AI训练存储系统的架构选型演变：对象存储为后端的文件系统概论

存储系统按照抽象级别分类，分为三种：文件存储、对象存储、块存储。此处我们不讨论块存储，只讨论文件存储与对象存储。

文件存储是我们在日常生活中最熟悉的存储方式。它将数据组织成树状结构（目录/文件夹）。每个文件都位于特定的路径中，拥有文件名、大小、创建日期等有限的元数据。典型的代表有NTFS、ext4、xfs、NTFS等。访问协议有NFS、SMB/CIFS、POSIX接口。文件存储的优势在于遍历目录速度快、支持随机写操作，POSIX接口使用广泛，无需客户端进行开发适配。

而对象存储是一种扁平化的存储架构。数据不再以层级结构存储，而是被视为一个"对象"，放到一个"桶"中进行管理。每个对象包含数据、元数据和全局唯一的key来构成。典型的代表有Amazon S3, Google Cloud Storage, Tencent Cloud Object Storage, Ali OSS, ceph radosgw等。访问现已为RESTful API(基于HTTP/HTTPS)。对象存储的优势在于无限可扩展性、低成本、高可用性与持久性，便于网络访问。因此一般用于镜像仓库的存储端、海量文件的备份归档等。

AI训练存储选型的演进路线

第一阶段：单机直连时代

早期的深度学习数据集较小，模型训练通常在单台服务器或单张GPU卡上完成。此时直接将数据存储在训练机器的本地NVMe SSD/HDD上。

其优势在于IO延迟最低，吞吐量极高，也就是"数据离计算最近"。缺点也很明显：

数据孤岛：多台机器无法共享数据，数据拷贝（scp/rsync)及其耗时。

容量受限：本地磁盘容量有限。

数据安全：数据没有冗余，机器或盘挂了，数据可能就丢了。

第二阶段：传统共享存储时代（NFS/NAS）

到后来开始团队协作，训练规模也变大，则需要多机多卡分布式训练，同时出于使用方便，大家希望像操作本地文件一样操作共享数据。

此时开始以NFS（Network File System)挂载传统的NAS存储阵列来使用。

其优势在于POSIX兼容，不需要修改PyTorch/TensorFlow代码，直接读写文件路径，共享也十分便利，所有节点看到的目录结构一致。缺点则在于元数据性能瓶颈，NFS在处理海量小文件的open,lookup操作时，元数据服务器可能被瞬间打死。另外，所有计算节点抢占同一个NAS的出口带宽，也可能导致GPU等待IO，造成GPU无法维持高使用率。

第三阶段：大数据融合时代（HDFS）

Google等大厂入局，Hadoop诞生。数据存储在HDFS上，通过一些软件层面的优化将大量小图片打包成大文件，变成"顺序读"，训练代码通过API读取。这样就能够极大地利用HDFS的设计初衷：吞吐量极高、大规模顺序读，同时还能利用现成的大数据基础设施。但同样有缺点：

生态割裂：PyTorch对HDFS支持不如TensorFlow友好。

随机访问差：对于需要频繁Shuffle(随机打乱)的数据集，HDFS性能不佳。

Java开销：HDFS客户端通常较重，占用CPU资源

第四阶段：高性能并行文件系统（HPC/Parallel FS)

此时的AI领域进入超算时代，模型越来越大，对低延迟和超高带宽的要求极高。

此时的方案是借用超算（HPC）领域的Lustre或GPFS（IMB Spectrum Scale)。优点在于专为高并发设计，可以轻松喂饱数千张GPU，支持POSIX，且元数据性能极强。缺点则在于贵，运维难（Lustre等系统内合级调优十分困难，一旦集群崩溃，恢复十分困难），扩容困难，很难像云存储那样弹性伸缩。

第五阶段：存算分离与分层架构（Object Storage + Cache)

当前这个时代即云原生时代，数据集达到PB级别，成本成为了核心考量。对象存储最便宜且容量无限，但性能（尤其是元数据）不够好。此时针对元数据有了若干解决方案：

方案一：原生对象存储+格式优化

这种方案将数据存储在S3，客户端使用S3 SDK进行对接，以对象存储的接口访问文件。同时降低小文件数量，对小文件进行打包。此处的缺点则在于丧失了POSIX标准。

方案二：对象存储+高性能文件网关

这是目前的最终形态，也是本文将要讲的形态。

其底层数据存储在对象存储中（S3、COS、OSS、ceph），在用户和对象存储层中加一个中间层，作为文件系统层，负责将文件系统与对象存储的操作进行翻译转换，从而实现POSIX兼容。而最重要的是，在GPU训练节点的本地NVMe SSD上建立热数据缓存，以提升IO能力。

此时第一次读取时从对象存储拉取数据，过程稍慢，而后续的读取则可以直接走本地缓存，极快。而一些实现（如JuiceFS)将元数据独立放在Redis/TiKV中，可以完美地解决对象存储list对象的性能问题。据最新的企业版JuiceFS文档说明，当前单机文件系统已经可以支持5000亿级别文件！

本文将以"对象存储+高性能文件网关"的技术路线的现状进行分析，描述业界若干实现的设计思想，抛砖引玉。

Object Storage + Cache的一般性设计原则

本小节介绍Object Storage + Cache的一般性设计原则。在介绍之前，首先需要理清楚文件系统与对象存储的区别是什么，文件系统对接对象存储需要做哪些工作，之后才考虑性能的优化与可靠性的优化。

文件系统与对象存储的异同点分析

文件系统的核心特征如下所示：

层级结构：数据以目录树的形式组织，文件包含在目录中，目录又包含在父目录中。

寻址方式：通过路径名来访问。

数据可变性：支持原地修改。应用程序可以打开一个文件，seek到特定偏移量，然后只修改文件中间的几个字节，而无需重写整个文件。

操作接口：基于系统调用，如open(), read(), write(), seek(), close(), flock()等。

元数据：如权限、创建时间、大小与文件数据紧密绑定，通常存储在inode中。

强一致性：在单机文件系统中，写入数据后，随后的读取操作立即能看到新数据。

原子性：许多元数据操作（如rename）通常是原子的。

而对象存储的核心特征如下所示：

扁平结构：数据存储在"桶"中，没有真正的文件夹或目录层级。虽然看起来像目录，但这只是对象键名（key)中的前缀字符串。

寻址方式：通过key访问，需要结合对象存储访问域名/IP来访问。

数据不可变性：对象通常被视为原子单元。无法修改对象的中间部分。如果要修改部分数据，必须新上传一个对象来覆盖旧对象（Read-Modify-Write）。

操作接口：基于RESTful API(HTTP)，主要操作是PUT（上传/覆盖），GET（下载），DELETE（删除），HEAD（获取元数据），不支持seek或部分写入。

一致性模型：不同的对象存储实现下有不同的一致性模型。可能是强一致性（如ceph），也可能是最终一致性。

异同点如下表所示：

将对象存储（S3 协议等）挂载为本地文件系统（FUSE）是业界的常见需求，目的是为了让不支持 S3 API 的传统应用也能利用对象存储的低成本和无限容量。

由于我们在上一部分分析了"文件系统"与"对象存储"存在巨大的语义鸿沟，因此这些 FUSE 工具的核心设计难点都在于：如何用笨重的 HTTP 对象接口去模拟灵活的 POSIX 文件接口。

业界主流有两个设计流派

直接映射型（1:1 Mapping）：文件对应对象，元数据存放在对象头中。
元数据分离型（Metadata Separation）：数据存在对象存储，元数据存放在独立的数据库中。

对象存储的 FUSE 并不是完美的。直接映射型保留了数据的通用性但牺牲了性能和语义；元数据分离型重建了文件系统语义和性能，但把对象存储降级为了纯粹的"硬盘"，牺牲了数据的通用访问性。

设计优劣势分析

1. 直接映射型 (S3FS, Goofys, Rclone)

设计优点：

通用性强：写入的数据就是标准的 S3 对象。你用 S3FS 传上去的图片，可以直接用浏览器通过 S3 URL 打开，也可以被其他不使用 FUSE 的程序处理。

部署简单：无需额外部署数据库，只要有 S3 账号就能用。

无状态：客户端挂了重启即可，不依赖外部元数据服务。

设计劣势：

元数据性能灾难： S3 处理元数据非常慢。执行 ls -l 可能会很慢，还可能造成集群slow op。

重命名原子性缺失：在 S3 中没有"重命名目录"的操作。重命名一个包含 1000 个文件的目录，S3FS 需要执行 1000 次 Copy + 1000 次 Delete。这不仅慢，而且如果在中间崩溃，目录会断裂（一半在旧名，一半在新名）。

无法支持随机写/追加写：修改 1GB 文件的最后 1 个字节，S3FS 必须下载 1GB -> 修改 -> 上传 1GB。效率极低。

2. 元数据分离型 (JuiceFS)

设计优点：

极致性能：元数据操作（ls, getattr, rename）都在 Redis/SQL 中完成，延迟是微秒级，与本地文件系统无异。

完全 POSIX 兼容：通过将文件切块（Chunking），实现了对象存储本身不支持的"随机写"和"追加写"（只用重传修改过的那个 Block）。

原子性保障：重命名目录只是数据库里的一个事务，瞬间完成且原子。

缓存能力：通常带有强大的本地缓存机制（利用本地磁盘缓存 S3 的数据块）。