一文了解 K8s 持久化存储主流架构优劣势

当今云原生环境中，Kubernetes（K8s）已成为既定的容器编排工具。随着 K8s 的普及，存储也成为 K8s 用户关注的一个重要问题：为了满足不同的场景需求，K8s 可以支持基于不同架构的多种存储方案。这些方案间有什么区别？用户应如何选择？本文将从架构角度出发，详细介绍本地磁盘、CSI 外接商用存储、K8s 原生存储 3 种 K8s 持久化存储方案，并在文末对比分析各个方案的能力与优劣势。

本地磁盘

首先，K8s 支持用户直接将本地盘插到服务器上作为存储设备。由于磁盘和应用系统中间的 I/O 路径最短，本地磁盘可以提供最佳的性能。同时 RAID 提供了一定程度的可靠性的保证，可以避免因单个磁盘故障而导致的数据丢失。因此，目前有大量用户采用这种方式为有状态的应用提供存储服务。

但同时，本地磁盘方案也在可用性和扩容方面存在着巨大的缺陷：

• 本地磁盘无法提供节点级别的高可用，当物理节点发生故障时，应用无法被恢复到其他节点。如果业务系统有节点级高可用的要求，则必须由业务系统自己实现数据层面的高可用，这极大地增加了业务系统的复杂度。
  

• 本地磁盘也无法满足 K8s 环境下的业务敏捷性需求：业务使用的存储空间受限于本地磁盘的大小，达到磁盘空间的上限后，增加磁盘的操作步骤复杂，要想使用新增的硬盘空间，必须手工修改 Pod 中的配置，难以实现敏捷的平滑扩容。此外，要想对物理节点内的硬盘实现高可用，就需要部署 RAID，这也是相当费时、费力、费钱的方案，难以实现在短时间内为大量的应用系统配置足够的存储容量。

此外，该方案无论是部署还是故障后的修复，都需要大量人力的参与，这使得本地存储方案的运维成本大大提高。同时由于节点间的存储空间无法共享，也很容易造成存储空间的浪费。

总的来说，本地磁盘的方案只适合在业务容器化的初期阶段进行小规模试用，或者作为较低重要性的数据存储使用，难以在大规模生产场景下被广泛使用。

CSI 外接商用存储

为 K8s 提供持久化存储的另一种方式是通过容器存储接口（CSI）将 K8s 平台与底层存储基础设施连接起来，从而允许 K8s 动态调配和配置存储、实现存储操作自动化。国际分析机构 GigaOm 将这些外接存储方案进一步划分为商用存储（Enterprise Storage）和 K8s 原生存储（Kuernetes-Native Storage）两个类型。

商用存储既包括软件定义式存储（如分布式存储），也包括传统的集中式存储。与专为 K8s 环境而设计的 K8s 原生存储不同，商用存储通常情况下主要为裸金属和虚拟化环境服务，由于在企业中被广泛使用，通过 CSI 插件让商用存储获得容器存储支持能力，是非常方便且经济的选择。

然而，正因为商用存储在本质上更侧重虚拟化时代的功能特性，一些厂商推出的存储方案对云原生环境的支持能力仍有欠缺。另外值得注意的是，CNCF 认可的“云原生存储”不仅包含 K8s 原生存储，也包含基于不同架构的商用存储方案，产品间特性与性能差异较大，因此需要用户多加甄别。

外接集中式存储

K8s 集群外接集中式存储提供了可远程访问共享存储的能力。和本地磁盘的方案相比，集中式存储解决了应用系统高可用的问题，当业务 Pod 所在的服务器发生故障时，可以通过共享存储在其他节点上把应用拉起来，很多基于集中式存储的商用存储方案也提供快照、克隆、容灾等高级功能。此外，由于数据集中存储，也一定程度解决了本地存储对磁盘空间浪费的问题。

然而，传统集中式存储的架构（存储控制器加盘柜的形式）决定了它不能很好满足云原生高并发与敏捷性需求：

• 尽管集中式存储可以为单个业务系统提供较高的性能保证，但是当面临大量业务并发访问时，存储控制器则成为了性能瓶颈。如果想要满足大量业务对性能需求，需要采用多套集中式存储系统，存储系统的管理成本也会急剧上升。

• 有碍于盘柜形式，集中式存储扩展能力较差，运维工作量较大，也难以应对短时间内大量 Volume 的并发创建和销毁需求，缺少云原生敏捷性。

外接分布式存储

通过将数据分散存储在网络上的多台独立设备上，分布式存储具有优秀的横向扩展能力和敏捷性，在对接基于分布式计算架构的云原生应用时，性能和高可用方面也远优于集中式存储。Gartner 在《如何在容器与 Kubernetes 环境进行存储选型和实践》分析报告中也强调，云原生数据服务应该使用的存储必须“基于分布式架构，可以任意规模部署”。

不过，市面上可用于 K8s 的分布式存储方案鱼龙混杂，一些产品仅基于开源技术简单包装，其性能、稳定性以及对 K8s 环境的支持能力都难以达到生产级别的标准。建议用户关注具备自研技术的存储方案，并以“生产级”为标准全方位评估产品性能、可用性、可靠性、安全性和可维护性。

K8s 原生存储

K8s 原生存储是专为支持容器而构建的存储方案。这种存储与 K8s 的集成程度更深，具有容器级别的数据服务粒度和自动化存储资源运维能力，也因此能够为 K8s 上的容器应用提供灵活扩展能力与自动化运维能力。

更多关于 K8s 原生存储的特性与能力，请参考这篇内容：一文看懂 K8s 持久化存储、云原生存储、容器原生存储、K8s 原生存储有何区别。

目前，主流 K8s 原生存储主要有两种类型：开源产品（以 Rook（基于 Ceph）和 Longhorn 为代表）和闭源商用产品（以 Portworx 和 IOMesh 为代表）。这两种方案都能提供 K8s 原生的数据存储功能，也各有利弊：开源产品没有采购成本，具有技术实力的客户可以自行开发，具有社区支持，但若出现严重故障或漏洞，很难像商业厂商那样通过专业团队提供快速相应、深度解决问题的服务支持。

另外，通过性能测试可以看出，目前基于自研闭源技术的 K8s 存储方案，在性能和稳定性方面要优于开源产品。欲了解测试详情，请参考文章《主流 K8s 持久化存储方案特性与性能对比（Longhorn / Rook / OpenEBS / Portworx / IOMesh）》。

总结：不同架构的 K8s 持久化存储方案优劣势分析

基于以上分析，结合 K8s 支撑生产级核心应用系统的存储需求（以常见的数据服务为业务场景），我们通过下面的表格整理了各个存储方案在架构、性能、存储资源共享*、扩展性、高可用、安全性、运维难度、K8s 原生支持**等方面的能力，供读者参考。

* 指支持有状态应用跨节点灵活调度、多 Pod 存储同时读写。

** 指与 K8s 紧密集成，可充分发挥 K8s 轻量化、自动化、标准化、敏捷等优势。

由此可见，K8s 原生存储对 K8s 环境有状态应用的支持能力，总体来说更具优势。目前，国内首款 K8s 原生的企业级分布式存储是志凌海纳 SmartX 推出的 IOMesh。IOMesh 以 SmartX 自主研发并经过生产环境验证的分布式块存储为核心，基于容器化部署模式，可无缝融入 K8s 原生的开发和运维体系，对 K8s 集群内的存储资源进行整合与管理，为运行在 K8s 集群上的各类有状态应用提供稳定、高性能的持久化存储资源。

欲了解方案详情，您可阅读：国内首款 K8s 原生的企业级分布式存储 IOMesh 企业版正式发布，或扫描下方二维码，获取《IOMesh 用户指南》。

参考文章：

1. Key Criteria for Evaluating Kubernetes Data Storage Solutions v4.0，GigaOm，2023

https://research.gigaom.com/report/key-criteria-for-evaluating-kubernetes-data-storage-solutions/

2. How Do I Approach Storage Selection and Implementation for Containers and Kubernetes Deployments，Gartner，2022

https://www.gartner.com/document/4013517

推荐阅读：