Block Storage là gì? Ưu nhược điểm, Ứng dụng và So sánh

Block Storage là giải pháp lưu trữ dữ liệu dạng khối, mang lại hiệu năng cao và độ trễ thấp. Bài viết này sẽ đi sâu vào nguyên tắc hoạt động, ưu nhược điểm, ứng dụng thực tế và so sánh Block Storage với các loại lưu trữ khác. Bạn sẽ tìm hiểu về các giao thức liên quan như iSCSI, Fibre Channel, NVMe và các nhà cung cấp dịch vụ hàng đầu như AWS, GCP, Azure. Hãy cùng InterData khám phá chi tiết để hiểu rõ hơn về công nghệ lưu trữ mạnh mẽ này.

Block Storage là gì?

Block Storage là một công nghệ lưu trữ dữ liệu mà trong đó, dữ liệu được chia nhỏ thành các khối (block) có kích thước bằng nhau và được lưu trữ độc lập. Mỗi khối này có một địa chỉ riêng biệt, cho phép hệ thống truy cập trực tiếp vào từng khối dữ liệu mà không cần thông qua hệ thống tệp tin, giống như truy cập trực tiếp vào từng “ô nhớ” trên ổ cứng.

Nguyên tắc hoạt động của Block Storage

Block Storage hoạt động dựa trên việc chia nhỏ dữ liệu thành các khối (block) có kích thước cố định và gán cho mỗi khối một địa chỉ duy nhất. Hệ điều hành hoặc ứng dụng có thể truy cập trực tiếp vào từng khối thông qua địa chỉ này, mà không cần phải thông qua hệ thống quản lý tệp tin phức tạp. Quá trình chia nhỏ và đánh địa chỉ rất quan trọng.

Quá trình chia nhỏ này tương tự như việc bạn chia một cuốn sách thành các trang riêng lẻ. Mỗi trang được đánh số (địa chỉ) và bạn có thể mở trực tiếp đến trang cần thiết mà không cần phải đọc từ đầu đến cuối. Kích thước của mỗi khối (block size) thường là cố định, ví dụ như 4KB, 8KB, hoặc 16KB, tùy thuộc vào cấu hình hệ thống.

Khi hệ điều hành hoặc ứng dụng cần ghi dữ liệu, dữ liệu sẽ được chia thành các khối có kích thước phù hợp. Sau đó, hệ thống lưu trữ sẽ tìm các khối trống trên ổ đĩa và ghi dữ liệu vào đó. Thông tin về vị trí của các khối này (địa chỉ) sẽ được lưu lại trong một bảng quản lý (có thể coi như mục lục).

Khi cần đọc dữ liệu, hệ điều hành hoặc ứng dụng sẽ gửi yêu cầu đọc kèm theo địa chỉ của khối dữ liệu cần truy cập. Hệ thống lưu trữ sẽ dựa vào bảng quản lý để xác định vị trí của khối trên ổ đĩa và đọc dữ liệu từ đó. Quá trình này diễn ra rất nhanh chóng, mang lại hiệu năng cao.

Một điểm quan trọng cần lưu ý là Block Storage không tự quản lý metadata (siêu dữ liệu) như tên tệp, loại tệp, quyền truy cập, v.v… Việc quản lý metadata là trách nhiệm của hệ điều hành hoặc ứng dụng sử dụng Block Storage. Điều này khác biệt so với File Storage, nơi hệ thống tệp tin tự động quản lý metadata cho bạn.

Ví dụ, khi bạn tạo một cơ sở dữ liệu trên Block Storage, hệ quản trị cơ sở dữ liệu (ví dụ: MySQL, PostgreSQL) sẽ chịu trách nhiệm quản lý cấu trúc dữ liệu, bảng biểu, chỉ mục,… bên trong các khối dữ liệu. Block Storage chỉ đơn giản cung cấp không gian lưu trữ “thô” và cơ chế truy cập nhanh chóng đến từng khối.

Những ưu điểm của Block Storage

Block Storage mang lại nhiều lợi ích quan trọng, đặc biệt là về hiệu năng, độ trễ, tính linh hoạt và khả năng mở rộng. Những ưu điểm này làm cho Block Storage trở thành lựa chọn hàng đầu cho nhiều ứng dụng, đặc biệt là các ứng dụng yêu cầu khắt khe về tốc độ và độ tin cậy. Sau đây là chi tiết các ưu điểm.

1. Hiệu năng cao

Block Storage cung cấp hiệu năng vượt trội so với các hình thức lưu trữ khác nhờ vào cơ chế truy cập trực tiếp vào từng khối dữ liệu. Không cần phải thông qua hệ thống tệp tin phức tạp, giảm thiểu đáng kể thời gian xử lý và độ trễ. Việc này giống như việc bạn có thể lấy đồ vật trực tiếp từ kệ, thay vì phải tìm kiếm trong nhiều ngăn tủ.

2. Độ trễ thấp

Độ trễ (latency) của Block Storage rất thấp, điều này đặc biệt quan trọng đối với các ứng dụng yêu cầu thời gian phản hồi nhanh. Ví dụ, cơ sở dữ liệu cần xử lý hàng nghìn giao dịch mỗi giây, hay các ứng dụng trò chơi trực tuyến cần phản hồi tức thì với hành động của người chơi. Độ trễ thấp giúp đảm bảo trải nghiệm mượt mà.

3. Tính linh hoạt

Block Storage có tính linh hoạt cao, có thể được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau. Từ việc lưu trữ hệ điều hành, chạy máy ảo, đến lưu trữ dữ liệu cho các ứng dụng đòi hỏi hiệu năng cao như cơ sở dữ liệu, xử lý video, và phân tích dữ liệu lớn. Sự linh hoạt này mang lại khả năng ứng dụng rất rộng.

4. Khả năng mở rộng

Khả năng mở rộng dễ dàng là một ưu điểm khác của Block Storage. Khi nhu cầu lưu trữ tăng lên, bạn có thể thêm ổ cứng hoặc mở rộng dung lượng volume (phân vùng) một cách tương đối đơn giản. Điều này giúp các doanh nghiệp dễ dàng đáp ứng với sự phát triển của dữ liệu mà không cần phải thay đổi toàn bộ hệ thống lưu trữ.

5. Độ tin cậy

Block Storage thường được sử dụng kết hợp với công nghệ RAID (Redundant Array of Independent Disks). RAID giúp bảo vệ dữ liệu bằng cách sao chép dữ liệu lên nhiều ổ cứng khác nhau. Nếu một ổ cứng bị hỏng, dữ liệu vẫn an toàn và hệ thống vẫn có thể tiếp tục hoạt động bình thường, đảm bảo tính sẵn sàng cao và giảm thiểu nguy cơ mất mát dữ liệu.

Những nhược điểm của Block Storage

Mặc dù Block Storage có nhiều ưu điểm vượt trội, nó cũng tồn tại một số hạn chế nhất định. Các nhược điểm này chủ yếu liên quan đến độ phức tạp trong quản lý, chi phí đầu tư, khả năng chia sẻ dữ liệu hạn chế và thiếu siêu dữ liệu (metadata) tích hợp. Việc hiểu rõ những nhược điểm này giúp đưa ra lựa chọn lưu trữ phù hợp.

1. Quản lý phức tạp

Block Storage đòi hỏi kiến thức kỹ thuật để cấu hình, quản lý và tối ưu hóa. Người quản trị cần phải hiểu rõ về các khái niệm như LUN (Logical Unit Number), volume, RAID, và các giao thức kết nối (iSCSI, Fibre Channel). Việc cấu hình sai có thể dẫn đến mất dữ liệu hoặc giảm hiệu năng hệ thống, đây là một rủi ro đáng lưu ý.

2. Chi phí cao

So với Object Storage, Block Storage thường có chi phí cao hơn tính trên mỗi đơn vị dung lượng lưu trữ (ví dụ: $/GB). Điều này đặc biệt đáng kể khi triển khai các hệ thống lưu trữ lớn. Chi phí không chỉ bao gồm giá thành của ổ cứng mà còn cả chi phí cho hạ tầng mạng (nếu sử dụng SAN) và các phần mềm quản lý liên quan.

3. Khó chia sẻ dữ liệu

Block Storage gặp khó khăn trong việc chia sẻ dữ liệu giữa các hệ thống khác nhau. Thông thường, một volume Block Storage chỉ có thể được gắn (mount) vào một máy chủ tại một thời điểm. Để chia sẻ dữ liệu, cần phải sử dụng các giải pháp phức tạp hơn như hệ thống tệp tin mạng (Network File System – NFS) hoặc giao thức iSCSI, Fibre Channel.

4. Thiếu Metadata

Block Storage không tự quản lý metadata (siêu dữ liệu) như tên tệp, loại tệp, quyền truy cập. Việc quản lý metadata là trách nhiệm của hệ điều hành hoặc ứng dụng sử dụng Block Storage. Điều này có nghĩa là Block Storage chỉ cung cấp “không gian lưu trữ thô”, còn việc tổ chức và quản lý dữ liệu bên trong là do lớp trên đảm nhiệm.

So sánh Block Storage với các loại lưu trữ khác

Để hiểu rõ hơn về Block Storage, việc so sánh nó với hai loại lưu trữ phổ biến khác là File Storage và Object Storage là rất cần thiết. Mỗi loại lưu trữ có những đặc điểm, ưu nhược điểm riêng, phù hợp với các trường hợp sử dụng khác nhau. Dưới đây là bảng so sánh chi tiết.

Tiêu chí	Block Storage	File Storage	Object Storage
Đơn vị lưu trữ	Khối (Block) có kích thước cố định	Tệp tin (File) và thư mục (Folder)	Đối tượng (Object) bao gồm dữ liệu, metadata và ID
Cách truy cập	Trực tiếp thông qua địa chỉ khối, không qua hệ thống tệp tin	Thông qua đường dẫn tệp tin (ví dụ: /home/user/documents/file.txt)	Thông qua API (thường là HTTP) và ID đối tượng
Metadata	Không tự quản lý metadata, metadata do hệ điều hành hoặc ứng dụng quản lý.	Hệ thống tệp tin quản lý metadata (tên tệp, ngày tạo, quyền truy cập,…)	Mỗi đối tượng có metadata riêng, có thể tùy chỉnh và mở rộng
Hiệu năng	Cao, độ trễ thấp	Trung bình	Thấp hơn so với Block Storage và File Storage (do phải xử lý metadata và truy cập qua API)
Khả năng mở rộng	Tốt, nhưng phức tạp hơn so với Object Storage	Tốt, nhưng có thể gặp giới hạn về số lượng tệp tin/thư mục trong một hệ thống	Rất tốt, dễ dàng mở rộng bằng cách thêm node
Chia sẻ dữ liệu	Khó, thường chỉ gắn được vào một máy chủ tại một thời điểm	Dễ, hỗ trợ chia sẻ qua mạng (ví dụ: NFS, SMB/CIFS)	Dễ, có thể truy cập từ bất kỳ đâu thông qua API
Chi phí	Cao (tính trên dung lượng lưu trữ)	Trung bình	Thấp (tính trên dung lượng lưu trữ)
Ứng dụng	Cơ sở dữ liệu, máy chủ ảo, ứng dụng hiệu năng cao, boot volume, hệ thống SAN	Lưu trữ tệp tin, chia sẻ dữ liệu, web server, ứng dụng văn phòng	Lưu trữ dữ liệu phi cấu trúc (hình ảnh, video, tài liệu), backup/archive, ứng dụng web, phân phối nội dung (CDN), Big Data
Ví dụ	AWS EBS, Google Persistent Disk, Azure Managed Disks, ổ cứng SSD/HDD trong máy tính	NAS (Network Attached Storage), ổ cứng gắn ngoài, hệ thống tệp tin trên máy tính (NTFS, ext4,…)	AWS S3, Google Cloud Storage, Azure Blob Storage, các dịch vụ lưu trữ đám mây

Giải thích thêm:

• Metadata: Là thông tin mô tả về dữ liệu, ví dụ: tên file, ngày tạo, người tạo, kích thước, loại file…
• API (Application Programming Interface): Giao diện lập trình ứng dụng, cho phép các ứng dụng khác nhau giao tiếp và trao đổi dữ liệu.
• SAN (Storage Area Network): Mạng lưu trữ chuyên dụng, sử dụng Block Storage.
• NAS (Network Attached Storage): Thiết bị lưu trữ gắn mạng, thường dùng File Storage.

Block Storage dùng để làm gì?

Block Storage được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau nhờ vào hiệu năng cao, độ trễ thấp và tính linh hoạt của nó. Các ứng dụng chính của Block Storage bao gồm lưu trữ cơ sở dữ liệu, máy chủ ảo, các ứng dụng đòi hỏi hiệu suất cao, và nhiều trường hợp sử dụng khác trong môi trường doanh nghiệp và trung tâm dữ liệu, cụ thể:

1. Lưu trữ cơ sở dữ liệu

Block Storage là lựa chọn lý tưởng cho các hệ quản trị cơ sở dữ liệu (DBMS) như MySQL, PostgreSQL, Oracle, và Microsoft SQL Server. Các DBMS này yêu cầu tốc độ đọc/ghi dữ liệu cực nhanh và độ trễ thấp để xử lý hàng nghìn, thậm chí hàng triệu giao dịch mỗi giây. Block Storage đáp ứng được yêu cầu này nhờ vào cơ chế truy cập trực tiếp.

2. Lưu trữ máy chủ ảo (Virtual Machines)

Trong môi trường ảo hóa, Block Storage được sử dụng để lưu trữ các ổ đĩa ảo (virtual disks) cho các máy chủ ảo. Mỗi máy ảo có thể có một hoặc nhiều ổ đĩa ảo, và các ổ đĩa này được lưu trữ trên Block Storage. Điều này cho phép các máy ảo khởi động, chạy hệ điều hành và ứng dụng một cách nhanh chóng.

3. Ứng dụng hiệu năng cao

Các ứng dụng đòi hỏi hiệu suất cao như xử lý video, chỉnh sửa ảnh, thiết kế đồ họa, trò chơi trực tuyến, và các ứng dụng khoa học kỹ thuật thường sử dụng Block Storage. Những ứng dụng này cần truy cập dữ liệu nhanh chóng và liên tục, và Block Storage cung cấp hiệu năng cần thiết để đáp ứng yêu cầu này. Khả năng truy cập dữ liệu với tốc độ cao là ưu tiên.

4. Hệ thống lưu trữ SAN

Trong các doanh nghiệp lớn và trung tâm dữ liệu, Block Storage thường được sử dụng trong các hệ thống lưu trữ SAN (Storage Area Network). SAN cung cấp khả năng lưu trữ tập trung, hiệu năng cao, khả năng mở rộng và độ tin cậy cao. Block Storage là thành phần cốt lõi của SAN, cung cấp không gian lưu trữ “thô” cho các máy chủ kết nối vào SAN.

5. Boot volume

Block storage cũng được sử dụng để làm boot volume, chứa hệ điều hành. Việc sử dụng block storage giúp tăng tốc đáng kể quá trình khởi động máy tính, do hệ điều hành có thể truy cập trực tiếp vào các khối dữ liệu cần thiết mà không cần phải thông qua hệ thống tệp tin. Quá trình này tăng tốc quá trình khởi động.

Các giao thức và công nghệ liên quan Block Storage

Block Storage không hoạt động độc lập mà thường được sử dụng kết hợp với các giao thức và công nghệ khác để kết nối, truyền tải và quản lý dữ liệu. Các giao thức này đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hiệu năng, độ tin cậy và khả năng mở rộng của hệ thống lưu trữ. Dưới đây là các giao thức và công nghệ quan trọng.

1. iSCSI (Internet Small Computer System Interface)

iSCSI là một giao thức mạng cho phép truyền tải các lệnh SCSI (Small Computer System Interface) qua mạng TCP/IP. Nói một cách đơn giản, iSCSI cho phép máy tính truy cập Block Storage từ xa thông qua mạng Ethernet thông thường, thay vì phải kết nối trực tiếp. iSCSI thường được sử dụng trong các môi trường ảo hóa và lưu trữ đám mây, tạo sự linh hoạt.

2. Fibre Channel

Fibre Channel là một giao thức mạng tốc độ cao, được thiết kế đặc biệt cho các hệ thống lưu trữ SAN (Storage Area Network). Fibre Channel cung cấp băng thông lớn, độ trễ thấp và độ tin cậy cao, thích hợp cho các ứng dụng đòi hỏi hiệu suất cực cao như cơ sở dữ liệu lớn và các ứng dụng khoa học kỹ thuật. Chi phí triển khai thường cao hơn iSCSI.

3. NVMe (Non-Volatile Memory Express)

NVMe là một giao diện kết nối được thiết kế để tận dụng tối đa hiệu năng của ổ cứng SSD (Solid State Drive). So với các giao diện cũ như SATA và SAS, NVMe cung cấp tốc độ đọc/ghi dữ liệu nhanh hơn đáng kể và độ trễ thấp hơn nhiều. NVMe đang ngày càng trở nên phổ biến trong các hệ thống lưu trữ hiện đại.

4. NVMe-oF (NVMe over Fabrics)

NVMe-oF mở rộng giao thức NVMe qua mạng (ví dụ: Fibre Channel, Ethernet, InfiniBand), cho phép truy cập Block Storage từ xa với hiệu năng gần tương đương kết nối trực tiếp. NVMe-oF kết hợp ưu điểm của NVMe (hiệu năng cao) và mạng lưu trữ (khả năng mở rộng, chia sẻ tài nguyên), mở ra những khả năng mới cho các trung tâm dữ liệu hiện đại.

5. RAID (Redundant Array of Independent Disks)

RAID là công nghệ kết hợp nhiều ổ cứng vật lý thành một hệ thống lưu trữ logic duy nhất. Mục đích của RAID là tăng cường độ tin cậy (bằng cách sao chép dữ liệu trên nhiều ổ cứng) và/hoặc tăng hiệu năng (bằng cách phân chia dữ liệu trên nhiều ổ cứng). Có nhiều loại RAID khác nhau (RAID 0, RAID 1, RAID 5, RAID 6, RAID 10,…).

Những nhà cung cấp dịch vụ Block Storage nổi bật

Nhiều nhà cung cấp dịch vụ đám mây lớn cung cấp dịch vụ Block Storage như một phần trong danh mục sản phẩm của họ. Các dịch vụ này thường được tích hợp chặt chẽ với các dịch vụ điện toán đám mây khác, cho phép người dùng dễ dàng tạo, quản lý và kết nối Block Storage với các máy chủ ảo. Dưới đây là một số nhà cung cấp nổi bật.

1. Amazon Web Services (AWS)

Amazon EBS (Elastic Block Storage) là dịch vụ Block Storage của AWS. EBS cung cấp nhiều loại volume khác nhau, tối ưu hóa cho các trường hợp sử dụng khác nhau (ví dụ: General Purpose SSD, Provisioned IOPS SSD, Throughput Optimized HDD). EBS được tích hợp chặt chẽ với các dịch vụ khác của AWS như EC2 (Elastic Compute Cloud), cho phép dễ dàng gắn volume vào máy ảo.

2. Google Cloud Platform (GCP)

Google Persistent Disk là dịch vụ Block Storage của GCP. Persistent Disk cung cấp hiệu năng cao, độ tin cậy và khả năng mở rộng. Người dùng có thể lựa chọn giữa các loại ổ đĩa SSD và HDD, tùy thuộc vào nhu cầu về hiệu năng và chi phí. Persistent Disk được tích hợp với Google Compute Engine, dịch vụ máy ảo của GCP.

3. Microsoft Azure

Azure Managed Disks là dịch vụ Block Storage của Microsoft Azure. Managed Disks cung cấp các loại ổ đĩa khác nhau (Standard HDD, Standard SSD, Premium SSD, Ultra Disk) để đáp ứng các yêu cầu về hiệu năng và chi phí khác nhau. Azure Managed Disks được tích hợp với Azure Virtual Machines, giúp đơn giản hóa việc quản lý lưu trữ cho máy ảo.

4. Các nhà cung cấp khác

Ngoài ba “ông lớn” trên, còn có nhiều nhà cung cấp dịch vụ Block Storage khác, chẳng hạn như DigitalOcean, Vultr, Linode, IBM Cloud, Oracle Cloud Infrastructure. Các nhà cung cấp này thường tập trung vào việc cung cấp các giải pháp đơn giản, dễ sử dụng và có giá cả cạnh tranh, phù hợp với các doanh nghiệp vừa và nhỏ hoặc các nhà phát triển cá nhân.