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1、中国移动通信集团设计院有限公司第十七届新技术论坛 20111006中国移动通信集团设计院有限公司 第十七届新技术论坛 统一存储技术发展及组网方式探讨第三设计研究所（安徽分院）冯渊博【摘 要】： 本文首先介绍了存储技术技术，从存储架构、协议、通道技术和介质四个角度阐述。通过分析现有单一、孤立的SAN和NAS存储架构的缺陷，提出统一存储的必要性。而后，介绍了通过增加NAS机头和专用统一存储设备实现统一存储的方式，最后结合最新的技术发展情况，提出了统一存储的组网方案。【关键词】：统一存储 IP SAN NAS1 概述随着互联网、移动互联网的加速发展，数据量进入了迅猛增长阶段，尤其是非结构化数据量的快
2、速增长，对存储的性能、容量和功能等提出了更高的要求，而原来单一的SAN或NAS已经不能满足用户多方面的存储需求；iSCSI SAN的出现，逐渐消除了FC与IP之间的隔阂。用户对结构化(块数据)+ 非结构化(文件)数据混合存储的需求在增加。数据的高速增长，尤其是非结构化数据的日益飙升，不但对存储的容量有了进一步的需求，同时对存储的性能和功能也提出了更高的要求，这使得原有的单一的SAN(存储区域网络)或NAS(网络附加存储)系统已经不能全面满足用户的需求。2 存储相关基础技术存储领域涵盖众多的技术和概念，体系架构方面的NAS、DAS、SAN，通道技术方面的FC、IP、SCSI， 存储协议方面的ND
3、MP、SCSI等。 图2-1 存储技术架构图2.1 介质技术硬盘通常分为ATA/IDE、SCSI、FC、SATA、SAS五种类型，其中FC、SATA、SAS代表着未来的发展方向。磁盘阵列是一种采用RAID技术、冗余技术和在线维护技术制造的一种高性能、高可用的磁盘存储设备。RAID（Redundent Array of Inexpensive Disks）廉价磁盘冗余阵列由美国加州伯克利分校的D.A.Patterson教授在1988年提出。传统RAID的四种需求目标安全、经济、效率、扩充。RAID技术将多个单独的物理硬盘以不同的方式组合成一个逻辑硬盘，从而提高了硬盘的读写性能和数据安全性。根据不
4、同的组合方式可以分为不同的RAID级别：表2-1 RAID级别RAID 0数据条带化，无校验RAID 1数据镜像，无校验RAID 2海明码错误校验及校正RAID 3数据条带化读写，校验信息存放于专用硬盘RAID 4单次写数据采用单个硬盘，校验信息存放于专用硬盘RAID 5数据条带化，校验信息分布式存放RAID 6数据条带化，分布式校验并提供两级冗余2.2 存储协议SCSI（Small Computer System Interface，小型计算机系统接口）是一种为小型机研制的接口技术，用于主机与外部设备之间的连接。第一代SCSI-1是在1979年由Shugart（希捷公司前身）制订的，至今已经
5、发展至SCSI-3了。SCSI-3是所有存储协议的基础，其它存储协议都用到SCSI的指令集。iSCSI技术是一种由IBM公司研究开发的，是一个供硬件设备使用的可以在IP协议的上层运行的SCSI指令集，这种指令集合可以实现在IP网络上运行SCSI协议，使其能够在诸如高速千兆以太网上进行路由选择。iSCSI技术是一种新储存技术，该技术是将现有SCSI接口与以太网络(Ethernet)技术结合，使服务器可与使用IP网络的储存装置互相交换资料。2.3 体系架构（1） DASDAS（Direct Attached Storage直接附加存储）是指将存储设备通过SCSI线缆或光纤通道直接连接到服务器上。（
6、2） NASNAS（Network Attached Storage网络附加存储），是一种文件共享服务。拥有自己的文件系统，通过NFS或CIFS对外提供文件访问服务。（3） SANSAN（Storage Aera Network ）存储区域网络，是一种通过网络方式连接存储设备和应用服务器的存储构架，这个网络专用于主机和存储设备之间的访问。当有数据的存取需求时，数据可以通过存储区域网络在服务器和后台存储设备之间高速传输。SAN偏指计算平台和存储平台间采用数据块进行传递的网络模型，而NAS狭义地定义计算平台和存储平台间采用文件的方式进行数据传递的网络模型。SAN和NAS的区别在于传递的内容是数据块
7、还是文件，更根本上来说是文件系统所处的位置。图2-2 不同存储架构的协议DAS是存储设备与服务器直连，其余都是基于网络的。NAS是以文件为最小单位与服务器之间进行传输，SAN以块为单位。FC SAN和IP SAN的主要区别是传输通道和协议不同，前者是FCP，后者是iSCSI。2.4 通道技术（1）FC(光纤通道)光纤通道基于核心SCSI协议设计，光纤通道通过将并行接口转换为串行接口极大的提高了SCSI的性能。FC SAN的出现就是将所有不必要的数据传输任务从传统网络(LAN/WAN)中分离出来， 将信息网络(如以太网)集中于其擅长之处- 为客户机/服务器和响应前台应用请求服务。SAN的角色在于
8、帮助传统网络不断提高性能和满足最终用户的需求。（2）IPIP SAN是采用iSCSI协议构建的SAN存储区域网。iSCSI基于的TCP/IP协议，它本身就运行于以太网之上，因此可以和现有的企业内部以太网无缝结合。采用IP SAN的优点包括：没有距离限制、灵活拓扑、易于使用和扩展、10Gb局域网时代即将到来。3 传统存储架构存在的缺陷但随着业务的日益复杂，为满足不同的应用需要，企业往往必须分别建设使用不同传输方式的存储系统，以致增加了管理上的麻烦，也增加了设备购买与维护方面的成本。在一般应用环境中，像数据库、ERP这类型的应用程序多半采用以块(Block)为基础的读写方式，在过去直接连接存储(D
9、irect Attached Storage，DAS)时代，是以本机中的磁盘驱动器，或是以直接连接本机的磁盘阵列来满足存储需求。而在存储网络化的现在，则是以执行块存储的存储区域网络(SAN)为主。网络存储还有一大块领域是在文件共享方面的需求。过去是采用文件服务器来集中存储共享的文件，客户端则透过CIFS或NFS协议来读写文件服务器。但因文件服务器不是为了应付大量文件读写而设计，在大量客户端同时读写的情况下表现不佳，因此后来专门对网络文件读写做了优化的专用存储应用服务器崛起后，就逐渐取代了文件服务器的地位，也就是网络附加存储设备(NAS)。图3-1 传统存储网络架构对同时有文件与区块读写需求的企
10、业来说，就必须分别建置SAN与NAS，而这又带来种种副作用。过去的SAN多半是以价格高昂的光纤通道(FC)作为基础，受限于光纤通道交换器与HBA卡的价格，只能让少数关键应用的主机或服务器接上SAN。后来出现了以IP网络为基础的IP SAN技术，可在现有的IP网络上进行区块读写，任何服务器只要装上以太网络卡就能接上IP SAN，因此可将SAN的应用范围扩展到一般非关键应用的服务器上，让过去受限于本地端存储设备的服务器也能享受到存储区域网络的优点。但受到IP网络的带宽限制，IP SAN的效能对于性能要求较高的关键应用来说相当不足，且与FC SAN之间不兼容，对用户来说，除非只选择其中之一，否则就必
11、须分别购买专用设备。如果用户在SAN的区块读写外还有文件共享的需求，虽然IP SAN与NAS采用的协议都是以IP网络为基础，传输的介质实体都是相同的以太网络，但因读写方式的差异，IP SAN的存储设备并不能当作NAS使用，反之亦然，因此用户必须分别购买SAN与NAS存储设备，才能同时满足区块与文件读写要求，以致提高了建置成本，增加了空间要求与耗电量。4 统一存储实现方式统一存储指的是一种网络存储架构，它既支持基于文件的NAS存储，又支持基于块的SAN存储。这种多协议系统可以通过IP或光纤通道(FC)连接至服务器。在统一存储系统中，块访问通过光纤通道或基于以太网的iSCSI等接口来实现；文件访问
12、是指使用基于以太网的CIFS或NFS访问存储系统中的文件系统。统一存储概念里要求实行统一管理，即一个存储系统要同时管理块数据和文件数据。(1) 传统SAN增加NAS机头对于传统SAN环境，需要提供文件存储需求时，可以通过增加NAS机头方式，实现对文件存储和共享的支持，从而达到存储资源的分配。NAS机头其主要作用是充当NAS服务器提供NAS的文件级服务，同时，还可以提供IP通道向FC通道的协议转换功能。图4-1 通过增加NAS机头实现统一存储(2) 使用统一存储设备通过一台存储设备实现对块和文件数据的统一存储，例如EMC的VNX系列盘阵、IBM 的XIV系列盘阵、HP 的3PAR系列盘阵都具备统
13、一存储功能。图4-2 通过专用统一存储设备实现统一存储统一存储设备能以单一系统同时满足不同类型的存储要求，但这样的解决方案可能将带来其他问题。由于统一存储设备上同时存在了不同型态存储方式的磁盘区，因此如何在不同磁盘区间调配资源，就成为一个问题。另外由于统一存储设备可身兼数职，一旦故障，造成的影响也更大，故可靠性也是不能忽略的考虑。另外统一存储设备还必须具备足够的性能与容量扩充性，才能满足以单一系统同时取代过去分别由多套不同系统负担的存储任务。5 构建统一存储网络随着万兆以太网技术的普及和应用，IP SAN的性能得到了提升和保障，这为构建统一的存储网络提供了基础。但是，毕竟IP SAN是一项新兴
14、技术，当前众多的面向OLTP的实时应用还是建设了FC SAN存储网络。在构建统一存储网络中，需要考虑对现有FC SAN的支持。对于面向文件的应用，IO带宽高，可靠性和可用性要求不高，需要统一存储网络提供NAS存储服务，可以满足这类业务文件的存取需求。 图5-1 统一存储组网对于块存储需求，过渡阶段通过已有的FC SAN 网络满足，后期随着IP SAN技术的普及，可以过渡到IP SAN 与 FC SAN 共存的阶段，最终实现全IP SAN。对于文件存储，通过部署集中的NAS服务器，独立与磁盘阵列，实现对所有NAS存储资源的统一分配和管理。磁盘阵列、NAS服务器、SAN IP交换机、核心交换机之间
15、全部通过10G以太网互联。6 小结本文从存储设备和技术出发，结合应用需求，提出统一存储的两种实现方式，最后给出统一存储的组网结构建议。统一存储仅仅是构建高性能数据中心的关键技术点之一，随着数据量的爆炸式增长，新一代数据中心的构建，需要从计算、网络和存储三个角度去深入研究。特别是基于新一代交换架构的网络技术，是构建统一存储的基础之一，是未来一个重要的研究方向。另外，对于统一存储中如何更好的实现SAN 资源与 NAS资源的动态调整、分配、集中管理也是一个重要的研究方向。参考文献1 SOUL（众志和达）公司 存储基础知识培训 PPT 2010.52 韦治，EMC公司 VCE(虚拟计算环境联盟） PPT 20103 刘刚，SAN与NAS融合的前前后后http:/ 2005.31
