第五节 网络存储技术

     一、网络存储概述
     Internet的发展使得存储技术得到了更快的发展,双机热备份、磁盘阵列、磁盘镜像、数据库软件的自动复制等功能均不能称为完整的数据存储备份系统,它们解决的只是系统的可用性问题,而计算机网络系统的可靠性问题需要完整的数据存储系统来解决。
     现有存储技术主要有三种模式:直接连接存储DAS、网络连接存储NAS和存储区域网络SAN。DAS是存储器与服务器直接连接,产品主要包括种类繁多的磁盘、磁带库和光存储等;NAS是将存储设备通过标准的网络拓扑结构,连接到一系列计算机上,重点在于帮助工作组和部门级机构解决迅速增加存储容量的需求;SAN是采用高速的光线通道作为传输介质的网络存储技术。将存储系统网络化,实现了高速共享存储及块级数据访问的目的。
     SAN具有极度的可扩展性、简化的存储管理、优化的资源和服务共享及高度可用性。
      二、存储区域网SAN
     随着计算机系统计算速度的提高和数据存储容量的增长。并行总线结构的SCSI受到性能和数据传输距离的限制,为了满足新的需求,开发了为存储设备提供千兆串行网络访问能力的光纤通道协议。
     光纤通道协议综合了许多优点,如传输距离的增大、多种介质的使用、速度的提高等,这些特点使光线通道协议作为并行SCSI协议的替代得到了普遍认可。随着光线通道协议的应用,产生了SAN。SAN是一个由存储设备和系统部件构成的网络,所有的通信都在一个光线通信网络上完成,可以用来集中和共享存储资源。
    三、SAN的体系结构
     SAN由三大部分组成:目标设备、发起设备和互联设备。目标设备是SAN系统中的存储设备,包括磁带驱动器、简单磁盘捆绑JBOD、独立磁盘冗余阵列和IP目标设备;发起设备是主动搜索目标设备并进行交互的设备,如服务器和工作站等,发起设备和目标设备的区别在于发起设备主动检测网络中的目标设备,使用目标设备来初始化传输,而目标设备是被动设备;互联设备将目标设备和发起设备连接构成SAN整个系统。
     互联设备中的重要组件是交换机,交换机构成了基于光纤通道的SAN系统基础,为帧在设备间的传输提供高速连接。集线器和路由器也是SAN中的常用设备,光纤通道集线器实现以太网集线器类似的功能。
     集线器分为可管理型和不可管理型,可管理型集线器只有在产生有效传输数据后才将数据传输到另一设备;而不可管理型集线器只是简单的连接所有设备的物理链路,不做任何数据处理。不可管理型集线器的缺点在于运行不正常设备发送不正常的数据包,而这回导致光纤通道环路停留在不可用的状态并阻止其他设备的正常传输。
     路由器通常连接不同协议的通信介质,如光纤通道协议和以太网协议间的连接或光纤通道协议和SCSI协议的连接等。
     四、SAN的拓扑结构
     SAN的拓扑结构与以太网拓扑结构不同,主要有:点对点拓扑结构、光纤通道仲裁环环路结构FC-AL、可交换Fabric拓扑结构。
     点对点拓扑结构的最基本用途是连接一台设备到交换机或其他网桥设备。目标设备直接与发起设备的点对点连接较少见,这是因为该连接方式明显对资源浪费。点对点连接中不存在地址,所有设备直接传输数据,优点是任何时候设备都享有全部带宽。
     光纤通道仲裁环环路是不使用交换机而连接最多127个设备的配置方案。设备在仲裁环路中连接成环形,上游传输的光纤信号被送到下游设备的接收端口。仲裁环路的初始化较为复杂,所有环路中的设备都必须准确地分配仲裁环路物理地址,所有设备共享一根线缆的带宽,当增加或减少环路中的节点时,整个系统需要重新初始化。因此环路设备如果并发访问较少时,该结构较为合适。
     可交换的Fabric拓扑结构可以灵活地扩展SAN系统,允许设备在系统中动态加入和移除节点,对其他节点没有任何影响。
      五、光纤通道技术
     光纤通道技术是在通道技术和网络技术的基础上开发出来的。通道技术是硬件密集型,为缓存区快速传输大量数据而设计的,典型的通道技术有高性能并行接口HIPPI和串行连接;网络技术是软件密集型技术,网络数据包被路由传输到多种设备上,光纤通道技术集这两者的优点与一体。
     光纤通道技术中数据传输非常快,并具有动态连接远距离设备的能力。使用单模光纤,SAN系统的范围可以扩展到百公里。光纤通道最初用来传输SCSI和IP协议,信息以帧的实行传输,帧的头部信息包含有帧的来源、目的和帧类型,与有效载荷一起构成完整的帧。
     光纤通道协议可以抽象为5个层次,由低到高依次为FC-0到FC-4。对比OSI模型,FC-0相当于光纤通道的物理层;FC-1是信号的编码和解码层;FC-2是光纤通道的协议层;FC-3是光纤通道的通用服务层;FC-4是光纤通道的高层协议映射层,定义了SCSI、IP、HIPPI、ATM等高层协议在光纤通道上的实现。
      六、网络附加存储NAS
     NAS是一种将分布、独立的数据整合为大型、集中化管理的数据中心,以便于对不同主机和应用服务器进行访问的技术。NAS设备由存储器件、和集成在一起的简易服务器构成,用于实现文件的存取和管理等相关功能。
     NAS通过网线连接磁盘阵列,具备磁盘阵列的最主要特征:高容量和高可靠。NAS是部件级的存储方法,存储设备通过标准的网络拓扑结构连接到一组计算机上,所以NAS无需服务器直接上网,也不依赖通用的操作系统,而是采用了一个面向用户设计的、专门用于数据存储的简化操作系统,该系统内置了与网络连接所需的协议,因此整个系统的管理和设置较为简单。
     NAS利用现有的以太网技术,通过以太网接口将存储设备连接到LAN,充分利用了文件共享协议NFS,在系统目录和文件级实现共享。NAS环境中允许多主机共享文件,一个NAS系统可以是一个与平台无关的服务器或一组用于存储的服务器群。
      七、几种典型的存储管理软件
      CA BrightStor
     CA公司该方案的定位是实现“端到端的全面存储管理”,强调其管理的完整性和全面性,所覆盖的领域从移动商务到大型主机,满足企业数据备份、灾难恢复、移动存储以及存储资源管理等各种需求。
     BrightStor Enterprise Backup、BrightStor ARCserve 2000、BrightStor Mobile Backup和BrightStor Storage Resource Manager四大部分。EB和ARCserve 2000是最基本的存储备份产品,前者是CA针对企业级分布式计算环境开发的具有极高备份性能的端到端的备份与恢复方案,适用于大型企业的负责存储管理应用。
     CA新推出的BrightStor SRM存储资源管理器,可以将全面的存储资源管理与数据备份和恢复完美地结合起来,为企业用户充分、合理、有效地调用存储资源提供了基础框架。另外为了保证数据的安全有效,还即成立防病毒的解决方案,可以在备份或复制操作期间自动进行病毒扫描。
      Sun StorEdge
     Sun公司2003年发布了开放的存储架构Sun Storage ONE,其设计宗旨就是“让客户管理存储服务,而不失管理存储器”。这一价格的核心是Sun StorEdge 软件套件,它由Sun StorEdge QFS和SAM-FS文件系统、Sun StorEdge可用性套件、、存储资源管理套件和性能套件四部分组成。软件套件提供了实时复制和远程镜像能力,使业务中断的危险减到最小,并且在发生灾难时尽快恢复关键数据和业务。存储资源管理为用户提供容量报表、数据库报表、文件报表、全局报表等,使用户可以根据应用需求的不同而设计自己的资源配置和调用策略,使存储资源管理最佳。
     StorEdge不仅支持Sun StorEdge阵列和系统,而且同样适用于竞争对手的存储产品,并且可以在包括Linux、WindowsNT/2000、HP-UX、IBM-AIX等多种操作平台上运行。Sun StorEdge QFS和SAM-FS文件系统提供的容量可达252TB以上,而传统的文件系统容量仅1TB。同时能在SAN环境下提供完整的文件共享功能。
      EMC Aut1S
     EMC既是存储硬件供应商又是存储软件供应商,其存储管理软件分为两部分:一部分专门管理EMC存储系统;另一部分既可以管理EMC存储系统,也可以管理第三方存储系统。EMC的Auto1S战略提出信息存储的趋势是自动、简化和开放。主要产品包括功能强大的自动化和管理应用程序,以及集成不同硬件恶化软件的中间件。
     EMC的另一个重要产品是TimeFinder,它是为主机、开放式系统、WindowsNT和AS/400操作平台设计的独特软件。允许系统和存储管理器在后台状态下为主机和开放式系统信息存储建立可独立寻址的业务连续卷数据体,并允许基于该数据体的备份操作在任何时间点上、以任何频率进行,从而提高备份的销量并降低风险。
     VERITAS NetBackup
     VERITAS为存储管理提供了完整的产品线,从备份和恢复、文件和逻辑卷管理、集群和复制到SAN管理,VERITAS都提供了相应的管理工具。备份管理软件NetBackup与分级存储管理产品NetBackup Storage Migrator一起,既可为企业提供分层次、多平台数据保护,又可以为台式机、笔记本电脑提供备份功能。
     新的NetBackup4.5中,还增加了灾难自动恢复、裸机恢复、自动重新安装操作系统等新功能,并加强了Oracle数据库的备份与恢复功能。VERITAS的另一个备份软件产品Backup Exec是相对低端的备份软件,目前是唯一的中文版本的备份软件,同时支持WindowsNT/2000和NetWare平台。
     八、iSCSI
     iSCSI实现在IP网络上运行SCSI协议,使其能在高速千兆以太网上进行路由选择。目前的很多网络存储提供商致力于将SAN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。NAS技术成本低廉,但受到带宽限制,无法完成大容量存储应用。
     iSCSI的使用在上述两种技术之间架设了一道桥梁,基于IP协议并且拥有SAN大容量集中开放式存储的品质。相对以往的网络接入存储,iSCSI的产生解决了开放性、容量、传输速度、兼容性、安全性等问题,其优越的性能在发布之日就受到了各方面的关注。