作者 | 李鵬（壯懷） 阿裡雲智能事業群進階技術專家
導讀：新的企業負載／智能工作負載容器化、遷雲、存儲方面遇到的性能、彈性、高可用、加密、隔離、可觀測性以及生命周期等方面的問題，不但需要存儲産品層次的改進，更需要在雲原生的控制／資料平面的改進，推進雲原生存儲和雲存儲的演進。本文将介紹一下問題場景，探讨可行的解決方案，最終得出雲原生存儲以及雲存儲目前可以做什麼和未來還需要做什麼。
引言
最近有幸參加了由 Infra Meetup 聯合 Kubernetes & Cloud Native Meetup 共同組織的面向雲原生持久化應用的 Meetup，結合最近對雲存儲、開源存儲、雲原生存儲的思考，對雲原生存儲到底是什麼，需要做些什麼，雲原生存儲未來挑戰是什麼，做了更多的反思和梳理，一家之言，分享了幾個初步觀點。
随着雲原生應用對可遷移性、擴充性和動态特性的需求，相應的，對雲原生存儲也帶來了密度、速度、混合度的要求，是以對雲存儲基本能力又提出了在效率、彈性、自治、穩定、應用低耦合、GuestOS 優化、安全等方面的訴求。
雲原生現狀
容器和雲原生計算被企業快速接納
Forrester 預測：到 2022 年， 全球組織／公司在生成環境運作容器化應用，從今天不足 30% 的比例将大幅度提升到超過 75%，企業應用容器化的趨勢勢不可擋。
另一方面，根據 IDC 對未來企業級存儲市場的增長趨勢預測：雲存儲的需求相比于 2015 年，到 2020 将會有 3 倍以上的增長，企業存儲市場中，資料管理類企業核心資料消耗的存儲所占的比例将從 15% 提升到 23%，結構化資料和 DBMS 資料在企業存儲市場中将進一步加強。
對雲原生來說，核心企業應用／智能應用，使用雲原生存儲來部署生産可用的有狀态應用，呈現加速上升趨勢。海外存儲巨頭 EMC、NetApp 擁抱雲原生，積極布局 REX-Ray flexrex、Trident 等雲原生存儲編排方案。
Kubernetes 逐漸成為雲原生時代的基礎設施
過去的一年（2018-2019）中，Kubernetes 逐漸成為雲原生時代的基礎設施，越來越多的網際網路、資料庫、消息隊列等有狀态企業核心應用，逐漸遷移到雲原生平台 Kubernetes，對不同的雲上塊存儲的性能在時延和吞吐，以及穩定性提出了不同的要求，比如：
- 毫秒級 NvME SSD 級别的穩定時延，來滿足高性能 KVstore 和資料庫需求；
- 随着應用單機部署密度的提升，對塊存儲單機密度的挑戰；
- 本地塊存儲共享，對塊存儲的彈性和隔離性也提出了更高需求。
在雲原生環境下，如何以聲明方式來滿足不同的業務場景，成為了雲原生存儲在實作控制面和資料面上的挑戰。
在智能應用 AI 場景下，高性能計算、流式計算也嘗試通過 Kubernetes 雲原生平台來部署，使用雲存儲方式來完成訓練、計算、推理等方面的工作，這對雲存儲在 Kubernetes 環境的選擇及使用方面提出了挑戰。比如，有證據表明 Spark 生态正在逐漸從 Hadoop YARN 向 Kubernetes 原生的排程器以及擴充排程器 e.g. Gang Scheuler 遷移。
在雲計算環境中：由于成本和存儲計算分離的模型，HDFS 仍然會以存儲協定的方式存在，但存儲方式會逐漸從 HDFS 的 3 副本向對象存儲（OSS，S3）遷移；GPU 多機多卡 MPI 計算、Flink 流式計算的 Kubernetes 化已經逐漸成為主流，存儲通路方式也多以對象存儲方式呈現。
但是在使用對象存儲過程中，大資料／AI 應用的計算效率仍面臨着嚴峻的挑戰：
- 減少同一節點對同一 Block 的反複拉起産生的網絡 IO；
- 減少資料的 Shuffle 産生的寫 IO；
- 實作計算對資料感覺，計算向資料遷移的就近計算。
目前的 Kubernetes 排程器以及雲存儲特性并未給出好的解決方案，是以這也給雲原生存儲在加速大資料計算、彌補 IO 吞吐不足方面提供了發揮的舞台。
大資料離線計算比如基因計算，已經通過 Kubernetes 雲原生平台來大規模的運作計算任務：對檔案存儲峰值吞吐 10GBps - 30GBps 的峰值剛性兌付，需要獨立的高吞吐的檔案存儲形态和傳遞方式在雲原生環境下的演進和變革。
容器服務成為雲原生時代基礎設施
随着企業應用上雲越來越多地選擇使用容器化方式，容器服務在不同的雲廠商中都有大幅度的業務增長，容器服務已經逐漸成為雲原生時代新的基礎設施和最佳使用雲資源的入口。雲原生存儲對雲計算／雲存儲來說也有了新的内涵，有必要重新思考雲存儲和雲原生存儲的本質差別和聯系。
雲原生存儲和雲存儲的思考
Cloud Native Storage vs Cloud Storage：
- 對立還是統一？
- 兩者之間的聯系？
- 差異和側重點？
1. 雲原生存儲 = 雲存儲 UI，面向應用的申明式應用層存儲 + 效率等能力組合
雲原生存儲聲明的六要素：
- 容量 Size；
- 性能 IOPS,、吞吐、時延；
- 可通路性，共享／獨享；
- IO 可觀測性；
- QoS；
- 多租戶隔離。
2. 分層存儲，重用基礎設施紅利，不重新發明輪子，針對新的負載類型部分存儲形态上移
3. 在控制平面實作效率、自治方面能力，最大化存儲穩定和安全
市場上的雲原生存儲
為了更好的了解在雲環境中如何建構雲原生存儲，先看幾個在 Kubernetes 企業環境中部署主流的雲原生存儲，以及對比雲存儲的形态：
- Ceph on Kubernetes with Rook
- Portworx
- OpenEBS
Ceph 是聖克魯茲加利福尼亞大學的 Sage Weil 在 2003 年開發的，也是他博士學位項目中的一部分。Ceph LTS 成熟穩定、高可用、生态強大，在雲原生時代和 Kubernets 緊密內建。Ceph 基于 RADOS（Reliable Autonomic Distributed Object Store ）的高可用存儲，在雲原生時代之前 2003 年發行起，已經廣泛生産部署的高可用存儲，支援最廣泛的塊存儲 RBD、檔案 POSIX Cephfs，以及對象存儲通路協定。
RedHat／SUSE 目前是 Ceph 最主要的商業化支援者，在多個容器平台落地案例中，RBD、CephFS 都被采用作為容器平台實施的主要存儲，用來彌補基礎雲存儲的缺失。
Rook 目前是在 Kubernetes 産品級可用的部署和運維 Ceph 編排工具。
Ceph 的基本架構由資料面 OSDs(RADOS) 和控制面 MON/RBD/RADOSGW/CEPHFS 組成，以 CRUSH Algorithm 作為核心算法處理資料備援和高可用, 上層的應用存儲通過 librados 同資料面 OSDs 直接完成資料的讀寫，能夠支援快照、備份、監控可觀測性等能力，可以通過 Rook 直接通過 Kubernetes 輸出，RedHat／SUSE 也提供獨立的叢集安裝能力。
Ceph 的一些基本架構特征和能力：
- 控制面：MON/RBD/RADOSGW/CEPHFS；
- 資料面：OSDs(RADOS)；
- 快照、備份、支援 IO 監控等存儲性能監控，支援 RBD QoS 的服務端限速能力。
Portworx 以容器服務的方式部署，每個節點稱為 PX，向下對接各種公有雲的塊存儲或者裸金屬伺服器，向上提供塊或檔案服務。
不綁定硬體形态和廠商，可接入任何一家公有雲或者自建伺服器叢集(隻需支援 iSCSI 或 FC 協定)，目前 Portworx 主打能力雲災備 DR、多雲複制，具備完備的快照(ROW)、多雲管理、同步複制（RTO，秒級）異步複制（RPO<=15min)，可以通過 Kubernetes CRD 申明方式，優雅實作持久化雲下應用帶資料自動遷移雲上能力。PX 可以獨立部署，并不強依賴 Kubernetes 的容器網絡。
Portworx 的一些基本功能／性能特征：
- 彈性擴充， PX 自動識别伺服器節點的能力，可動态排程 IO
- 控制面
- 支援主流容器編排工具：Kubernetes、Mesos、Swarm 等
- 支援 IO 級别的性能監控
- IO面
- 資料塊和中繼資料打散到不同的節點
- 使用了緩存和高性能RPC
- QOS隔離：不支援
- 根據底層存儲的特性IOPS(4k) 768 - 65024
- 時延（4k): 0.58ms - 23ms
- 增值特性
- 加密（三方秘鑰托管，傳輸加密，落盤加密），支援雲廠商KMS內建和Vault
- 快照(ROW)，多雲管理，同步複制（RTO，秒級），異步複制（RPO<=15min）
- 可擴充性 >1000個節點，>10000個Volume
- 支援拓撲感覺計算
OpenEBS 基于 Kubernetes 建構的開源版 EBS，軟體定義 PV：将各種媒體，包括本地磁盤、雲等各種存儲統一池化和管理。使用 iSCSI 作為存儲協定。沒有綁定某一個廠商的存儲，可以靈活的接入各種存儲的一個原因。從某種意義上也是更加靈活，輕量。但是強依賴容器網絡，增加了抽象層 OpenEBS layer, 寫入操作要通過抽象層，并且每個卷 PV 都有獨立的 controller，增加了額外的開銷，雖然可以做到更靈活，但相比于 Portworx、Ceph 來說，其在性能上有比較大的劣勢。
OpenEBS 的一些基本功能／性能特征：
- 控制面：擴充容器編排系統，支援超融合。相比塊而言，卷的數量多且卷的大小任意配置，更加靈活；
- 高可用：每個卷可以有多副本，資料實時同步，資料同步是在不同的存儲池間進行同步；
- 快照、備份、監控存儲性能功能；
- 和 Cloud-Native Tools 有很好的內建：可以使用雲原生工具（如 Prometheus，Grafana，Fluentd，Weavescope，Jaeger 等）來配置，監控和管理存儲資源。
了解雲存儲
盤古 vs RADOS
對比以上三種開源／企業存儲，為了更容易的了解雲存儲架構，我們把盤古的分層架構和 Ceph 存儲的分層做一個對比。
可以把 CS（Chunk Server）類比 Ceph OSDs 服務程序，把盤古的 Master 程序類比于 Ceph MDSs 程序。
把雲産品塊存儲類比于 Ceph RBD， 檔案存儲類别于 CephFS, 對象存儲類比于 RADOSGW，本地塊存儲／高性能檔案存儲 CPFS 産品暫沒有對應。
随着盤古架構的演進，和盤古 2.0 的全面推廣、使用者态 TCP 網絡協定棧的推廣、全面的 RDMA 存儲網絡、全面優化的 RPC 性能，上層産品存儲也享受到了底層存儲變革的巨大紅利，進入了亞毫秒級别時延，和百萬 IOPS 的時代，雲原生存儲也必然是要在産品存儲層次之上，能夠繼承這些能力。
雲原生存儲在公有雲和專(私)有雲中的差異
通過分析了市場上雲原生存儲，我們可以發現這些存儲都有共同的特征就是支援聲明化的 API，可以實作對性能、容量、功能等方面的度量和聲明，或多或少對品質／穩定／安全都有不同支援。
進一步來說，雲原生負載可以直接通過資料平面無損耗的使用産品存儲在容量、性能、可通路性的能力，在控制平面繼續提升面向使用者應用的 IO 可觀測性、應用級的 QoS、多租戶的隔離能力，通過控制平面接口實作 CSI／Flexvolume 等可聲明的存儲接口，并提供對部分存儲生命周期的 Operator，容器編排把業務應用和存儲粘合成為實際的負載聲明，可能是更加正确使用雲存儲的姿勢。
由于公有雲的基礎設施産品存儲的完備，可以使用更加輕量化的資料平面（virtio, nfs-utils, cpfs-sdk, oss-sdk)來通路産品存儲。
專有雲環境差異較大，部分虛拟化或者無虛拟化環境，SAN 和裸盤是主要存儲方式，需要通過類似建構 ceph RADOS 或者盤古實作 SDS，然後通過資料平面（librados／px/pv-controller）實作存儲的通路。
針對 vSphere，OpenStack，飛天所建構的專有雲，有接近于公有雲的存儲提供方式，但因為部署子產品的差異，也存在不同的控制／資料平面支援能力的差異。
簡單來說就是：
- 公有雲 Cloud Native Storage = Declarative API + Cloud Storage
- 專有雲 Cloud Native Storage = Declarative API + Native Storage
公有雲中的雲原生存儲
- 存儲分層，重用基礎設施紅利，不重新發明輪子。
- 雲原生存儲
- 提升資料平面的一緻性（kernel／OS／net／client／sdk 優化參數和版本控制）；
- 建構統一的控制平面 CSI/Flexvolume/Operator, 提供面向客戶聲明 API；
- 在排程編排層面實作拓撲感覺，實作雲盤的 zone awareness, 本地盤的 node awareness。
塊存儲
在控制平面通過與 Aliyun Linux 2 OS 結合使用 Kernel Cgroup blkio 實作程序級别的 buffer IO 控制，提升了在應用層對本地盤、雲盤的 QoS 控制的粒度。通過對本地盤的 LVM 切分可以實作對單機雲盤的密度提升。通過對挂載點／裝置 IO 名額測采集能力，實作 IO 的可觀測性。
雲原生存儲- 塊存儲的主要特征名額：
- 容量: 單盤 32TB
- 時延：0.2ms – 10ms
- IOPS: 5K – 1M
- 吞吐： 300Mbps - 4Gbps (本地 NvME ESSD: 2GBps)
- 可通路性： 單可用區獨占
- QoS：單盤隔離，程序隔離
- 多租戶： 單盤隔離
詳情見：
雲盤性能 檔案存儲
在控制平面可以通過對 Pod Security Policy 和 SecuritContext 的控制，實作應用的強制 UID／GID 控制，實作應用對檔案系統的 ACL 控制。控制平面實作對檔案系統生命周期的控制，通過對挂載點 IO 名額測采集能力，實作 IO 的可觀測性。
雲原生存儲- 檔案存儲的主要特征名額：
- 容量：單檔案系統 10PB
- 時延：100 微妙 – 10ms
- IOPS: 15K – 50K
- 吞吐： 150Mbps - 20GBps
- 可通路性： 多叢集多可用區共享
- QoS：IO 争搶
- 多租戶： PSP ACL （namespace）
CPFS 并行檔案系統
在控制平面實作對檔案系統 ACL 控制，對 QoS 提供用戶端限速的可配置性，檔案系統提供生命周期的聲明式管理能力 Operator，再進一步，在雲原生環境内實作 CPFS 檔案系統的聲明式部署。
雲原生存儲- 高性能檔案存儲的主要特征名額：
- 容量：單檔案系統 100PB
- 時延：0.5ms – 10ms
- IOPS: 50K – 1M
- 吞吐： 10Gbps - 1000GBps
- QoS：支援用戶端限速
- 多租戶： PSP ACL （namespace)
總結：雲原生存儲 v1 – 功能性
今天的雲原生存儲已經實作了在控制平面／控制平面接口對阿裡雲産品存儲的全品類支援，在資料平面也完成了大部分系統級和用戶端層的優化。但随着大量的持久化企業應用和智能化應用的容器化遷移，我們依然面臨着更多的問題和挑戰。
在整個雲原生存儲 v1 的開發過程中，感謝阿裡雲存儲團隊，在檔案存儲、塊存儲和對象存儲的通力合作和幫助，共同打造的雲原生時代的存儲。
随着雲原生應用對可遷移性，擴充性和動态特性的需求，對雲原生存儲也帶來了相應的密度，速度，混合度的要求，是以對雲存儲基本能力之上又提出了在效率，彈性，自治，穩定，應用低耦合，GuestOS優化，安全等方面的訴求。新的企業負載／智能工作負載容器化，遷雲，存儲方面遇到的性能，彈性，高可用，加密，隔離，可觀測性，生命周期等方面的問題，不但是需要存儲産品層次的改進，更需要在雲原生的控制／資料平面的改進，推進雲原生存儲和雲存儲的演進，這是對雲原生存儲v2的展望和規劃，我們會在後續文章進一步揭示這些新的場景，需求，方案以及發展方向。
“ 阿裡巴巴雲原生微信公衆号（ID：Alicloudnative）關注微服務、Serverless、容器、Service Mesh等技術領域、聚焦雲原生流行技術趨勢、雲原生大規模的落地實踐，做最懂雲原生開發者的技術公衆号。”