EBS 块存储

Amazon Elastic Block Store (EBS) 提供 EC2 实例的持久化块存储。

核心概念

什么是块存储

块存储 vs 对象存储 vs 文件存储：

块存储（EBS）
├─ 数据以块为单位存储
├─ 需要文件系统（ext4、xfs）
├─ 低延迟、高性能
└─ 适合：数据库、操作系统

对象存储（S3）
├─ 数据以对象为单位存储
├─ 通过 HTTP API 访问
├─ 无限扩展、低成本
└─ 适合：静态文件、备份

文件存储（EFS）
├─ 提供文件系统接口
├─ 支持并发访问
├─ NFS 协议
└─ 适合：共享文件、内容管理

EBS 架构

┌────────────────────────────────────┐
│        可用区 (Availability Zone)   │
│                                    │
│  ┌──────────┐      ┌──────────┐  │
│  │   EC2    │──────│   EBS    │  │
│  │ Instance │ 附加  │  Volume  │  │
│  └──────────┘      └──────────┘  │
│                                    │
│  ┌─────────────────────────────┐  │
│  │    EBS 快照（Snapshot）      │  │
│  │  存储在 S3（跨可用区）       │  │
│  └─────────────────────────────┘  │
└────────────────────────────────────┘

关键特性：

可用区级别：卷与实例必须在同一可用区
持久化：数据在实例终止后仍然保留
独立生命周期：可以独立于实例存在
可附加/分离：可以在实例间移动

EBS 卷类型

1. 通用型 SSD (gp3/gp2)

gp3（推荐）：

特性：
├─ 基准性能：3,000 IOPS，125 MB/s
├─ 可扩展：最高 16,000 IOPS，1,000 MB/s
├─ 容量：1 GB - 16 TB
├─ 价格：$0.08/GB/月（独立计费 IOPS 和吞吐量）
└─ 适合：大多数工作负载

gp2（旧一代）：

性能与容量绑定：3 IOPS/GB
最小 100 IOPS，最大 16,000 IOPS
爆发性能：小卷可临时提升到 3,000 IOPS

何时选择：

启动卷
开发/测试环境
中小型数据库
虚拟桌面

2. 预配置 IOPS SSD (io2/io1)

io2 Block Express：

性能：
├─ IOPS：最高 256,000
├─ 吞吐量：最高 4,000 MB/s
├─ 延迟：亚毫秒级
├─ 容量：4 GB - 64 TB
└─ 耐久性：99.999%

io2：

IOPS：最高 64,000
容量：4 GB - 16 TB
价格：$0.125/GB + $0.065/IOPS

何时选择：

关键业务应用
大型数据库（Oracle、SAP HANA）
需要一致的高性能
低延迟要求

3. 吞吐量优化 HDD (st1)

特性：

性能：
├─ 基准吞吐量：40 MB/s/TB
├─ 最大吞吐量：500 MB/s
├─ 爆发吞吐量：250 MB/s/TB
├─ 容量：125 GB - 16 TB
└─ 价格：$0.045/GB/月

何时选择：

大数据处理
日志处理
数据仓库
顺序读写为主

4. 冷 HDD (sc1)

特性：

最低成本：$0.015/GB/月
基准吞吐量：12 MB/s/TB
最大吞吐量：250 MB/s
不常访问的数据

何时选择：

归档存储
不频繁访问的数据
成本优先

卷类型对比

类型	IOPS	吞吐量	延迟	价格	使用场景
gp3	3K-16K	125-1000 MB/s	单位毫秒	$0.08/GB	通用
io2	100-64K	1000 MB/s	亚毫秒	$0.125/GB	数据库
st1	-	40-500 MB/s	毫秒级	$0.045/GB	大数据
sc1	-	12-250 MB/s	毫秒级	$0.015/GB	归档

EBS 性能优化

IOPS 和吞吐量

理解性能指标：

IOPS（每秒 I/O 操作数）
├─ 衡量：随机读写性能
├─ 影响因素：
│   ├─ I/O 大小
│   ├─ 卷类型
│   └─ 实例类型
└─ 适用场景：数据库、OLTP

吞吐量（MB/s）
├─ 衡量：数据传输速率
├─ 影响因素：
│   ├─ I/O 大小
│   ├─ 卷类型
│   └─ 网络带宽
└─ 适用场景：大文件、流处理

性能计算：

IOPS 与吞吐量的关系：
吞吐量 = IOPS × I/O 大小

示例：
- 16KB I/O，1000 IOPS
- 吞吐量 = 1000 × 16KB = 16 MB/s

- 256KB I/O，1000 IOPS  
- 吞吐量 = 1000 × 256KB = 256 MB/s

性能瓶颈

1. 实例限制：

每个实例有 EBS 带宽上限
t3.micro：最大 2,085 Mbps（约 260 MB/s）
m5.large：最大 4,750 Mbps（约 593 MB/s）

2. 网络限制：

EBS 卷通过网络附加
与实例网络带宽共享
大量网络流量影响 EBS 性能

3. 卷性能限制：

每个卷有自己的性能上限
多个卷可以聚合性能
RAID 0 提升吞吐量

优化策略

1. 预热卷：

# 从快照创建的卷需要预热
# 读取所有块以达到最佳性能
sudo fio --filename=/dev/xvdf \
  --rw=read \
  --bs=128k \
  --iodepth=32 \
  --ioengine=libaio \
  --direct=1 \
  --name=volume-initialize

2. 使用 EBS 优化实例：

专用 EBS 带宽
不与网络流量竞争
建议：所有生产实例启用

3. 选择合适的卷类型：

数据库：io2（一致性能）
通用应用：gp3（性价比）
大数据：st1（高吞吐量）

4. 监控性能：

关键指标：
├─ VolumeReadOps/WriteOps（IOPS）
├─ VolumeReadBytes/WriteBytes（吞吐量）
├─ VolumeThroughputPercentage（吞吐量使用率）
├─ VolumeIdleTime（空闲时间）
└─ BurstBalance（爆发余额，gp2）

EBS 快照

快照机制

增量备份：

第一次快照（完整备份）
├─ 复制所有数据块
├─ 存储在 S3（跨可用区）
└─ 持久化存储

后续快照（增量）
├─ 仅复制变更的块
├─ 引用之前快照的未变更块
└─ 节省存储成本

快照链：
Snap1(完整) → Snap2(增量) → Snap3(增量)
    └─────────────┴─────────────┘
           可以独立删除任意快照

跨区域复制：

灾难恢复
地理扩展
合规要求

快照策略

自动化快照：

AWS Data Lifecycle Manager (DLM)
├─ 定义快照策略
│   ├─ 创建频率（每小时/天/周）
│   ├─ 保留策略（7 天/30 天/1 年）
│   └─ 标签过滤
├─ 自动执行
└─ 跨区域复制

最佳实践：

生产环境：每日快照，保留 7-30 天
关键数据：每小时快照，跨区域复制
测试环境：每周快照，保留 7 天
重要变更前：手动快照

快照成本：

计费：$0.05/GB/月（标准存储）

示例：
- 100 GB 卷
- 每日快照，保留 30 天
- 平均变更率 10%

成本 = 100GB（首次）+ 10GB×29（增量）
     = 390GB × $0.05 = $19.50/月

数据保护

加密

EBS 加密：

加密流程：
数据 → AES-256 加密 → 存储
         ↑
    KMS 密钥管理

加密范围：
├─ 卷上的静态数据
├─ 卷与实例间的传输数据
├─ 快照
└─ 从快照创建的卷

默认加密：

可以在区域级别启用
新卷自动加密
无性能损失

密钥管理：

AWS 托管密钥（免费）
客户管理密钥（KMS，$1/月）
细粒度权限控制

多附加（Multi-Attach）

io2 卷特性：

单个卷附加到多个实例
├─ 最多 16 个实例（同一可用区）
├─ 需要集群感知文件系统
│   └─ GFS2、OCFS2
├─ 用于共享存储
└─ 高可用集群

使用场景：

高可用数据库
共享应用服务器
Teradata 等分析平台

成本优化

1. 选择合适的卷类型

场景分析：
小型数据库（< 500 IOPS）
  → gp3（成本最优）

大型数据库（> 5000 IOPS）
  → io2（性能保证）

日志存储（顺序写）
  → st1（吞吐量优化）

归档数据（很少访问）
  → sc1（最低成本）

2. 删除未使用的卷

# 查找未附加的卷
aws ec2 describe-volumes \
  --filters Name=status,Values=available \
  --query 'Volumes[*].[VolumeId,Size,CreateTime]' \
  --output table

# 清理
aws ec2 delete-volume --volume-id vol-xxxxx

3. 快照管理

删除过期快照
使用 DLM 自动化
跨账户共享快照（避免重复）

4. 监控使用率

低使用率卷：
├─ VolumeIdleTime > 90%
├─ 考虑缩小容量
└─ 或更换为 sc1

故障排查

常见问题

1. 卷无法附加：

检查可用区是否匹配
验证卷状态（available）
检查设备名称冲突
查看 IAM 权限

2. 性能不足：

检查实例类型限制
验证 EBS 优化是否启用
查看 CloudWatch 指标
考虑升级卷类型

3. 空间不足：

# 在线扩容（无需停机）
aws ec2 modify-volume \
  --volume-id vol-xxxxx \
  --size 200

# 扩展文件系统
sudo growpart /dev/xvdf 1
sudo resize2fs /dev/xvdf1

4. 数据丢失风险：

启用自动快照
测试恢复流程
跨区域复制关键数据

EBS 是 AWS 上最常用的存储服务，理解其性能特性和最佳实践是运维的基础技能！

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