信息存储与管理

信息存储与管理国家天文台（科技处）信息与计算中心存储局域网络主讲人：储王伟第六讲前言我们正经历着爆炸式的信息膨胀，低廉而高性能的信息管理解决方案成为一种挑战。一个高效的信息管理解决方案必须能够：及时提供信息给用户；信息基础设施与业务流程集成；灵活易变的存储体系结构。直连存储DAS是一种孤立的存储环境，上面的信息很难管理和分享，为了将信息组织起来，存储局域网(StorageAreaNetwork,SAN)应运而生。这一讲的主要概念有：SAN的组件，光纤通道(FC)结构，光纤通道协议栈，光纤通道端口，光纤通道寻址，分区和光纤通道拓扑SAN的实现及其演化存储区域网（StorageAreaNetwork，SAN）通过光纤通道交换机连接服务器（或者称为主机）和存储器并传输数据。SAN实现了存储整合，允许多个服务器共享存储设备。它允许用户连接分散在不同地方的服务器和存储器。SAN的实现及其演化二

SAN概念：SAN包括通信架构的物理设备，主机和存储阵列之间的通信机制。它还提供管理接口负责维护设备之间的连接、管理存储阵列及主机。SAN演变：在早期的实现版本中，SAN只是简单的主机组，相关的存储设备通过集线器连接，称为光纤通道仲裁环（FibreChannelArbitratedLoop，FC-AL）。

因为集线器只能提供有限的互联功能和带宽，其局限性使其让位于高性能的FC交换机。SAN的fabric交换拓扑提升了互联功能和性能，使SAN拥有更好的可扩展性。FC-AL因其局限性被取代，但它仍然被作为磁盘驱动器接口使用。光纤通道FCFC结构是一种高速网络技术，是SAN的基本组成元素。FC结构的构成，一般用于SAN前端的连接是光纤线缆，用于SAN后端磁盘连接的是串行铜缆。FC网络技术的重要特征就是其更高的传输速度，最初实现的100MB/s的吞吐率就远远大于DAS环境中UltraSCSI的20MB/s的速度。在全双工模式下，可达200MB/s的吞吐率，最新的8GFC，甚至可达1600MB/s的吞吐率。FC结构是高可扩展的，理论上一个FC网络可以容纳1500万个节点。SAN组件1：布线SAN的实现使用光纤进行布线。铜缆可以用于短距离的后端连接，因为它在30米距离内才能提供更好的信噪比。光纤线缆用光信号来携带数据。光纤分为两种：多模和单模。多模光纤和单模光纤多模光纤（MultiModeFiber，MMF）线缆可携带多个光束，以不同的折射角度同时在线缆核心内传输。在MMF传输中，多条光束在线缆里穿越，容易发生色散和碰撞。这些碰撞会导致信号在长距离传输后强度减弱--这也被称作模间色散（ModalDispersion）。

由于模间色散效应，MMF线缆通常被用作距离在500米以内的传输。单模光纤（Single-ModeFiber，SMF）携带单个激光束，在线缆芯线中央穿越。在SMF传输中，单条光束在光纤的线芯正中直线穿越。

极细的线缆线芯和单束光波，都减少了模间色散。

在所有类型的光纤线缆中，单模光纤提供了最小的信号衰减和最大的传输距离（长达10千米）。单模光纤被用于长距离的线缆传输。SAN组件2：连接器SC连接器（StandardConnector）和LC连接器（LucentConnector）是两种常用的光纤连接器。SC的数据传输率为1Gbit/s，LC的数据传输率为4Gbit/s。ST连接器（StraightTip）是一个有插栓和插孔的光纤连接器，可以锁住一个半螺旋锁扣。在早期的FC部署时，光纤主要使用ST连接器。这种连接器常用于光纤通道接插面板。小型封装可热插拔式收发器（SmallForm-factorPluggable，SFP）是一种用于光通信的光收发器。标准的SFT+收发器支持的数据传输率达到10Gbit/sSAN组件3：互联设备集线器、交换机、和控制器是常用于SAN的互连设备。1集线器：是用于FC-AL的互连设备。集线器将节点连接成一个逻辑环或者一个星型的物理拓扑。所有节点都必须共享带宽，因为数据会流经所有的连接点。由于廉价而性能较高的交换机的出现，集线器不再被用于SAN中。2交换机：比集线器更加智能，将数据从一个物理端口直接发送到另一个端口。所以，节点不再共享带宽，而是每个节点都有一个专用的通信路径，从而实现了带宽的聚合。3控制器：比交换机更大，主要部署在数据中心。控制器的功能与FC交换机相似，但是控制器有更多端口并有更强的容错能力。SAN组件4：存储阵列、管理软件存储阵列：智能存储阵列已在第4讲描述过，此处省略。SAN管理软件：管理主机、互连设备以及存储阵列之间的接口。它提供了SAN环境的一个可视化视图，并且可以在一个中心控制台进行多种资源的集中管理。

它提供了关键的管理功能，包括存储设备、交换机和服务器的映射，以及监控和发现新设备时通知机制，还包括对SAN进行逻辑划分，称为分区（zoning）。另外，这些软件还提供管理传统SAN组件的能力，例如HBA、存储部件和互连设备等。SAN组件5：节点端口在光纤通道中，设备诸如主机、存储阵列都被称作节点。每个节点就是其他一个或多个节点的信息源或目标。每个节点需要一个或多个端口来提供物理接口，用于与其他节点进行通信。这些端口是主机总线适配器和存储器前端适配器的一个集成部件。每个端口都是全双工传输模式，拥有一个发送（Transmit，Tx）链路和一个接收（Receive，Rx）链路。SAN交换机端口分类交换机上的端口类型包括以下几种。N端口（N_port）：一种fabric上的末端端口。这种端口也被称作节点端口（nodeport）。这通常是一种主机端口（HBA）或一个存储阵列端口，连接到交换fabric上的交换机。NL端口（NL_port）：一种支持仲裁环拓扑的节点端口。这种端口也被称作节点环端口（nodeloopport）。E端口（E_port）：一种FC端口，可以用于两个FC交换机之间的连接。这种端口也被称作扩展端口（expansionport）。在fabric里，一个FC交换机上的E端口通过一条链路连接到另一个FC交换机的E端口，也被称作内部交换链路（Inter-SwitchLink，ISL）。ISL被用作传输主机到存储器的数据，同时也包括fabric的管理流量，从一个交换机传输到另一个交换机。ISL也是SAN连接的可扩展机制的一部分。SAN交换机端口分类2F端口（F_port）：一种交换机上的端口，用于连接N端口。它也被称为fabric端口，但不能用于FC-AL中。FL端口（FL_port）：一种fabric端口，可以用于FC-AL。这种端口连接到FC-AL环上的NL端口。一个FL端口也可以连接一个环到交换fabric的交换机上。于是，所有在环上的NL端口都可以用于FC-SW中。这种配置也被称为公共环（publicloop）。另一方面，一个没有任何交换机的仲裁环就被称作私有环（privateloop）。一个私有环包含NL端口，但不包含FL端口。G端口（G_port）：一个通用端口，可以作为E端口或F端口来用，并且可以在初始化时自动决定其功能。FC简单连接方式2光纤通道仲裁环FC-AL：FC-AL拥有令牌环拓扑和星型物理拓扑的特性。在FC-AL里，每个设备都与其他设备争用信道以进行I/O操作。在环上的设备必须被仲裁才能获得环的控制权。在某个给定的时间点，只有一个设备可以在环上进行I/O操作。FC-AL1点对点：最简单的两个设备之间相连，互连能力有限。FC-AL仲裁机制

1当一个节点尝试传输数据时，该节点会发送一个仲裁帧（arbitrationFrame，ARB）给环上的每个节点。如果两个节点同时尝试获得环控制权，具有最高优先级的那个节点就被允许与其他节点通信。优先级是由仲裁环物理地址（ArbitratedLoopPhysicalAddress，AL-PA）和环ID决定的。

2当发起方节点接收到自己发送的ARB请求时，它就获得了环的控制权。该发起方就开始与目标方节点建立虚链接并传输数据。

FC网络连接方式：FC-SW3光纤通道交换fabric(FC-SW):不像FC-AL那样，一个FC-SW提供互连设备、专用带宽以及可扩展性。在一个交换网里增加或移除设备极少引起网络服务中断，它不会影响其他节点正在传输的数据流量。FC-SW也被称作fabric连接。一个fabric是一个逻辑空间，所有节点都可以在其中互相通信。这个虚拟空间可以通过一个交换机或一个交换机网络来构建。

每个在fabric中的交换机包含一个唯一的域标识符，同时也是fabric寻址机制的一部分。在FC-SW中，节点并不共享一个环；相反，数据是通过一个专用的路径在节点间进行传输。每个fabric上的端口都有一个唯一的24比特的光纤通道地址用于通信。FCSAN的发展光纤通道协议栈FC-4高层协议FC-4是最高层的FCP协议栈协议。这一层定义了应用程序接口和高层协议（UpperLayerProtocols，ULP）映射到低层FC协议层的方式。FC标准定义了几种可以在FC-4层操作的协议（如图6-7所示）。其中一些协议包括SCSI、HIPPI组帧协议、企业存储连接（EnterpriseStorageConnectivity，ESCON）、ATM和IP等。FC-2传输层FC-2传输层包含有效载荷、源地址和目的地址以及链路控制信息等。FC-2层提供了光纤通道编址、结构和数据组织形式（帧、序列和交换）。它也定义了fabric服务、服务类、流量控制以及路由等。FC-1传输协议这一层定义了传输协议，包括串行编码和解码规则，以及所使用的特殊字符和差错控制等。在发起节点，一个8比特的字符被编码成10比特的传输字符。这些10比特字符然后被发送到接收节点。在接收节点，这个10比特的字符被转到FC-1层，解码为原来的8比特字符。FC-0物理接口FC-0是FCP协议栈的最底层。这一层定义了物理接口、媒介和原始比特的传输规则。FC-0指定了包括线缆、连接器以及不同数据率下的光学和电器等参数。FC传输协议可用在电器媒介和光学媒介上。分区分区是一种FC交换机的功能，它使得节点在一个fabric里可以被逻辑上分为不同的组，并且在组间进行互相通信。当一个设备（主机或存储器）登录到fabric上时，它就会通过一个名字服务器进行注册。当一个端口登录到fabric上时，它会经历一个设备发现过程，而其他设备是已在名字服务器上注册过的。分区功能的作用就是控制着这个过程。一个分区集是一组分区，一个分区就是一组成员。一个成员可能在多个分区里面。但每次只有一个分区可以处于活动状态。FC拓扑一：核心-边缘Fabric在核心-边缘fabric拓扑中有两种类型的交换机层。边缘层通常包括交换机，提供一种廉价的添加更多主机到fabric中的方案。在边缘的这一层是从核心层扇出的。在边缘的节点可以互相进行通信。

核心-边缘fabric拓扑增加了SAN里的连接性，同时保证了总体的端口利用率。如果需要扩展，一个额外的边缘交换机可以连接到核心。这种拓扑可以有不同的变种。在一个单核心拓扑里面，所有主机都连接到边缘层，所有存储器都连接到核心层核心-边缘Fabric的优点和局限性

优点：

核心-边缘fabric提供了单跳的存储访问，遍及系统中的所有存储器。因为流量是以一种确定的模式传输（从边缘到核心），核心-边缘拓扑提供了更简单的ISL负载计算和流量模式。因为每个层上的交换机都用于存储器或主机，所以它们很容易定位哪些资源更接近它们的处理能力，使其更容易建立一套规则用于增减或分配资源。

局限性：核心-边缘fabric可能会导致一些性能相关的问题，因为扩展一个核心-边缘拓扑包括增加fabric中的ISL（交换机间链接）数量。随着更多的边缘交换机添加进来，fabric中的域数目也会增加。一个最好的通用实践是保持主机到存储器的跳数不改变，在核心-边缘拓扑