SAN) 被认为是相对成熟的块存储解决方案，但是由于它们的复杂性，通常需要专门的支持和维护团队。

决定要创建自己的分布式存储系统的公司可以选择 GlusterFS、NFS 和 CephFS 等服务做文件存储。NFS 相对成熟，但不足以解决高性能应用需求。GlusterFS 和 CephFS 通常无法满足关键任务应用程序所需的性能和可靠性。

本地云原生存储的一个新趋势是 S3 兼容存储——支持 S3 API 的本地存储设备。

本地存储

云原生应用程序中也有很多用例使用分布式存储服务意义不大，比如云原生系统中的边缘设备或组件，使用本地存储的 2 种常见情况：

• 数据库：云原生应用程序仍然使用传统数据库，包括 SQL 和 NoSQL。在许多情况下，云原生存储提供数据库所需的吞吐量和高性能。因此，数据库这时可能已经被设置为冗余，从而无需高可用性。
• 缓存：在大多数情况下，组件使用本地存储作为临时信息的缓存，不需要持久化以保护数据。临时存储是容器使用的最常见示例，当容器关闭时它会被擦除。