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。
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。
整理如下表所示：
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）。
设计劣势：
数据不透明（黑盒）： 你在 S3 Bucket 里看到的不再是 photo.jpg，而是 chunks/1/123_456 这样的分块数据。脱离了 JuiceFS 客户端，你无法直接识别和使用 S3 里的数据。
运维复杂度： 需要额外部署和维护一个高可用的元数据引擎（如 Redis 集群或 RDS）。
成本： 虽然 S3 请求少了，但增加了数据库的成本。
后续文章将详细以s3fs-fuse为例，解释“直接映射型”的设计思想，也会以JuiceFS为例，解释“元数据分离型”的设计思想。
