（计算机应用技术专业论文）sanobs存储网络体系的设计及其联接层的实现.pdf

摘要 摘要 由于网络和计算机数据处理的高速发展，以及数据量的巨增，网络存储 将成为下个时代网络和互联网计算中最重要的技术之一。同时，作为数据保护 和存储管理的平台，存储网络的体系结构也被提升到战略高度。对现存各种存 储体系的优势和缺陷作出分析，针对当前的需求，设计出一种更加有效的存储 体系结构具有非常重要的理论和实践意义的。 本文深入研究了现在被广泛采用的网络存储体系：n a s ( n e t w o r k a t t a c h e d s t o r a g e ) 网络连接存储，s a n ( s t o r a g ea r e an e t w o r k ) 存储区域 网络。n a s 是具有易于安装和管理，易于异构平台的文件级数据共享，系统投 入较低等优势的网络存储体系，但是它占用相当的现有网络的带宽，在可扩展 性和性能方面也需要有所发展。s a n 是具有高效能，易于集成，可扩展性好等 优势的存储网络体系，但是它的管理复杂程度高，异构平台的数据共享较困难。 需要综合它们的优势，避免它们的缺陷，来满足当前对存储体系结构的需求。 o b s ( o b j e c tb a s e ds t o r a g e 基于对象的存储技术) ，将复杂的“块”级 管理下移到存储子系统一端，而o b s 向上提供基于对象的服务，这样避免了传 统的分布管理的复杂性。数据抽象性由“b l o c k ”( 块) 上升到“o b j e c t ”( 对 象) 。本文对于o b s 的特点和实现作出了深入的研究，在当前的网络环境下， o b s 已经有了充分发挥它的优势的时候。 本论文的创新点和核心是：首先，将s a n 和0 b s 结合在一起，提出了一种 综合的存储网络体系结构s a n - - o b s ，综合了s a n 和o b s 的优势，大大简化了文 件服务器的管理工作，使得s a n 的跨平台共享和安全机制得到良好的实现，并 且更充分的体现了它在性能，可扩展性，可用性等方面的优势。 其次，设计与实现了s a n 和o b s 的联接层。包括存储功能的重新分布，“文 件”到“对象”的逻辑对象的映射，网络元数据的管理，安全机制等内容 最后，通过一个s a n o b s 的模拟环境的实现，验证了s a n - - 0 b s 存储网络 体系结构在理论上的先进性和在实践上的可用性。 关键词：网络存储体系；网络连接存储；存储区域网络；基于对象的存储；s a n - - o b s 联接层；网络存储安全机制 兰堕望三奎兰i 至耋堡圭兰堡望茎 a b s tr a c t n e t w o r k i n gs t o r a g ei sb e c o m i n go n eo f t h em o s ts i g n i f i c a n tt e c h n o l o g i e so n t h en e t w o r k sa n di n t e m e tc o m p u t i n g ，b e c a u s eo ft h er a p i dd e v e l o p m e n t o f n e t w o r k sa n dc o m p u t e rd a t ap r o c e s s i n g ，a sw e l la st h ee n o l t l l o u si n c r e a s e m e n t o fd a t aa m o u n t s a tt h es a t x l et i m e ，a st h ep l a t f o r mo fd a t as e c u r i t ya n ds t o r a g e m a n a g e m e n t s ，t h ea r c h i t e c t u r eo fs t o r a g en e t w o r k si sb e c o m i n gt ob et h ep r o b l e m o fs t r a t e g y i ti so ft h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et om a k ea n a l y s i so n c h a r a c t e r so ft h ee x i s t i n gn e t w o r k i n gs t o r a g ea r c h i t e c t u r e s ，a n da i m i n ga tt h e r e q u i r e m e n t s ，t om a k ed e s i g n m e n t so f m o r ee f f e c t i v es t o r a g e a r c h i t e c t u r e ， n e t w o r k i n gs t o r a g ea r c h i t e c t u r e sw h i c ha r eu s e dw i d e l ya r ea n a l y z e dh e r e ， i n c l u d i n gn a s 烈e t w o r ka t t a c h e ds t o r a g e ) a n ds a n ( s t o r a g ea r e an e t w o r k ) t h r o u g hn a s ， i tb e c o m ee a s i e rt o a c c o m p l i s hs y s t e m i n s t a l l a t i o n sa n d m a n a g e m e n t s ，a sw e l la sd a t as h a r et h r o u g hh e t e r o g e n e o u sp l a r f o r m s ，b u t ，t h e e x p a n s i b i l i t ya n dp e r f o r m a n c en e e di m p r o v i n g t h r o u g hs a n ，t h ee x p a n s i b i l i t y a n d p e r f o r m a n c ea r es u p e r i o r b u t ， r e l e v a n tm a n a g e m e n t si sm o r ec o m p l e x a n dt h ed a t as h a r et h r o u g hh e t e r o g e n e o u sp l a t f o r m si sd i f f i c u l t w en e e dt oj o i n t h ea d v a n t a g e sa n d t r yt oa v o i dt h ed i s a d v a n t a g e s ，t om e e tt h er e q u i r e m e n t s t h o u g ho b s ( o b j e c tb a s e ds t o r a g e ) ，t h ec o m p l i c a t e dm a n a g e m e n t sb a s eo n “b l o c k ”a r es h i f td o w nt ot h es t o r a g e s u b s y s t e m s o b so f f e r st h es e r v i c e sb a s e d o n “o b j e c t ”t h ep r o p e r t i e sa n di m p l e m e n t so f o b s a r ea n a l y z e dh e r e u n d e rt h e n e t w o r k i n ge n v i r o n m e n t sn o w a d a y s ， o b sh a st h eo p p o r t u n i t i e st os h o wi t s a d v a n t a g e sf u l l y t h ei n n o v a t i o n sa n dk e r n e lo ft h i st h e m e sa r e ：f i r s t ，g i v ead e s i g n m e n to fa i n t e g r a t e ds t o r a g en e t w o r k i n ga r c h i t e c t u r e ，w i t hs a na n d o b s j o i n e dt o g e t h e r t h et r a d i t i o n a l c o m p l e x i t y o fd i s t r i b u t e dm a n a g e m e n t si sa v o i d e d d a t a a b s t r a c t i o nu p g r a d ef r o m “b l o c k t o o b j e c t t h em a n a g e m e n t sb u r d e no f s e r v e r si sc u td o w ng r e a t l y d a t as h a r e t h r o u g hh e t e r o g e n e o u sp l a t f o r m s a n d a b s t r a c t i m p l e m e n t so fs e c u r i t ym e c h a n i c sb e c o m ee a s i l yt ob ea c h i e v e d t h ea d v a n t a g e s o f h i g hp e r f o r m a n c ea n de x p a n s i b i l i t yo f s a ni sk e ：p to n s e c o n d l y , i m p l e m e n tt h el i n kl a y e ro fs a n o b s ，i n c l u d i n gt h ef u n c t i o n g s r e d i s t r i b u t i n g ，t h em a p p i n gf r o m ”f i l e ”t o ”o b j e c t ”，t h em a n a g e m e n t so f m e t a d a t a s ，s e c u r i t ym e c h a n i c s ，e t c f i n a l l y , b ym e a n so fas i m u l a t ea c h i e v e m e n t so fs a n - o b s ，t h et h e o r e t i c a l s u p e r i o r i t y a n d p r a c t i c a lf e a s i b i l i t y o ft h e s t o r a g en e t w o r k i n ga r c h i t e c t u r e s a n o b sa r ep r o v e d k e y w o r d s ：n e t w o r ks t o r a g ea r c h i t e c t u r e ，n a s ，s a n ，o b s ，s a n o b sl i n kl a y e r 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 、 作者签名： 形纠 日期：出； 年占月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密崮，在兰年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 少溯 两咩 日期：岫；年6 月“日 日期：年月日 第一章绪论 第一章绪论 1 1本课题的背景和意义 1 1 1对存储技术的巨大需求 当今的网络时代，存储技术正在发生着革命性的变化。这种变化的主要表 现： 1 、存储容量急剧膨胀。自从进入数字化和网络互联时代，信息爆炸就表 现为比特流的无限蔓延。按目前流行的说法，计算技术的发展遵循四大定律： m o o r e 定律，微处理器内晶体管数每1 8 个月翻1 番；b e l l 定律，若计算能力 不变，微处理器的价格和体积每1 8 个月减少一半；g i l d e r 定律，主干网的带宽 每6 个月增加1 倍；m e t e a l f e 定律，网络的价值同网络用户数量的平方成正比。 前两个蜕的是处理技术的发展规律，后两个说的是传输技术的发展规律，还应 该加上存储技术发展规律：r a m 和硬盘的密度每3 年增加4 倍。 这种处理、传输和存储技术的发展，一步步释放出数字的信息表达能力， 目前已到了引发数据爆炸的阶段。多媒体信息的普遍使用，i n t e m e t 的普及，宽 带的增长，以及将来的空间影像和虚拟现实的普遍应用，都产生空前的数据量。 容量巨大并且急剧膨胀的数据，已经成为一种最重要的财富之一。这种爆炸性 增长的数据量需要越来越大的存储系统，这对网络存储技术提出了严竣的挑 战。从这个角度看，2 0 0 3 年存储设备的投资将占整个信息系统投资的三分之二 是非常容易理解的。就现阶段，存储价格的下降，加速了信息的数字化，也提 供了更广泛的商业应用，包括e r p 、电子商务、数据仓库、数据市场等。导致 每年需要新增的存储容量激增。 2 、数据就绪时间的延展。过去信息基本上都有后台作业时间，而今天的 网络数据却需要保证每周7 天，每天2 4 小时处于就绪状态，在i n t e r n e t 的世 界里，存储总是开放的。用户选择供应商的重要标准就是应用的可用性。高可 用性的技术主要有冗余纠错、数据备份、集群、容灾、灾难恢复等。这早要强 调一个观点：存储单元的可用性要求远高于处理单元和传输部件。后两者损坏 的是设备，更换后即可恢复；而存储系统的损坏造成的数据丢失，即使更换了 新设备也无济于事。 3 、数据存储的结构也产生了变化。在信息孤岛的时代，存储设备基本上 华南理t 人学工学硕上学位论文 是与特定的计算机系统对应的，而在网络互联时代，数据应该是跨系统、跨部 门，甚至是面向全世界的。数据的存取只应该受到安全机制的管理，而不应该 受到地域空间的约束。 网络时代正在产生新的应用和新的商业模型，它们不仅要求信息在公司内 部共享，也要求在其合作伙伴及用户之间共享。这种挑战已经不再是存储信息 的花费，而是寻求合算的管理巨量存储资源的方案，以及使可供访问的数据变 成有价值的信息。在信息系统中，各种功能的集成，企业与供应商和客户间的 集成和连接大规模的增长，使系统之间的数据移动和共享的需要巨增。 存储的特点是数据量动态单调性增长，必须有一种可动态扩展的结构与机 制。提供这种保证的技术就是可扩展的存储网络结构和软件结构。 4 、对数据备份和恢复的性能要求提高。2 0 世纪9 0 年代初期，对局域网网 络备份的性能要求范围为2 0 6 0 m b m i n ，到1 9 9 9 年，这种要求几乎上升了十倍， 目前是3 1 0 m b s ，在接下去的5 年里，将对备份提出更高的要求，在普通的 网络中可能达到1 0 m b s ，处于领先地位的网络环境甚至会要求达到高达4 0 m b s 的速度。网络存储系统的用户群巨大，产生了极高的i o 率：高宽带应用将使 流媒体成为主流，产生了极高的数据率。高性能技术一方面提高了硬盘的数据 传输率和i o 率，更通过存储设备的高速互联实现越来越大规模的并行。 1 1 2 当前存储体系结构发展中存在的突出困难 经验已证明，在网络环境下实现存储管理存在着普遍的困难，一个企业 的站点可能拥有不同的硬件、软件平台，而每一种平台都有与之相配套的实用 管理程序。作为数据保护和存储管理的平台，存储网络的体系结构也提升到战 略高度。网络存储将成为下个时代网络和互联网计算中最重要的技术之一。 当前主要的企业级网络存储模式有n a s ( n e t w o r ka t t a c h e ds t o r a g e ) 网 络连接存储，s a n ( s t o r a g ea r e an e t w o r k ) 存储区域网络。当需要跨平台 的文件共享时( 例如：前端w e bs e r v e r ) ，一般会选择n a s ；而当速度和可扩展 性成为最重要的因素时( 例如：分布数据库) ，一一般就选择s a n 。但是现在用 户越来越需要一种方式，具有s a n 的高速，易于扩展的优势，也要具有n a s 的 易于实现文件级跨平台共享的性能，并且要求更加安全和易管理n 1 。 由此s a n 的跨平台实现不仅是s a n 模式的一个急待完善的问题，也是实 现个综合性能比较完善的存储模式的重要方案之。同时s a n 和n a s 的结 合，兼取二者的优势，也是一个解决存储策略问题采用的方案，而二者的结合 的实现，也是一个需要深入研究的问题。 第一章绪论 1 1 3o b s o b j e c t b a s e ds t o r a g e ) 体系结构的发展 在o b s ( o b j e c t b a s e ds t o r a g e ) 基于对象的存储体系中，存储的对象不是 数据块，也不是文件，而是o b j e c t ( 对象1 。o b s 体系结构的目的在于： 1 、高存储管理的性能，实现存储子系统的白管理和策略自驱动( 例如： 备份，恢复等) 。 2 、设备和数据的共享，尤其是跨系统平台的共享。 3 、高存储的性能( h i n t s ，q o s ，d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s ) 。 4 、高可扩展性，不仅仅是指容量，还包括性能，元数据管理等( 例如： 空闲块定位等) 。这将是一个可扩展的，高性能的，跨平台的，可共享 存储解决方案。 近年来，有若干致力于o b s 的研究，包括卡麦隆大学的n a s d ( n e t w o r k a t t a c h e ds e c l l r ed i s k s ) 计划( 网络方式) ，s n i a 的o b s d 计划( 存 储方式) ，i n t e l 公司的s c a l a b l e n a t i v ed i s k s 计划( i p c 方式) 。 不幸的是，因为受限于网络传输环境，它们都存在着共同的问题： 1 、需要建立新的附加标准和协议，这存在着极大的潜在困难。 2 、不能扩展到数据中心之外，这必将导致昂贵，扩展有限的方案。 3 、需要新的特定的网络设备( 适配器，交换机等) 。 4 、性能有限( 这根本就违背了o b s 的根本目标) 。 但是，随着网络传输环境的飞跃，新的协议的出现( i s c s i ，v i f c ，t o e 等) ，o b s 将得到重生”1 ，它将能够真j f 的实现一个高性能，安全，可共享的 存储方案。 1 2 本课题的研究目标和内容 鉴于网络和计算机数据处理如此b 速的发展，对存储技术提出了如此迫切 的需求，以及上面所提到的存储技术发展的困难和复杂性，本课题将针对存储 体系结构当前的主要热点，设计实现s a n ( s t o r a g ea r e a n e t w o r k ) 体系结构和 o b s ( o b j e c t b a s e ds t o r a g e ) 体系结构的联接，构成一个新的综合存储体系。 以求实现一个高效率，跨平台共享，有较高安全性，易于管理的网络存储体系。 主要内容为设计一个s a n 和o b s 的联接层，主要实现内容包括：s a n 体 华南理工人学工学硕士学位论文 系结构在与o b s 联接之后，整个体系中功能结构分布的变化；在服务器数据 管理中，文件逻辑实体与o b s 对象逻辑实体的映射关系的建立：s a n 区域管 理数据结构的改变：s a n 安全管理模式的改变；对o b s d 的请求的形成等。 还包括c s 网络通信的实现等。 课题的目标是要建立一个s a n - - o b s 的完善的存储体系结构，这也潜在的 实现了s a n 和n a s 的优势结合，较好地解决s a n 的跨平台共享的问题，而 且兼顾到高效，实现了高安全性，和存储的易管理性要求。 1 3本论文的结构 第一一章，主要讲述本课题的背景和意义，包括研究存储技术和重要性，当 前存储技术的热点问题，以及本课题的研究目标和内容。第二章，讲述了几种 主要的网络存储体系结构的模式和特点。第三章，详细研究了s a n 体系结构 和组成，结构和原理，以及急待解决的阀题。第四章，详细研究了o b s 结构 的模型，特征和管理等内容。第五章，论述s a n o b s 体系结构联接层的功能， 设计原理和设计内容。第六章，具体实现的环境和结果的描述。最后是课题结 论。 4 第二章几种主要的网络存储模式及其特点 第二章几种主要的网络存储模式及其特点 2 1d a s ( d jr e c ta t t a c h m e n ts t o r a g e ) 直接连接存储 d a s 直接连接存储或服务器直连存储。d a s 数据存储设备直接挂接 在各种服务器或客户端扩展接口下，服务器通过通道服务来直接访问d a s 中的数据。d a s 本身是硬件的堆叠，包含了直接连接支服务器的诸如磁盘族或 磁盘阵列之类的存储设备。不带有任何存储操作系统，而应用服务器本身的操 作系统与第三方应用软件挂接，不能提供真正意义上的网络存储负载分摊模 式。事实证明这种存储方式不仅费用高，而且还会引起网络阻塞，使得客户端 可能不能迅速地访问服务器上的数据。这种存储系统最明显的问题是，如果连 接到某个特定存储设备的服务器出现了故障，用户将不能访问存储在该设备上 的数据。 为了保证网络中不出现这种所谓“单点错误”，用户可以让所有服务器共 享一个存储系统。让多个服务器共享一个存储系统是对d a s 的一种改进，不 过也增加了网络扩展的代价。d a s 是最先被采用的网络存储体系，对局域网和 p c 而言，d a s 曾经是一种流行的存储技术，当用户对存储系统要求不高时， d a s 仍是一种常用的存储体系。在满足大容量存储需求时，它势必被其它的模 式所代替。 华南理工大学工学硕士学位论文 图2 1 一个简单的d a s 模式 f i g2 - 1as i m p l ed a sm o d e l 2 2n a s ( n e t w o r ka t t a c h e ds t o r a g e ) 网络连接存储 n a s 网络连接存储，即将存储设备连接到现有的网络上，提供数 据和文件服务。n a s 部件拥有一个在整个网络中唯一的地址。n a s 部件为网 络中的主服务器承担了数据存储任务，使主服务器只用于数据处理。将主服务 器从数据存储功能中解放出来的方法不仅消除了网络中的带宽瓶颈，而且还可 以在替换或更新存储设备时，不用关闭整个网络。n a s 服务器一般由存储硬件、 操作系统以及其上的文件系统等几个部分组成，可以实现即插即用的功能，提 供方便快捷的存储服务。n a s 是与网络直接连接的存储设备( 例如：磁盘阵列) ， 它具备了高容量、高效能、高可靠的特征。n a s 将存储设备通过标准的网络拓 扑结构连接，与客户间的通信是使用n f s ( n e t w o r kf i l es y s t e m ) 协议和c i f s ( c o m m o n i n t e m e t f i l es y s t e m ) 协议，可以无需传统的服务器而直接上网，不 依赖通用的操作系统，而是采用一个面向用户设计的、专门用于数据存储的瘦 操作系统和优化的文件系统，内置了与网络连接所需的协议，整个系统的管理 和设置较为简单。其次n a s 是真正即插即用的产品，并且物理位置灵活，可 放置在工作组内，也可放在其他地点与网络连接。n a s 的实现非常简单，网络 管理员可以非常方便地将n a s 安装在网络上。即使n a s 出现了故障， c ) 4 络上 与主服务器相关的其他操作也彳i 会受到影响；而且即使主服务器出现了故障， 6 第二章几种主要的网络存储模式及其特点 客户端仍然能够向n a s 发送请求并检索数据，这是因为主服务器不再执行文 件i o 操作，而且也不再存放数据，这也提高了主服务器的可靠性。在数据备 份和安全方面，n a s 有着更优越的性能，因为数据备份只发生在一个n a s 设 备上，而不是发生在所有网络相连的服务器上。而且用户可以在不影响网络其 它操作的情况下向n a s 中增加更多的存储设备。通过设置n a s ，可以实现不 同平台的客p 端( 如n t ，u n i x ) 之间共享数据。因为文件系统位于存储端， n a s 采用的标准文件共享协议为异构网络的不同服务器用户提供数据访问服 务。因此，用户选择n a s 解决方案，原因在于n a s 价格合理、便于管理、灵 活且能实现文件共享。 但是数据量的增加使n a s出现了问题：因为我们不能为提高存储能力而 无限制地增加存储设备。我们需要一个支持大容量数据存储而又不会产生任何 网络带宽瓶颈的数据存储系统。在n a s 中，数据传输是通过现有局域网实现 的，这给用户局域网带宽造成了沉重的负担，因为局域网只适合短暂的突发数 据传输。 图2 2 在n a s 中通过文件服务器实现文件共享 f i 9 2 2f i l es h a r et h r o u g hf i l es e t v e rir ln a s 2 3s a n ( s t o r a g ea r e an e t w o r k ) 存储区域网络 s a n 存储区域网络，即通过特定的互连方式连接的若干台存储服务器 组成一个单独的数据网络，提供企业级的数据存储服务。s a n 是一项将存储设 各，连接设备和接口集成在一个高速网络中的技术。s a n 本身是一个存储网络 网络，南于该网络承担了原本在主网络中实现的数据存储，从而提高了s a n 的性能和升级能力，降低了网络中的交通阻塞。s a n 方式易于集成，并可扩展， 能改善数据可用性及网络性能。利用s a n ，不仅可以提供更大容量的存储数据， 而且地域上可以分散，并缓解了大量数据传输对于局域网的影响。s a n 的结构 允许任何服务器连接到任何存储阵列，这样不管数据置放在哪里，服务器都可 直接存取所需的数据。s a n 是独立于服务器网络系统之外几乎拥有无限存储的 高速存储网络，以光纤通道和s c s 的应用协议作为存储访问协议，将存储子 华南理工大学上学硕士学位论文 系统网络化。光纤通道技术具有带宽高、误码率低和距离长等特点，特别适合 于海量数据传输领域，所以被应用于主机和存储器问的连接通道和组网技术 中。s a n 以其良好的可靠性、可用性、可扩展性、快速数据访问能力、分布式 存储架构、高速备份等优势迅速占领存储市场。同时s a n 也可以在以太网上 实现。下一一章有对s a n 的进一步研究。 图2 3s a n 将服务器和存储设备连接在一起并将存储设备和网络分离开来 f i 9 2 3s e r v e r sa n ds t o r a g ed e v i c e ss e p a r a t e da n dc o n n e c t e db ys a n 第二二章几种主要的网络存储模式及其特点 2 4s a n 和n a s 在应用上的区别 表2 1s a n 和n a s 在应用上的区别 t a b e 21a p p l i c a t i o nd i f f e r e n c eb e t w e e ns a na n dn a s s a nn a s 协议 f i b r ec h a n n e lt c p 口 f i b r ec h a n n e l t o s c s i 事件关键面向事务的数据有限的只读数据库访问 库应用进程 n f s 或c i f s 文件共享 高可用性 长距离小块数据传输 应用 备份和恢复 商务延续性 存储巩固 服务器巩固 虚拟化 大量的、异构的数据块的文件共享能力的扩展简单 传输 安装和维护简单 数据传输的可靠性 利于在对不强调回应时间 优势 降低l a n 的网络流量的多对客户间的文件共享 配茕灵活性 高性能 高扩展性 集中管理 多厂家产品 错误恢复 2 5 本章小结 本章介绍了d a s 、n a s 、s a n 三种主要的网络存储体系结构的概念，特 点，结构模型，以及它们各自的相对优势和相对缺陷，它们适合应用的场合。 对于其中两种当前最多用到的体系结构n a s 和s a n 在应用协议、适于应用情 况和各自优势上进行了一个对比。 华南理工大学工学硕士学位论文 第三章存储区域网( s a n ) 的结构和管理 3 1s a n 的介绍 在存储网络工业协会( s n i a ，t h es t o r a g en e t w o r k i n gi n d u s t r ya s s o c i a t i o n ) 的存储网络术语字典( d i c t i o n a r y o f s t o r a g e n e t w o r k i n gt e r m i n o l o g y ) 中，给出 了一个s a n 的正式的定义： c o n t e x t f i b r ec h a n n e l 】 n e t w o r k i n g 】 s t o r a g es y s t e m 】 s a n 是一种基本的网络结构，它主要的目的就是在计算机系统和存储元 素之间或者在存储元素自身之间传递数据。它的主要优点在于它是在已有网络 之外实现数据存储的( 可以叫作后端网络，b a c k e n dn e t w o r k i n g ) ，也就是外向 化存储。s a n 提供了一个能存储大量数据且具有高可靠性和高可扩展性的数 据存储系统：s t o r a g ea r e an e t w o r k i n g ，简称为s a n 。 它由两层组成：一是提供物理联接的通信基础体系，二是管理层，它组织 各种联接元素，存储元素和计算机系统，以保证数据传输的安全性和健壮性。 3 2s a n 的优势 1 可实现更高的应用层次 因为s a n 可以使得任意的服务器访问任意的存储单元，它提供一个基 础，使得服务器集群和数据共享更加易于实现。 2 更易于集中式管理 s a n 是将存储集中在一起，通过s a n 的管理工具达到高效的管理， 降低了非计划的停机时间，简化了事故发生时的灾难恢复。 3 集中、巩固的存储 s a n 可以对昂贵的存储资源提供共享的访问，提高存储的高额投资的 回报率。 4 缓解了网络拥塞 通过提供一个单独的数据通道，s a n 的结构可以实现在不占用现存 l a n 硝n 和服务器资源的一些数据管理功能，例如：备份，恢复，文件 导入、导出，数据复制等。 5 简化并降低了备份时间 s a n 可以实现数据通过s a n 直接从个存储单元到另一个存储单元 的无服务器的( s e r v e r l e s s ) 备份，存储一存储的联接使得一些操作可以独 立于应用服务器。 6 提供存储资源的重新设置 第三章存储区域网( s a n ) 的结构和管理 服务器和与它们相关的存储不再是紧密联系在一起，新的存储设备可 以动态的加入而不需要加入新的服务器，同样也可以动态加入新的服务 器。 3 3s a n 的体系结构 s a n 的体系结构分为四层： s a n 基础结构 服务器 存储系统 软件 s a n 体系结构的四层之间是相互独立的，每一层都用来实现本层特定的功 能，这也是s a n 最大的优点。在d a s 或n a s 中，用户不可能将存储系统和 控制存储系统的设备( 文件服务器) 分离开来。s a n 的优势在于它的四层之间 是相互独立的，从而外向化存储成为可能。 图3 1s a n 体系结构 f i 9 3 1a r c h i t e c t u r eo fs a n s a n 结构的四层实现了数据的外向化存储，s a n 的基本结构包含接口部 件、连接部件和“f a b r i c 构造”。 3 3 1s a n 基础结构 3 3 1 1s a n 接口 在s a n 中，s a n 接口在存储设备和服务器之间或接 j 所联接的联接部件 之间提供一种通信方式，允许s a n 服务器联接到存储设备上。当前s a n 的接 口主要有“1 ： s c s i ( s m a l lc o m p u t e rs y s t e mi n t e r f a c e ，小型计算机系统接口) 。这是 一种并行接口，它允许存储设备和计算机之间或其它系统之间的联接， 并通过多条数据线传输数据。s c s l 接口规范需要智能化的外围设备和 控制器，并且每个控制器卡能管理7 个存储设备。s c s i 标准一直都在 华南理工大学下学硕士学位论文 不断发展：从s c s i 一1 到s c s i - - 2 ，再到s c s i 一3 ，从基于l v d ( l o w v o l t a g ed i f f e r e n t i a l ，低电压差) 技术的u l t r a 2s c s i ，到具有更高性能、 可靠性的u l t r a l 6 0s c s i 。 f i b r e c h a n n e l ( 光纤通道1 。这是设计来改进s c s i 性能的高速串行接口。 在s a n 中，光纤通道能有效地联接多个系统和存储设备。可以通过使 用交换机和h u b 建立一个有良好界限的系统集群。可采用光纤实现， 也可采用铜芯电缆实现。 i s c s i 技术。这是由i b m 下属的两大研发机构：加利福尼亚a l m a d e n 和以色列h a i f a 研究中心共同开发的，是一个供硬件设备使用的、可 以在i p 协议上层运行的s c s i 指令集。简单地说，i s c s i 可以实现在 1 p 网络上运行s c s i 协议，使其能够在诸如高速千兆以太网上进行路 由选择”1 。现在，许多网络存储提供商致力于将s a n ( s t o r a g ea r e a n e t w o r k ，存储区域网络) 中使用的光纤通道设定为一种实用标准，但 其架构需要高昂的建设成本，这不是一般的企业所能够承受的。i s c s i 技术是基于i p 协议的技术标准，实现了s c s i 和t c p f p 协议的连接， 对于以局域网为网络环境的用户，只需要不多的投资，就可以方便、 快捷地对信息和数据进行交互式传输和管理。 一个f c 的h b a 是主机系统的i o 总线和存储网络之间的i o 适配器。一 旦安装，h b a s 就变成服务器内部总线结构的一部分，使得它与刁i 同的外部设 备相联接。大部分的h b a s 或者用g l m s ( g i g a b a n dl i n km o d u l e s ) 或者用 g b i c s ( g i g a b i ti n t e r f a c ec o n v e r t e r s ) 在铜缆和光纤之问作转换。它适用的总线包 括：s b u s ，p c i ，m c a ，e i s a ，g i o ，h 1 0 ，p m c 和c o m p a c tp c i 。可以用于s a n 的h b a 有很多种，例如o p t i c a l ，h s s d c ，d b 9 和g l m h b a s 。 3 3 1 2s a n 联接 随着网络规模的扩大，联接设备需要联接不同平台的系统。首先，若用光 纤( f i b r e o p t i cc a b l e s ) ，s a n 环境下常用的连接头有：s t o r a g et i p ( s t ) ，m u l t i f i b e r t e r m i n a t i o np u s h o n ( m t p ) ，e s c o n ，s q u a r ec o n n e c t o r ( s c ) 。 若用铜缆，则铜缆一光纤转换器有：d b 9 ，h s s d c ( h i g h s p e e ds e r i a ld i r e c t ) h u b s f ch u b s 是在仲裁环拓扑结构下的一个重要部件。利用f ch u b s 将各设备 联成一个环。h u b 的每个端l 都有一个端口旁路电路p b c ( p o s t b y p a s s c i r c u i t ) 。 当一个联接结点失败时，它可以自动的旁路该结点。它支持在环路中h u b 的热 插拔。 s c s i t o f i b r eb r i d g e 它可以使得在f c 拓扑下的f c 设备与现有的s c s i 存储设备相联。可以保 存原有设备，减低投入。例如，直到目前为止，还没有适于f c 的磁带驱动器， 而有了这个b r i d g e ，就可以使s a n 下的所有部分都看到并访问该s c s i 磁带设 备。保证了备份的海量空间。 f cs w i t c h f c 交换机使s a n 提高到一个更灵活，也更复杂的层次。它提高了流通量， 增强了安全性，可扩展性，异种互联性。它是企业级s a n 实现方案中必不可 少的。 第三章 存储区域网( s a n ) 的结构和管理 s w i t c he x t e n d e r s 大多数情况下采用的是多模光纤，s w i t c h e x t e n d e r s 是将多模转为单模，可 增加传输距离，主要用于容灾中将数据镜相到远端结点。 3 3 2 存储 在s a n 环境下，用的最多的两种存储方案有r a i d ( r e d u n d a n ta r r a yo f i n e x p e n s i v ed i s k s ) 和j b o d ( j u s tab u n c h o fd i s k s ) 。 3 3 2 1r a i d 系统 r a i d 是组磁盘，在多个磁盘的不同地方存放冗余数据，以防止有磁盘 或访问路径的失败。事实证明，r a i d 系统是最能满足s a n 存储需求的磁盘系 统。因为r a i d 系统提供了一种高速、高可靠存储和检索数据的方法。作为一 种技术，在r a i d 的发展过程中导致了一系列不同配置产品的出现，并且这些 产品都实现了称之为“级”的标准化，r a i d 的级别包括r a i d o 一7 、1 0 、5 3 、 0 + 1 等“级”。 3 3 2 2j b o d 系统 j b o d 是一个磁盘集合，将多个磁盘组成一组形成一个单一的大容量逻辑 卷，它们共享一个到服务器的联接。因为j b o d 综合了磁盘驱动器的存储容量， 所以它允许用户优化使用磁盘驱动器的存储容量，从而避免了对驱动器存储容 量的浪费。j b o d 不提供容错机制和数据冗余，但是在某些场合中，如果考虑 到r a i d 的费用太高，那么j b o d 将是一种权宜选择。 3 3 3s a n 软件 s a n 软件的根本目的是为用户提供一个简化的存储管理系统，帮助用户以 同步的方式管理s a n 网络中其他部件的运行。s a n 软件管理着s a n 中除s a n 软件以外的所有实体，例如s a n 基础结构、服务器和存储系统等。s a n 的软 件可以是一个单一的集成管理软件也可以是f = 弁s a n 网络中不同设备的不同管 理软件的集合。 3 4f ib r ec h a n n e f i b r ec h a n n e l 技术使得s a n 的联接成为可能。它是专门被设计用于 s e r v e r t o s t o r a g e 的数据传递，和高速的s e r v e r - t o - s e r v e r 的互联。它结合了数据 通信网络的灵活性和通道技术的特点，以实现一个町扩展的、可靠的网络环境。 3 4 1f ibr ec h a n n e i 的介绍 华南理工大学t 学硕士学位论文 c h a n n e l 是一种典型的设备之间直接或交换的联接，这是一个设备之间互相 可知的封闭的结构化的可预知的环境。它的特点是硬件密集，每个设备都有预 定的地址，具有健壮、高速、低开销，低层枪错和纠错功能。实例有s c s i ，i p i ， h i p p i ，和e s c o n 。它的局限性是在于距离和设备数量有限，而且一个服务器 要想访问其它服务器上的存储设备是很困难的。 n e t w o r k s 联接若干个设备，可以通过标准的协议来实现资源的共享和扩展。 它是一个非结构化，不可预期的环境。它的特点是软件密集，在分布式的网络 节点上有相对较高的开销，但是比起c h a n n e l 可完成更多功能。典