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Kubernetes 存储卷类型及使用场景解析

2021-01-276.9k 阅读

Kubernetes 存储卷基础概念

在 Kubernetes 中，存储卷（Volume）是一种可以被挂载到 Pod 中容器内的目录。与宿主机上的磁盘分区类似，存储卷提供了一种持久化数据的方式，让容器能够在重启、迁移或重新调度时保留数据。

Kubernetes 支持多种类型的存储卷，每种类型都针对不同的使用场景进行了优化。存储卷的生命周期与 Pod 相关联，当 Pod 被删除时，存储卷不会自动删除，除非其类型为 emptyDir 这种临时存储卷。

存储卷挂载

在 Pod 的定义中，可以通过 volumes 字段来定义存储卷，然后在容器的 volumeMounts 字段中将存储卷挂载到容器内的指定路径。以下是一个简单的 Pod 定义示例：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: my-pod
spec:
  containers:
  - name: my-container
    image: nginx
    volumeMounts:
    - name: my-volume
      mountPath: /data
  volumes:
  - name: my-volume
    emptyDir: {}

在上述示例中，定义了一个名为 my - volume 的 emptyDir 存储卷，并将其挂载到 my - container 容器的 /data 路径下。

常见存储卷类型及使用场景

emptyDir 存储卷

  1. 基本概念 emptyDir 存储卷是最基础的存储卷类型，它在 Pod 创建时被创建，其初始内容为空。只要 Pod 存在于节点上，emptyDir 存储卷就会一直存在。当 Pod 从节点上移除（无论是正常删除还是因为节点故障等原因），emptyDir 存储卷及其内容都会被删除。
  2. 使用场景
    • 临时数据存储：例如，在一个机器学习训练任务中，模型训练过程中产生的中间数据，这些数据在训练完成后不再需要持久化保存。容器可以将这些中间数据存储在 emptyDir 存储卷中，训练完成后随着 Pod 的删除，数据也会自动清理。
    • 容器间数据共享：当一个 Pod 中有多个容器需要共享一些临时数据时，emptyDir 存储卷非常有用。比如，一个 Web 应用容器生成的日志文件，另一个日志处理容器需要读取这些日志进行分析，就可以通过 emptyDir 存储卷来实现数据共享。
  3. 示例
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: empty-dir - pod
spec:
  containers:
  - name: producer
    image: busybox
    command: ["sh", "-c", "echo 'Hello, World!' > /shared/data.txt"]
    volumeMounts:
    - name: shared - volume
      mountPath: /shared
  - name: consumer
    image: busybox
    command: ["sh", "-c", "cat /shared/data.txt"]
    volumeMounts:
    - name: shared - volume
      mountPath: /shared
  volumes:
  - name: shared - volume
    emptyDir: {}

在这个例子中，producer 容器在 emptyDir 存储卷挂载的 /shared 目录下创建了一个文件 data.txt，consumer 容器则从相同的目录读取这个文件。

hostPath 存储卷

  1. 基本概念 hostPath 存储卷允许将宿主机上的文件或目录挂载到 Pod 中的容器内。这意味着容器可以直接访问宿主机的文件系统。使用 hostPath 时，需要谨慎考虑权限和安全问题，因为容器对挂载的宿主机目录有与宿主机相同的访问权限。
  2. 使用场景
    • 访问宿主机特定目录：例如，某些监控容器需要访问宿主机的 /proc 目录来收集系统性能指标，或者日志收集容器需要访问宿主机上的日志文件目录。通过 hostPath 存储卷，可以将宿主机的 /proc 或日志目录挂载到容器内，使容器能够获取所需数据。
    • 持久化数据存储：在开发和测试环境中，如果不希望依赖外部存储系统，并且希望数据在容器重启或 Pod 重新调度时仍然存在，可以将宿主机上的一个目录挂载到容器内。例如，将宿主机的 /var/lib/mysql 目录挂载到 MySQL 容器内，这样即使 MySQL 容器重启，数据也不会丢失。
  3. 示例
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: host - path - pod
spec:
  containers:
  - name: my - container
    image: nginx
    volumeMounts:
    - name: host - dir - volume
      mountPath: /data
  volumes:
  - name: host - dir - volume
    hostPath:
      path: /var/data
      type: Directory

在上述示例中，将宿主机的 /var/data 目录挂载到了 my - container 容器的 /data 路径下。type 字段指定了挂载的类型为目录，如果宿主机上 /var/data 目录不存在，并且 type 为 DirectoryOrCreate，Kubernetes 会尝试创建该目录。

nfs 存储卷

  1. 基本概念 NFS（Network File System）是一种分布式文件系统协议，允许不同主机之间通过网络共享文件。Kubernetes 的 NFS 存储卷类型允许将 NFS 服务器上的共享目录挂载到 Pod 中的容器内。NFS 存储卷提供了一种跨节点共享数据的方式，并且数据在 Pod 重新调度或容器重启时不会丢失。
  2. 使用场景
    • 多 Pod 共享数据：在一个 Web 应用集群中，多个 Web 服务器 Pod 可能需要共享一些静态资源，如图片、CSS 和 JavaScript 文件。通过将 NFS 服务器上存储这些静态资源的目录挂载到每个 Web 服务器 Pod 中，实现多 Pod 之间的数据共享。
    • 数据持久化：对于一些需要持久化存储数据的应用，如数据库备份、文件存储服务等，NFS 提供了一种可靠的持久化存储方案。即使 Pod 所在的节点发生故障，数据仍然保存在 NFS 服务器上，新的 Pod 可以重新挂载并继续访问这些数据。
  3. 示例 首先，假设已经有一个运行中的 NFS 服务器，其 IP 地址为 192.168.1.100，共享目录为 /nfs - share。
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: nfs - pod
spec:
  containers:
  - name: my - container
    image: nginx
    volumeMounts:
    - name: nfs - volume
      mountPath: /data
  volumes:
  - name: nfs - volume
    nfs:
      server: 192.168.1.100
      path: /nfs - share

在这个示例中，将 NFS 服务器 192.168.1.100 上的 /nfs - share 目录挂载到了 my - container 容器的 /data 路径下。

persistentVolumeClaim 和 persistentVolume

  1. 基本概念 PersistentVolume（PV）是集群中由管理员预先配置的一段网络存储，它是一种集群资源。PersistentVolumeClaim（PVC）是用户对存储资源的请求，类似于 Pod 请求 CPU 和内存资源。PVC 可以动态或静态地绑定到 PV，从而为 Pod 提供持久化存储。
  2. 使用场景
    • 动态存储供应：在大规模集群环境中，手动创建和管理 PV 可能非常繁琐。Kubernetes 支持动态存储供应，即根据 PVC 的请求自动创建 PV。例如，当一个应用需要持久化存储时，开发人员只需要创建一个 PVC，Kubernetes 会根据存储类（StorageClass）的配置自动创建一个合适的 PV 并绑定到该 PVC 上。
    • 资源隔离与共享：不同的租户或团队可以通过 PVC 请求自己的存储资源，而 PV 则可以根据不同的需求进行配置和管理。这样可以实现存储资源的隔离与共享，提高资源利用率。
  3. 示例
    • 创建 PV
apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: my - pv
spec:
  capacity:
    storage: 1Gi
  accessModes:
  - ReadWriteOnce
  persistentVolumeReclaimPolicy: Retain
  nfs:
    server: 192.168.1.100
    path: /nfs - pv - share

上述 PV 定义了一个容量为 1GB 的 NFS 存储卷，访问模式为 ReadWriteOnce（表示可以被单个节点以读写模式挂载），回收策略为 Retain（表示当 PVC 被删除时，PV 不会被自动删除）。 - 创建 PVC

apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: my - pvc
spec:
  accessModes:
  - ReadWriteOnce
  resources:
    requests:
      storage: 500Mi

这个 PVC 请求了 500MB 的存储资源，访问模式与 PV 匹配。当创建 PVC 后，Kubernetes 会尝试将其绑定到合适的 PV 上。 - 在 Pod 中使用 PVC

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pvc - pod
spec:
  containers:
  - name: my - container
    image: nginx
    volumeMounts:
    - name: my - pvc - volume
      mountPath: /data
  volumes:
  - name: my - pvc - volume
    persistentVolumeClaim:
      claimName: my - pvc

在这个 Pod 中，将 my - pvc 绑定的 PV 挂载到了 my - container 容器的 /data 路径下。

StorageClass

  1. 基本概念 StorageClass 用于定义存储类，它是一种描述存储卷类型的抽象概念。通过 StorageClass，管理员可以定义不同的存储配置，如存储类型（如 SSD、HDD）、备份策略、性能级别等。用户可以根据自己的需求选择合适的 StorageClass 来创建 PVC，实现动态存储供应。
  2. 使用场景
    • 不同存储需求的应用：对于一些对读写性能要求较高的应用，如数据库应用，可以创建一个使用 SSD 存储的 StorageClass；而对于一些对成本敏感、读写性能要求相对较低的应用，如日志存储应用，可以创建一个使用 HDD 存储的 StorageClass。这样可以根据应用的实际需求合理分配存储资源。
    • 自动化存储管理：StorageClass 使得存储资源的管理更加自动化和灵活。管理员可以通过修改 StorageClass 的配置来调整存储卷的创建策略，而不需要手动修改每个 PV 或 PVC 的定义。
  3. 示例
apiVersion: storage.k8s.io/v1
kind: StorageClass
metadata:
  name: fast - storage
provisioner: kubernetes.io/aws - ebs
parameters:
  type: gp2
  zone: us - west - 2a

上述 StorageClass 定义了一个名为 fast - storage 的存储类，使用 AWS EBS 作为存储供应者，存储类型为 gp2（一种通用型 SSD 存储），并指定了存储所在的区域为 us - west - 2a。当用户创建 PVC 并指定使用 fast - storage 这个 StorageClass 时，Kubernetes 会根据该配置自动创建一个合适的 PV。

高级存储卷类型及使用场景

GlusterFS 存储卷

  1. 基本概念 GlusterFS 是一个开源的分布式文件系统，它提供了高性能、高可用和可扩展的存储解决方案。Kubernetes 的 GlusterFS 存储卷类型允许将 GlusterFS 集群中的卷挂载到 Pod 中的容器内。GlusterFS 支持多种存储模式，如复制卷、条带卷等，可以根据不同的需求进行配置。
  2. 使用场景
    • 大规模数据存储：在大数据分析、媒体存储等场景中，需要存储大量的数据，并且要求存储系统具有高可扩展性。GlusterFS 可以通过添加更多的节点来扩展存储容量，满足大规模数据存储的需求。例如，一个媒体公司需要存储大量的视频文件，使用 GlusterFS 存储卷可以方便地实现数据的存储和管理。
    • 高可用存储：GlusterFS 支持复制卷模式，通过将数据复制到多个节点来提供高可用性。在关键业务应用中，如数据库存储，使用 GlusterFS 存储卷可以确保数据在节点故障时仍然可用，提高应用的可靠性。
  3. 示例 假设已经有一个运行中的 GlusterFS 集群，集群中的卷名为 my - gluster - volume。
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: glusterfs - pod
spec:
  containers:
  - name: my - container
    image: nginx
    volumeMounts:
    - name: glusterfs - volume
      mountPath: /data
  volumes:
  - name: glusterfs - volume
    glusterfs:
      endpoints: glusterfs - endpoints
      path: my - gluster - volume
      readOnly: false

在这个示例中，将 GlusterFS 集群中的 my - gluster - volume 卷挂载到了 my - container 容器的 /data 路径下。glusterfs - endpoints 是 GlusterFS 服务的端点，通过它可以连接到 GlusterFS 集群。

Ceph 存储卷

  1. 基本概念 Ceph 是一个统一的分布式存储系统，提供了对象存储、块存储和文件存储等多种存储接口。Kubernetes 支持使用 Ceph 作为存储后端，通过不同的存储卷类型，如 CephFS（文件存储）和 RBD（块存储），可以满足不同应用的存储需求。Ceph 具有高可靠性、高可扩展性和高性能等特点。
  2. 使用场景
    • 对象存储：对于一些需要存储大量非结构化数据，如图片、视频、文档等的应用，Ceph 的对象存储接口非常适合。例如，一个云相册应用可以使用 Ceph 对象存储来存储用户上传的照片，利用 Ceph 的分布式特性实现数据的高效存储和访问。
    • 块存储：在数据库应用中，通常需要高性能的块存储来满足数据库的读写需求。Ceph 的 RBD 块存储可以提供高性能、低延迟的存储服务，并且支持数据的冗余和备份，确保数据的安全性和可靠性。
  3. 示例
    • CephFS 示例 假设已经有一个运行中的 Ceph 集群，并且创建了一个名为 my - cephfs - pool 的 CephFS 池。
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: cephfs - pod
spec:
  containers:
  - name: my - container
    image: nginx
    volumeMounts:
    - name: cephfs - volume
      mountPath: /data
  volumes:
  - name: cephfs - volume
    cephfs:
      monitors:
      - 192.168.1.101:6789
      - 192.168.1.102:6789
      - 192.168.1.103:6789
      path: /my - cephfs - pool
      user: admin
      secretRef:
        name: ceph - secret

在这个示例中，将 CephFS 中的 /my - cephfs - pool 路径挂载到了 my - container 容器的 /data 路径下。monitors 字段指定了 Ceph 集群的监视器地址，user 字段指定了访问 CephFS 的用户，secretRef 指向了存储 Ceph 访问密钥的 Secret。 - RBD 示例 假设已经在 Ceph 集群中创建了一个名为 my - rbd - image 的 RBD 镜像。

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: rbd - pod
spec:
  containers:
  - name: my - container
    image: nginx
    volumeMounts:
    - name: rbd - volume
      mountPath: /dev/xvdb
      subPath: my - rbd - image
  volumes:
  - name: rbd - volume
    rbd:
      monitors:
      - 192.168.1.101:6789
      - 192.168.1.102:6789
      - 192.168.1.103:6789
      pool: rbd
      image: my - rbd - image
      user: admin
      secretRef:
        name: ceph - secret
      fsType: ext4

在这个示例中，将 Ceph 的 RBD 镜像 my - rbd - image 挂载到了 my - container 容器的 /dev/xvdb 设备上，并格式化为 ext4 文件系统。

本地存储卷（Local Volume）

  1. 基本概念 本地存储卷是指使用节点上的本地磁盘作为存储介质的存储卷类型。与 hostPath 不同，本地存储卷是由 Kubernetes 管理的，并且支持动态供应。本地存储卷可以提供比网络存储更高的性能，因为数据访问不需要通过网络。
  2. 使用场景
    • 高性能应用：对于一些对磁盘 I/O 性能要求极高的应用，如内存数据库、实时数据分析应用等，本地存储卷可以提供低延迟和高带宽的存储服务。例如，一个内存数据库应用需要快速地读写数据，使用本地存储卷可以显著提高应用的性能。
    • 数据本地化：在一些场景中，数据需要存储在特定的节点上，以满足数据本地化的需求。例如，某些合规性要求数据必须存储在特定地理位置的服务器上，本地存储卷可以将数据存储在指定节点的本地磁盘上。
  3. 示例 首先，需要在节点上准备一个本地磁盘设备，假设为 /dev/sdb。
apiVersion: storage.k8s.io/v1
kind: StorageClass
metadata:
  name: local - storage - class
provisioner: kubernetes.io/local - volume
volumeBindingMode: WaitForFirstConsumer

上述 StorageClass 定义了一个用于本地存储卷的存储类，provisioner 为 kubernetes.io/local - volume，volumeBindingMode 设置为 WaitForFirstConsumer 表示在第一个 Pod 尝试使用 PVC 时才进行 PV 的绑定，这样可以确保 PV 被绑定到正确的节点上。

apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: local - pvc
spec:
  accessModes:
  - ReadWriteOnce
  resources:
    requests:
      storage: 10Gi
  storageClassName: local - storage - class

这个 PVC 请求了 10GB 的本地存储资源，并指定使用 local - storage - class 存储类。

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: local - pod
spec:
  containers:
  - name: my - container
    image: nginx
    volumeMounts:
    - name: local - volume
      mountPath: /data
  volumes:
  - name: local - volume
    persistentVolumeClaim:
      claimName: local - pvc

在这个 Pod 中，将 local - pvc 绑定的本地存储卷挂载到了 my - container 容器的 /data 路径下。

存储卷选择策略

在选择 Kubernetes 存储卷类型时，需要综合考虑多个因素，以确保选择的存储卷类型能够满足应用的需求。以下是一些关键的考虑因素：

数据持久性要求

  1. 持久化数据：如果应用的数据需要在容器重启、Pod 重新调度或节点故障时仍然存在，那么需要选择具有数据持久化能力的存储卷类型，如 persistentVolumeClaim 绑定的 PersistentVolume（可以基于 NFS、Ceph 等后端存储）、hostPath（在开发和测试环境中有限使用）。
  2. 临时数据：对于只在容器运行期间需要存在的数据，如中间计算结果、临时缓存等，可以选择 emptyDir 存储卷。这种存储卷在 Pod 结束时会自动删除，不需要额外的清理操作。

读写性能要求

  1. 高性能读写：如果应用对磁盘 I/O 性能要求极高，如数据库应用、大数据分析应用等，应优先考虑本地存储卷（Local Volume）、基于 SSD 的存储卷（如使用 SSD 的 NFS、Ceph RBD 等）。本地存储卷利用节点本地磁盘，避免了网络传输开销，能提供更高的读写性能；而基于 SSD 的存储卷，由于 SSD 的快速读写特性，也能满足高性能需求。
  2. 普通性能要求：对于一些对读写性能要求不是特别高的应用，如静态网站、日志收集等，可以选择成本较低的存储卷类型，如基于 HDD 的 NFS 存储卷或普通的 emptyDir 存储卷（如果数据不需要持久化）。

数据共享需求

  1. 多 Pod 共享：当多个 Pod 需要共享相同的数据时，可选择支持共享的存储卷类型，如 NFS、GlusterFS、CephFS 等。这些存储卷类型允许多个 Pod 同时挂载并读写数据，满足多 Pod 间的数据共享需求。
  2. 单 Pod 专用：如果数据只需要被单个 Pod 访问，并且不需要与其他 Pod 共享，可以选择 emptyDir、hostPath（在特定情况下）或单个 Pod 专用的 persistentVolumeClaim 绑定的 PersistentVolume。

可扩展性要求

  1. 大规模扩展：对于需要存储大量数据并且可能随着业务增长不断扩展存储容量的应用，应选择具有良好扩展性的存储卷类型，如 GlusterFS、Ceph 等分布式存储系统。这些存储系统可以通过添加更多的节点来轻松扩展存储容量，满足大规模数据存储和扩展的需求。
  2. 有限扩展：如果应用的存储需求相对固定，或者扩展需求较小，可以选择一些简单的存储卷类型，如 NFS 存储卷（在一定程度上可扩展）或基于本地存储的 PersistentVolumeClaim 和 PersistentVolume。

成本因素

  1. 低成本：在对成本敏感的场景中，如开发和测试环境，或者对性能要求不高的应用场景，可以选择使用基于 HDD 的存储卷，如普通的 NFS 存储卷使用 HDD 作为存储介质。另外，emptyDir 存储卷由于不需要额外的存储硬件，也是一种低成本的选择（适用于临时数据）。
  2. 高性能与成本平衡：对于一些既需要一定性能，又要考虑成本的应用，可以选择性能适中且成本相对较低的存储卷类型，如使用通用型 SSD 的存储卷（如 AWS EBS 的 gp2 类型）。这种存储卷在提供较好性能的同时，成本也相对可接受。

安全与合规性要求

  1. 安全敏感数据：如果应用处理的是敏感数据，如用户隐私数据、财务数据等，需要选择具有良好安全机制的存储卷类型。例如，Ceph 存储卷支持加密功能，可以对存储的数据进行加密，保护数据的安全性。同时，在使用 hostPath 存储卷时，要特别注意权限设置，避免容器对宿主机文件系统的过度访问导致安全风险。
  2. 合规性要求：在某些行业中，存在特定的合规性要求，如数据必须存储在特定地理位置的服务器上。在这种情况下，本地存储卷可以满足数据本地化的需求，确保应用符合相关合规性要求。

存储卷的管理与维护

在 Kubernetes 集群中，合理地管理和维护存储卷对于确保应用的稳定运行至关重要。以下是一些关键的管理与维护方面：

存储卷监控

  1. 性能监控：通过监控存储卷的读写性能指标，如 I/O 吞吐量、读写延迟等，可以及时发现性能问题。例如，可以使用 Prometheus 和 Grafana 等工具来收集和展示存储卷的性能数据。对于 NFS 存储卷，可以监控 NFS 服务器的 CPU 和网络利用率，以确保其性能正常。对于 Ceph 存储卷，可以监控 Ceph 集群的健康状态、存储池的使用情况等指标。
  2. 容量监控：实时监控存储卷的使用容量，避免存储卷空间不足导致应用故障。Kubernetes 本身提供了一些基本的容量监控信息，可以通过 kubectl describe 命令查看 PVC 和 PV 的容量使用情况。同时，也可以结合第三方监控工具，如 Prometheus，设置容量预警阈值，当存储卷使用容量接近阈值时及时发出警报。

存储卷备份与恢复

  1. 备份策略：对于重要的数据存储卷，制定定期备份策略是必不可少的。例如，对于基于 NFS 的存储卷，可以使用 NFS 服务器自带的备份工具或第三方备份软件进行定期备份。对于 Ceph 存储卷，Ceph 提供了一些备份和恢复的工具和机制，如 Ceph 的快照功能，可以创建存储卷的快照，用于数据备份。
  2. 恢复测试：定期进行备份数据的恢复测试，确保在发生数据丢失或损坏时能够成功恢复数据。恢复测试不仅要验证数据的完整性，还要确保应用在恢复数据后能够正常运行。例如，对于数据库应用，恢复数据后要验证数据库的一致性和可用性。

存储卷的升级与迁移

  1. 升级：当存储系统（如 NFS 服务器、Ceph 集群等）需要升级时，要谨慎操作，确保存储卷的数据不受影响。在升级之前，需要进行充分的测试，包括在测试环境中模拟升级过程，验证应用在升级后的存储环境下是否能够正常运行。对于一些分布式存储系统，如 Ceph，可以采用滚动升级的方式，逐个升级节点，减少对应用的影响。
  2. 迁移：在某些情况下，可能需要将存储卷从一个存储后端迁移到另一个存储后端，如从 NFS 迁移到 Ceph，以满足性能、可扩展性等方面的需求。迁移过程中，要确保数据的完整性和应用的连续性。可以使用数据迁移工具，如 rsync 等，将数据从旧的存储卷复制到新的存储卷，然后逐步切换应用使用新的存储卷。

存储卷的安全管理

  1. 权限管理：对存储卷的访问权限进行严格管理，确保只有授权的 Pod 和用户能够访问存储卷。例如，在使用 hostPath 存储卷时，要设置合适的文件权限，避免容器对宿主机文件系统的非法访问。对于 persistentVolumeClaim 和 PersistentVolume，可以通过 Kubernetes 的 RBAC（Role - Based Access Control）机制来控制用户对存储资源的访问权限。
  2. 加密管理：对于敏感数据存储卷，采用加密技术保护数据的安全性。如前所述，Ceph 存储卷支持数据加密，可以对存储在 Ceph 中的数据进行加密。在其他存储卷类型中，如果存储的是敏感数据，也可以考虑在应用层进行数据加密，确保数据在存储和传输过程中的安全性。

总结

在 Kubernetes 后端开发中，存储卷类型的选择和使用是至关重要的一环，它直接关系到应用的数据持久性、性能、可扩展性以及安全性等多个方面。通过深入理解各种存储卷类型及其使用场景，并结合应用的实际需求，合理选择和配置存储卷，能够构建出稳定、高效、安全的容器化应用环境。同时，在存储卷的管理与维护过程中，要注重监控、备份、升级和安全管理等方面，确保存储卷始终处于良好的运行状态，为应用提供可靠的数据存储支持。无论是简单的 emptyDir 存储卷用于临时数据处理，还是复杂的分布式存储卷如 Ceph 用于大规模数据存储和高可用应用，都有其独特的优势和适用场景。开发人员和运维人员需要根据具体情况进行权衡和选择，以实现最佳的存储解决方案。