沈鑫剡编著《计算机网络工程》第9章配套课件

计算机网络工程第九章第9章存储系统设计方法和实现过程本章主要内容存储系统分类；硬盘和接口；RAID；FCSAN实现过程；ISCSI实现过程；存储系统设计实例。9.1存储系统分类本讲主要内容DASNASFCSANISCSI各种存储系统比较一、DAS直接附加存储（DAS）结构中，主机与硬盘之间是固定连接，CPU通过内部总线与硬盘总线适配器相连，硬盘总线适配器通过固定连接线与硬盘相连。二、NAS网络附加存储（NAS）结构中，网络存储设备是一种集网络服务器与存储设备于一体的设备，多个终端可以通过文件系统方式共享网络存储设备。三、FCSAN

光纤通道存储区域网络（FCSAN）结构中，多个主机通过光纤通道（FC）交换网络与多个存储设备相连。主机与存储设备之间关系是动态的，多个主机可以共享同一个存储设备，单个主机也可控制多个存储设备。四、ISCSI互联网小型计算机系统接口（iSCSI）结构中，由TCP/IP网络互连服务器与存储设备，多个主机可以共享同一个存储设备，单个主机也可控制多个存储设备。五、各种存储系统比较DAS直接通过专用总线连接服务器和存储设备，服务器独占该存储设备。SAN和NAS通过网络互连服务器和存储设备，存储设备作为单独设备连接在网络上，因此，存储设备必须是一个智能设备，能够运行网络协议栈。NAS方式下，服务器只能共享存储设备中的文件系统，以文件为单位访问存储设备。9.2硬盘和接口本讲主要内容硬盘分类IDESATASCSISAS固态硬盘一、硬盘分类硬盘总线适配器、硬盘控制器及互连硬盘总线适配器与硬盘控制器的连接线类型一起确定了硬盘接口类型；接口类型主要包括电子集成驱动器（IDE）、串行高级技术附件（SATA）、小型计算机系统接口（SCSI）和串行连接SCSI（SAS）；这些接口类型之间的主要不同在于硬盘总线适配器和硬盘控制器的功能及互连硬盘总线适配器与硬盘控制器的连接线类型。二、IDE

IDE的特点是将盘体与控制电路集成在一起，使得硬盘自身能够实现寻道、读写等操作过程，CPU只需通过硬盘总线适配器向硬盘中的控制电路发送操作指令，由硬盘自身完成操作指令指定的操作；IDE支持高级技术附件（ATA）指令集，硬盘总线适配器与硬盘之间用并行线缆连接。三、SATASATA同样支持ATA指令集，但硬盘总线适配器与硬盘之间采用串行线缆；串行传输过程中，通常将需要传输的指令或数据封装成帧结构；采用点对点连接方式，每一个SATA接口连接一个SATA硬盘。四、SCSI每一个SCSI控制器可以连接15个SCSI设备；传输速率高；硬盘转速、缓冲器容量和硬盘容量等性能指标都好于IDE硬盘；SCSI总线的长度可以达到12m，远远大于IDE的45cm；支持热拨插SCSI控制器的智能化程度远高于IDE总线适配器；SCSI设备总体读写性能远远高于IDE设备；SCSI支持SCSI指令集。五、SAS基本连接方式使用扩展器连接方式五、SAS支持SCSI指令集；SAS总线适配器与SAS设备之间采用串行传输方式；SAS总线适配器与SAS设备之间采用点对点连接方式；SAS物理链路的传输速率较高，SAS1.0为3Gb/s，SAS2.0为6Gb/s。五、SAS六、固态硬盘分为两类基于闪存的固态硬盘，采用FLASH芯片作为存储介质基于DRAM的固态硬盘，采用DRAM作为存储介质目前固态硬盘主要指基于闪存的固态硬盘

9.3RAID本讲主要内容RAID0RAID1RAID3RAID5RAID6RAID50一、RAID0

冗余磁盘阵列（RAID）是一种将多块独立的物理硬盘按照一定的形式组织成硬盘组的技术，硬盘组作为逻辑硬盘在速度、稳定性和存储能力上都比单个物理硬盘有很大提高，并且具备一定的数据安全保护能力。

逻辑硬盘中连续的数据块被分布在多个不同的物理硬盘中，逻辑硬盘的容量是所有物理硬盘容量之和。对逻辑硬盘连续数据块的读写操作被并发到多个不同的物理硬盘上，因此，如果以条带为单位读写逻辑硬盘，逻辑硬盘的读写时间是单个物理硬盘读写时间的1/N，其中N是物理硬盘数量。一、RAID0两个相同的物理硬盘存储相同的数据，其中一个物理硬盘作为另一个物理硬盘的镜像，逻辑硬盘中每一个数据块分别映射到两个物理硬盘中对应的数据块，逻辑硬盘中某个数据块的写操作，将引发两个物理硬盘中对应数据块的写操作。二、RAID1N个物理硬盘中，N－1个物理硬盘作为数据盘，用于存放数据，余下的一个物理硬盘作为校验盘用于存放校验结果。校验结果是对同一条带中数据块进行异或运算的结果，如PA=D0⊕D1⊕D2（⊕表示异或运算）。如果逻辑盘需要写入数据块D0、D1和D2，数据块D0、D1和D2被分布到三个不同的物理硬盘中，计算出PA=D0⊕D1⊕D2，并将PA写入校验盘中。三、RAID3RAID5与RAID3相似，不同的是RAID5中没有单独的校验盘，校验块分布在各个数据盘中，每一个数据盘留出1/N容量存放校验内容；多个数据块的改写操作可以并发进行。四、RAID5五、RAID6RAID6用于解决两个物理硬盘同时损坏时的数据重构问题;N个物理硬盘中N－2个物理硬盘作为数据盘，其余两个物理硬盘作为校验盘;一个校验盘是横向校验盘,另一个校验盘是斜向校验盘。

六、RAID50两个独立的RAID5组成RAID0结构，写入RAID50的数据{D0，D1，D2，D3，D4，D5，D6，D7，D8，D9，D10，D11}被分成两组，一组是{D0，D1，D4，D5，D8，D9}，另一组是{D2，D3，D6，D7，D10，D11}，这两组数据可以并发写入两个独立的RAID5中。9.4FCSAN实现过程本讲主要内容网络结构端口类型地址和标识符FCSAN工作过程一、网络结构光纤通道存储区域网络（FCSAN）由光纤通道交换网络和结点组成，光纤通道交换网络由光纤通道交换机和互连光纤通道交换机的链路组成。用光纤作为互连光纤通道交换机的链路。结点通常为服务器和存储设备，服务器与存储设备之间通过光纤通道交换网络建立用于传输SCSI命令、数据和状态的通路。二、端口类型N_Port位于结点，用于将结点连接到光纤通道交换网络；F_Port位于光纤通道交换机，用于将N_Port接入光纤通道交换网络；E_Port位于光纤通道交换机，通过交换机间链路（ISL）实现与位于其他光纤通道交换机上的E_Port之间的互连；其他类型端口。

三、地址和标识符FCSAN中的每一个结点和光纤通道交换机分配唯一的64位全球结点名称（WWNN）；结点和光纤通道交换机中的每一个端口分配唯一的64位全球端口名称（WWPN）。四、FCSAN工作过程选出主要交换机结点完成注册过程建立名字注册信息库建立路由表N_Port之间数据传输过程SCSIoverFC光纤通道交换机之间通过定期交换名字注册信息，建立完整的名字注册信息库，名字注册信息库中记录光纤通道交换网络中所有结点的WWNN与24位地址之间的绑定关系。四、FCSAN工作过程文件系统计算出需要读写的存储块的LUN和LBA，SCSI驱动器根据LUN确定需要访问的远程存储设备，解析出远程存储设备的24位地址，将SCSI命令和数据封装成帧。FC驱动器和光通道交换网络保证将帧送达存储设备。存储设备的FC驱动器从帧中分离出SCSI命令和数据，将其传输给RAID控制器，由RAID控制器完成SCSI命令要求的操作。存储设备的操作结果（数据和状态）以同样的方式传输到服务器的文件系统。四、FCSAN工作过程9.5ISCSI实现过程本讲主要内容网络和协议结构标识符ISCSI工作过程一、网络和协议结构FCSAN需要两种不同类型的网络实现终端与服务器互联和服务器与存储设备互联。FC的带宽优势不复存在。FC-SAN应用系统结构

用以太网实现服务器和存储设备之间的互连，终端与服务器、服务器与存储设备将统一由Internet实现互连。一、网络和协议结构ISCSI网络结构

服务器与存储设备之间通过交换SCSI命令、数据和状态实现服务器对存储设备的访问过程，为了经过Internet实现服务器与存储设备之间的信息交换过程，需要在服务器（Initiator）与存储设备（Target）之间建立iSCSI会话，iSCSI协议的主要功能就是基于服务器与存储设备之间的TCP连接，建立iSCSI会话，经过iSCSI会话实现服务器与存储设备之间的信息交换过程。一、网络和协议结构二、标识符iqn.完全合格域名注册日期.反向完全合格域名：结点唯一标识符.whatzis:hedgetrimmer-1926184eui.64位企业唯一标识符eui.02004567A425678D

三、ISCSI工作过程服务器配置存储设备配置服务器访问存储设备过程安全问题9.6存储系统设计实例本讲主要内容NetApp存储设备结构NetApp应用方式一、NetApp存储设备结构NetApp存储设备同时具备FC接口和以太网接口，可以同时连接光纤通道交换网络和以太网；NetApp存储设备同时具备FC-AL接口和SATA接口，可以同时连接FC接口硬盘和SATA接口硬盘；控制器是NetApp存储设备的核心，一是支持多种协议，二是实现对硬盘的读写访问。二、N