（光学工程专业论文）存储区域网络技术在检验检疫局业务系统中的实现.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 近年来，计算机网络的迅速发展使得越来越多的信息被数据化。传统的存储 系统已经不能满足企业对存储系统高可靠性，可扩展性和安全性的要求。在这样 的情况下，计算机存储技术在概念和内涵上都发生了重大的改变。具体体现在： 数据的安全性和作业的连续性，其价值和重要性甚至超过了硬件系统本身；可以 最大限度的解决i 0 瓶颈；简捷而无限的扩展能力。s a n ( s t o r a g e a r e an e t w o r k ) 存 储网络技术就是在这样的需求下应运而生的。 s a n 将成熟的网络技术应用到存储管理中，使得以前存储设备与主机点对点 连接的概念发生了根本的变化。在s a n 存储网络中，存储设备不再是某一台主机 的附属物，而是连接成一个整体一存储网络，以此向所有主机提供服务。存储区 域网( s t o r a g e a r e an e t w o r k ) 以光纤通路( f c ) 为基础，实现了存储设备的共享；突破 了现有的距离限制和容量限制，服务器通过存储网络直接同存储设备交换数据。 作者结合重庆进出口检验检疫局的存储系统的建设项目，对存储系统进行了 规划，提出建设方案。为解决系统的存储问题，对d a s ( d i r e e t a t t a c h e ds t o r a g e ) 、 n a s ( n e t w o r k a t t a c h c ds t o r a g e ) 及s a n ( s t o r a g ea r e an c t w o r k ) 三种存储结构先进行 分析、比较研究。并成功地将s a n 存储结构技术应用于该用户的系统建设中，满 足系统对存储网络的稳定性、可扩展性、安全性及资源利用率等方面的要求。 论文首先对说明论文的选题背景，其次介绍了传统的几种存储技术解决方案， 其次重点阐述了s a n 的技术要点、支持的主要几种应用、它的主流拓扑结构以及 构成s a n 所需要的主要设备。然后根据这些技术并结合用户的实际要求搭建了一 个适合用户要求的s a n 平台，并介绍了用户采用的s a n 设备的性能特点。 最后讨论了下s a n 未来发展的新技术方向。 关键词：s a n ，存储，存储结构，i s c s i 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t i nt h er e c e n ty e a r s ，m o r ea n dm o r ei n f o r m a t i o na r ed a t a l i z e dd u et ob e 均p i d d e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e rn e t w o r k t h et r a d i t i o n a ls t o r a g es y s t e mn o wc o u l dn o t s a t i s f yt h ee n t e r p r i s e sh i g h l e v e lr e q u i r e m e n t st ot h er e l i a b i l i t y , t h ee x p a n s i b i l i t ya n d t h es e c u r i t yo f t h es t o r a g es ”；t c m u n d e rt h i sc o n d i t i o n , t h eg r i tc h a n g eh a sh a p p e n e d t ot h ec o n c e p t i o na n dt h ec o n n o t a t i o no ft h ec o m p u t e rs t o r a g et e c h n o l o g y , w h i c hi s r e f l e c t e di nt h es e c u r i t yo ft h ed a t aa n dt h ec o n t i n u i t yo fi t sw o r kw h o s ev a l u ea n d i m p o r t a n c ee v o ne x c e e d st h eh a r d w a r es y s t e mi t s e l f , t h e 鲫孵c a p a b i l i t yt os o l v et h e p r o b l e mo ff ob o t t l e n e c k ；t h ec o n v e n i e n ta n du n l i m i t o de x p a n s i b i l i t ya sw e l l s a ni s b o mi nt h ed e m a n d i n go fs u c hc h a n g e s s a na p p l i e dt h em a t i en e t w o r kt e c h n o l o g yt ot h es t o r a g em a n a g e m e n t , w h i c h b r i n g sf u n d a m e n t a lc h a n g e st ot h ef o r m a lc o n c e p t i o no ft h es p o tt os p o tc o n n e x i o n b e t w e e nt h es t o r a g ee q u i p m e n t sa n dh o s tc o m p u t e r i nt h es a ns t o r a g en e t w o r k , t h e s t o r a g ee q u i p m e n ti sn ol o n g e ra na d j u n c tt oc e r t a i nh o s tc 姗m p u t e r , h o w e v e r , t h e y c o n n e c t e dt ob eaw h o l et h es t o r a g en e t w o r ki no r d e rt oo f f e rs e r v i c et ot h eh o s t c o m p u t e r t h es t o r a g ea r e an e t w o r ki sb a s e d0 1 1t h ef c ，i tr e a l i z e st h es h a r eo fs t o r a g e e q u i p m e n t sa n db r e s k st h r o u g ht h er e c e n tl i m i t a t i o n st ot h ed i s t a n c ea n dc a p u d t y m o r e o v e r , t h r o u g ht h es t o r a g en e t w o r k , t h es e r v e re e n u l de x c h a n g ed a t aw i t ht h es t o r a g e e q u i p m e n td i r e c t l y b a s e do nas t o r a g es y s t e mc o n s t r u c t i o nc a s eo fc e r t a i ni n s t i t u t i o no fc h o n g q i n g c i t y , t h ea u t h o rp r o g r a m st h es t o r a g es y s t e ma n dp u t sf o r w a r dt h ec o n s t r u c t i o np r o j e c t i no r d e rt os o l v et h es t o r a g ep r o b l e mo ft h es y s t e m , t h ea u t h o ra n a l y z e sa n d c o m p a r a t i v e l ys t u d i e st h et h r e es t o r a g es t r u c t u r e s o fd a s ，n a sa n ds a n h e s u c c e s s f u l l ya p p l i e st h es a ns t o r a g es t r u c t u r et e c h n o l o g y t ot h i su s e r s s y s t e m c o 删o na n ds a t i s f i e st h es y s t e m sr o q u i r e m e n t st ot h er e l i a b i l i t y , t h ee x p a n s i b i l i t y , t h es e c u r i t ya n dt h er e s o u r c e - u t i l i z i n gr a t eo ft h es t o r a g en e t w o r k t h i st h e s i sf i r s t l y e x p l a i n st h eb a c k g r o u n dk n o w l e d g eo ft h i st o p i c t h e ni ti n t r o d u c e su ss e v e r a lk i n d so f t r a d i t i o n a ls o l u t i o mt ot h es t o r a g et e c h n o l o g y , i te m p h a s i z x 络t h et e c h n o l o g ye s s e n t i a l s o fs a n ，i t ss e v e r a la p p l i c a t i o n s , i t sm a i n s t r e a mt o p o l o g ys i r u c t i ：t r ea n dt h es a nm a i n c o m p o n e n te q u i p m e n t s t h e na c c o r d i n g t ot h e s et h n o l o g i e sa n de o m i d a r i n gt h eu s e r s i l 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a c t u a lr e q u i r e m e n t s , as a t i s f a c t o r ys a np l a t f o r mf o rt h eu s 黜b u i l tu p , f i t l 址槐。他 t h ec a p a b i l i t i e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h es a ne q u i p m e n t sa l ei n t r o d u c e d , t h ef u t u r e d e v e l o p m e n td i r e c t i o no ft h es a nt e c h n o l o g i e si sd i s c u s s e d 鸽w e l li nt h ee n do ft h i s t h e s i s k e y w o r d ：s a n ，s t o r a g e ，s t o r a g es t r u c t u r e , i s c s i i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重麽太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 一魄力f 柳期：渺7 年角巧日 l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重鏖太堂 有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重废太堂可以将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、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属予， 不保密( v ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位做作者躲力f 导师躲【禹移啖 签字日期砂1 年于月 日 签字日期7 年厂月7 日 重庆大学硕士学位论文 目录 1 绪论 1 1 引言 随着社会主义市场经济体制的不断完善，科学技术的不断发展，中国社会已 经进入了一个信息化的时代。信息技术进入人们的日常生活，计算机已成为处理 大量信息的不可缺少的手段。 作为政府的职能单位，必须要有先进、可靠而合乎自身使用及发展要求的信 息系统给予支持。所以领导着们能在企业飞速发展之时高瞻远瞩对自身的企业信 息化建设作出规划和改造，是一个非常明智而有远见之举。 政府中，尤其是在政府职能部门中，信息化目前可以说是开展的比较普及了， 上至中央机关，下至县、乡级单位都随处可见。信息化建设的信息中心的硬件投 入也是非常大，几乎到处都能见到大中小的各种主机、服务器、存储和备份设备。 这些设备中有些投入的时间比较早，在使用的一段时间后，随着信息的海量增长 以及业务管理的新的要求，很多以前的老设备往往就不能满足现在的处理性能要 求了。再加上新的技术的出现、同时对数据安全、数据性能的要求的显著提高， 所以不少地方要逐渐对老化的设备的进行重新改造和升级。 1 2 选题研究方向 我本人从大学毕业后多年中，一直都在从事政府和企业的信息化建设和改造， 从软件开发到系统集成，直接参于和管理过不少大中小的项目。 前段时间我们刚刚就接手了这个政府职能部门的存储系统的改造。之所以选 择这个项目作为课题，主要是这个项目的技术具有较强的先进行和代表性，采用 的设备也是目前最先进的。 重庆大学硕士学位论文 2 传统存储方式 2 传统存储方式 对存储部分方案的制定，首先要对不同存储网络结构有进一步的了解和认 识，本章将对传统存储结构做详细研究。 2 1 传统存储方式 传统的存储系统基于服务器磁盘的对应结构，大量的数据访问通过中心服务 器向依附于服务器的磁盘进行，一种技术称为d a s ( d i r e c t a t t a c h e ds t o r a g e ) 直连存 储模式，另一种技术称为n a s o n e t w o r k a t t a c h e ds t o r a g e ) 1 1 。 2 1 1d a s 直连存储 传统地，主机与硬盘或阵列是通过s c s i 连接方式连接的。s c s i ( s m a l lc o m p u t e r s y s t e mi n t e r f a c e ) 是主要的传统存储f o 技术，s c s i 的发音为“s k u z z 矿。更精确地 说，术语“并行s c s f 是指大量传统s c s i ，是多年来连接存储设备和开放系统计算 机地主要上具。s c s i 的数据传输是以块( b l o c k ) 方式进行的，块是存储设备上的低 层粒度存储单元。在并行s c s i 中，连接功能通常称为s c s i 总线，有时也称为s c s i 通道 2 1 。 这种存储方案的服务器结构如同p c 机架构，外部数据存储设备( 如磁盘阵列、 光盘机、磁带机等) 都自接挂接在服务器内部总线上，数据存储设备是整个服务器 结构的一部分，同样服务器也担负着整个网络的数据存储职责。 这种存储方案的服务器结构如同p c 机架构，外部数据存储设备( 如磁盘阵列、 光盘机、磁带机等) 都直接挂接在服务器内部总线上，数据存储设备是整个服务器 结构的一部分，同样服务器也担负着整个网络的数据存储职责。 图2 id a s 直连存储系统结构示意图 f i g2 1 d a ss t r u c t u r es y s t e ms c h e m a t i cd r a w i n g 2 重庆大学硕士学位论文 2 传统存储方式 典型的s c s i 实现是拥有单个的服务器，服务器可以有多个s c s i 适配器，每 一个适配器都有一条s c s i 通道以连接存储设备。从另个角度看，单一的服务器 便成为单点失败的根源，也成为潜在的用户获取数据的瓶颈。在要求7 x 2 4 的高可 靠性的数据处理情况下，允许系统的单点失败是一个很坏的事情。 为了保证网络中不出现单点错误，用户可以使所有服务器共享一个存储系统， 这种系统就是所谓的自连共享存储系统，如图2 2 所示，两个服务器共享一个存储 系统保证不会出现单点故障。 图2 2d a s 直连共享存储系统结构示意图 f i g2 2d a ss l r u c t u r es h a r i n gs y s t e ms c h e m a t i cd r a w i n g 这种方案主要在早期的计算机和服务器上使用，由于当时对数据存储的需求 并不大，单个服务器需要的存储能力就可以满足日常数据存储需求，因此在小型 网络应用中相当普遍。 随着对存储系统的功能需求和容量需求的不断增长，使得传统的存储方式己 经无法满足用户的需要。传统的存储系统由于受服务器总线技术的限制，系统的 可扩展性差。当客户连接数增多时，服务器将成为整个系统的性能瓶颈：主机的 带宽限制，虽然计算机技术的发展使主机总线带宽大为增加，但是仍赶不上现代 存储应用对带宽的要求；主机的内存容量限制，由于主机的内存容量有限，当有 连续的大量数据访问请求时，主机的内存容量将很快达到饱和，而不能处理剩下 重庆大学硕士学位论文2 传统存储方式 的数据传输请求；文件系统的管理开销也会增加数据访闯时间，c m u ( 卡内基梅隆 大学) 的研究表明，在大量客户端请求的时候，服务器便成为新的访问瓶颈，这种 瓶颈效应甚至导致存储系统的资源利用率只有3 t 3 1 。 另外，由于数据存储在多个独立服务器上，这些服务器都带有各自的存储系 统，因此形成所谓的“信息孤岛”【4 】。“信息孤岛”的存在不利于信息的整合， 阻碍用户综合利用信息做出正确决策。而且，它要求管理员管理在物理上分散的 不同平台的系统，增加了信息管理难度，从而降低管理效率，大大增加了存储系 统的总体拥有成本。因此，传统存储方式难以满足信息化社会对数据存储管理的 要求。 - 信息孤岛 分椎的服务器和存储设备 ：筹藿器篙譬曩篙 l h 分离的信息孤岛 一 _ 存储集中 集中存储系统 集中存储管理 集中企业数据 图2 3 “信急孤岛 和存储集中” f i g2 3 ”a l o n eo f i n f o r m a t i o n a n d ”f o c u so f s t o r g e ” 2 1 2n a s 网络存储系统 n a s ( n e t w o r ka t t a c h e ds t o r a g e ，网络附加存储) 方式则全面改进了以前低效 的d a s 存储方式，它是采用独立于p c 服务器，单独为网络数据存储而开发的一 种文件服务器。它提供了一个简单、高性价比、高可用性、高扩展性和低总拥有 成本的网络存储解决方案1 5 。 在这个存储方案中，最关键的就是一台专用于数据存储设备管理和数据存储 的文件服务器( 俗称 n a s 服务器) ，它安装了一个简化的操作系统，配备了必须的 一些组件。它可以自接通过p 以太双绞网线连接在原有企业网络上，作为网络的 一个节点而存在，服务器和上作站用户都可以自接通过网络访问n a s 服务器。n a s 4 重庆大学硕士学位论文2 传统存储方式 存储方式的网络结构如( 图2 4 ) 所示。 图2 4n a s 系统结构示意图 f i g2 4 n a ss t n m u r es y s t e ms c h e m a t i cd r a w i n g 除共享文件之外，n a s 部件不再实现任何其他功能。在n a s 中，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。 客户端可能需要访问主服务器上的文件时，如果网络中包含了n a s 部件，那 么主服务器就将从文件i o 操作中解放出来。这样客户端就能直接从n a s 部件中 检索数据。在n a s 中，客户端将通过诸如c i f s ( c o m m o ni n t e m e tf i l es y s t e m ，共 享i n t e r n e t 文件系统) 或n f s ( n e t w o r kf i l es y s t e m ，网络文件系统) 之类的文件访问 协议发送数据访问命令。网络中的n a s 部件能够根据客户端的需求接收或提供文 件。n a s 的高性能应归功于它所包含的专用处理器。这个处理器将和特定的文件 系统一起工作在专门设计的操作系统上【6 】。 n a s 服务器管理着网络所使用的文件系统。n a s 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。n a s 的停机时间也比d a s 的停机时间短。 对于网络上的客户端访问数据，n a s 也比d a s 更为迅速。 5 重庆大学硕士学位论文2 传统存储方式 n a s 是通过网线连接的磁盘阵列，它具备了磁盘阵列的所有主要特征：高容 量、高效能、高可靠。n a s 是部件级的存储方法，它的主要设备就是一台类似于 文件服务器式的存储产品。n a s 将存储设备通过标准的网络拓扑结构连接到一群 计算机上，无需服务器自接上网，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简化操作系统，内置了与网络连接所需的协议【7 】。 实际应用中，n a s 也表现出一些缺陷。在文件访问的速度方面，n a s 采用 的是文件i o 方式，在提出请求的客户端，文件f o 请求要经过整个t c p i p 协议 栈封装，经过网络传输，到达n a s 后，同样要经过整个t c p i p 协议栈将封装的 文件f o 请求命令解封装后到达n a s 的文件系统，再对存储设备进行读写，数据 取出来之后要经过类似的与之相反的过程，这带来巨大的网络协议开销哺j 。这种文 件的速度比s a n 的数据块i o 速度低。正是因为这个原因，n a s 不适合在对 访闯速度要求高的场合应用，如数据库应用、在线事务处理。在数据备份方面， 需要占用l a n 的带宽，会浪费宝贵的网络资源，严重时甚至影响客户应用的顺利 进行。在资源的整合和n a s 的管理方面，n a s 只能对单个存储( 单个n a s 内部) 设备之中的磁盘进行资源整合，目前还无法跨越不同的n a s 设备，难以将多个 n a s 设备整合成一个统一的存储池，因而难以对多个n a s 设备进行统一的集中管 理。 2 2 小结 传统方案的主要缺点在于【9 】： l a n 共享访问，存储访问尤其是磁带库的访问都要抢夺l a n 资源，从而 使前台的访问速度变慢。同时l a n 不是为持续的大数据流设计，而备份等应用要 求持续的高数据流操作，经常导致网络中断，使备份等作业无法继续。 主机负载不均衡。由于每台主机都有自己的存储系统，由于存储隔离，无 法共享，从而出现一方面存储极为紧张，另一方面却极为空闲的局面，极大的浪 费了资源和投资。 可扩充性差。由于受主机体系结构和s c s i 的限制，存储容量会被限定在 一定的范围内，无法再行扩充，除非升级整个主机存储系统。在近几年的主机系 统扩容中，很多企业都留下了些近乎垃圾的小型主机存储系统，极大的造成投 资浪费。 距离限制。由于传统体系的限制，要求主机和存储系统放置的距离为：直 连方式最大2 5 m 、光纤方式3 0 0 - 5 0 0 m ； 以服务器为中心的传统存储模式越来越难以满足现代存储应用大容量、高 可靠、高可用、高性能、动态可扩展、易维护和开放性等众多方面的需求。 6 重庆大学硕士学位论文3s a n 结构论述 3s a n 结构论述 3 1 前言 随着科技的发展，存储的爆炸性增长使存储管理面i 临巨大的挑战，应用和服 务器要求更多的数据，因而，也需要更多的存储。每一个应用可能需要不同的存 储要求。存储管理员必须面临管理各种不同存储方案的挑战。 存储区域网络的诞生，解决了传统存储方式的诸多问题。存储区域网络提供 以下的优越性：存储容量易扩展、性能易增强、距离易延伸，尤其是它为多个主 机系统共享存储子系统和数据奠定了基础。该系统将人们从解决数据可用性、容 量计划、性能管理等繁琐和重复性问题中解放出来。存储网络环境中，服务器和 存储之间的关系如图3 1 所示。 图3 1 在存储网络环境中的数据和存储的共享 f i g3 1 t h ep o o lo f d a t ea n ds t o r g ed e p e n d s a n 3 2 什么是s a n s a n ( s t o r a g ea r e an e t w o r k ) ，存储区域网，在最纯粹的意义上，是一个单独 的计算机网络，特点是基于光纤通道技术( f i b r ec h a n n e l ) 的电缆，交换机和集线器， 将很多的存储设备连接起来，再与有很多不同的服务器组成的网络相连接，以多 点对多点的方式进行管理【l o j 。s a n 还可以让存储设备与存储设备直接相连，并基 于新的集群技术，和直接与网络连接的存储设备( n e t w o r k a t t a c h e ds t o r a g e ) 技术， 使多台服务器与多台磁带库磁盘阵列相集成成为可能。 7 重庆大学硕士学位论文 3s a n 结构论述 这项技术包括以下组成：最主要的部分是光纤技术。这项技术利用光介质通 道，使极高速的数据传输和很大带宽的传输数据成为可能，距离还可以长达十公 里。服务器，磁盘阵列和其他存储设备通过光纤交换机或者光纤集线器用光纤连 在一起。这种连接具有很强的可扩展性，可以让地处几个国家的几百台服务器直 接与某个存储着几百t b 容量的s a n 相连，实现极大规模的数据共享。而它的安 全性是又是非常可靠的【“j 。 这项技术使存储设备真正可以与服务器脱离开，而形成一个总的数据中心， 以多点对多点的方式在网络上与其它计算机相连。 在最简单的s a n 网络中，s a n 只是提供给服务器一条比s c s i 更快的连接存 储设备的通道。略微复杂一点，s a n 可以让两台或多台服务器通过光纤通道高速 地访问一台磁带库或磁盘阵列。这种连接相比传统的做法提高了性能，可连接性， 还有了更好的容锘性。s a n 还可以通过采用更先进的集群技术把可用性和运行连 续性提高到一个全新的层次。s a n 还可以让你重新考虑你的备份恢复，数据迁 移，数据复制的解决方案。数据现在可以不用通过网络而直接从磁盘磁带传输到 磁盘，磁带。这带来了以下好处【1 2 j ： 一备份可以在后台不影响应用地进行。 大量的网络传输资源被释放出来。 远程灾难恢复成为可能。 所有这些都用不着对现有的应用和数据库管理系统作任何的改动。对于正在 使用的局域网，我们要做的只是简单地把存储设备从服务器上转移到它自己的网 络上。应用软件会象调用本地资源一样快速的调用s a n 环境下的数据，而事实上， 这些数据相距主机也许有几十公里远。 换句话说，s a n 终于可以将存储设备与服务器在管理上分开，而使跨网络的 存储成为可能。 从另一个角度来看，s a n 是一个存储设备池。整个公司所有的数据，无论是 共享的还是不共享的，在线的还是离线的，全都存储在这个用光纤通道连起来的 设备池中。 用户通过局域网或广域网与应用服务器相连接访问数据。从这个角度来看， 我们发现其实应用服务器只是用户访问数据的通道。这是对目前流行的商用计算 机环境的一个新的看法。例如，电子邮件服务器就是我们访问自己邮件时通过的 那台服务器。那么，如果我们可以提出一种较好的管理架构，如果一台服务器停 机，其他兼容的服务器就应该可以接管它的任务。这是非常值得注意的。因为从 这个角度来看的话，这项新的尖端技术使在s a n 中的存储设备成为网络的中心， 而应用服务器只是存储设备的外设而已。同时，这也说明，传统的容错高可用性 8 重庆大学硕士学位论文 3s a n 结构论述 解决方案到了今天已经有了全新的思路，一个由3 2 台服务器组成的集群为一个 应用提供冗余，他们之间都可以完全互相接管。这样的解决方案明显比传统方 案有更高的可用性。 3 3s a n 架构的优势 更好的适应性。分散的数据资源可以相互连接起来组成一个很大的总资源， 为多台服务器适用。这些资源之间的距离就是光纤通道的有效距离。这使得对存 储设备的重复使用变得简单有效。事实上，通过s a n 架构，我们可以很轻松 地从一种应用转到另一种应用，即使那种应用的地理位置远在几公里以外。 更好的可扩展性。服务器与存储设备不再一对一地脆弱地连在一起。新的 存储设备可以动态地加入到设备池中。 更好的性能。通过光纤通道技术，数据的传输速度有了很大的提高。同时， 通过s a n 的架构，备份恢复，文件迁移等都不必通过局域网传输数据，这样 数据传输和应用的性能都有了很大的提高。 更高的可用性s a n 大大地提高了可用性。例如，在s a n 中，任意一 台服务器都可以接管其它有相同存储设备和用户的服务器的任务。如何得到我们 需要的数据已经不再是工作效率的瓶颈， 通过s a n ，我们可以利用新的集群技 术通过任意一台服务器访问到需要的数据。 而且，数据可以自动地复制到需要 的任意地方。用户可以自由选择复制是磁盘倦一级，还是数据库文件系统一级。 对于关键作业，一点上数据的改动可以同步地使所有的副本同时更新；对于普通 数据，更新的时间也只需要几秒钟或几分钟。在s a n 中有这样一些优秀的复制 软件，这些软件的可靠性和性能都可以满足最苛刻的要求。通过这些复制软件， 在s a n 中，数据可以全自动地备份，并维护多个灾难恢复用的数据副本。这 样，s a n 使可用性达到了一个前所未有的水平。 增强的可管理性。s a n 通过更高的可靠性和集中控制使管理交得更简单。从 前的存储设备总是藏在某台服务器的后面， 而现在，存储设备可以直接被管理 到。可管理性在以下两方面得到体现：首先，自动化的监视管理工具可以识别 一些错误，然后无需人工干预地自动修复。其次，s a n 还可以自动地复制数据， 并把没用的数据自动删除，为硬盘腾出空间。备份，h s m 等作业， 可以使用 任意的n a s 设备。这样，数据管理变得比从前简单了很多，也更为集中化。 更高的可靠性。s a n 的核心设备一磁盘阵列和磁带库，都有了更高的可靠 性和性能。光纤通道和交换机技术，使即使在s a n 中出现单点失败，也不会影 响整个网络的运行。而且，在s a n 中，维护或者更换设备以及对它进行配置， 都不会影响整个网络。 9 重庆大学硕士学位论文 3s a n 结构论述 所有这些优点，可以保证客户对s a n 的投资可以迅速地收回。我们来看一看，在 某一个公司中，一种新的应用软件正在实施，而它需要的硬盘空间比从前大。通 过s a n ，我们就可以在几公里以外的某一个分支机构的磁盘阵列上为它提供空间， 而无需重新购买一台新的磁盘阵列。s a n 可以把原来藏在服务器后面的资源释放 出来，于是，s a n 可以大大地节省r r 的投资【13 1 。 3 4s a n 的前景 s a n 可以使一些公司改变他们的经营方式，一种他们渴望已久，却因为技术 限制一直无法实现的经营方式。这些公司和政府机关是典型的s a n 的用户。他 们的数据，广泛地分布在很多地方，工作效率正在被数据传输的效率所限制。对 他们来说，数据就是公司的血液。目前数据正存储在很多个不同的地点。没有被 完善管理的数据存储和备份使商务运作存在着隐含的危险。数据传输的速度限制 使商务活动不断地蒙受损失。这些公司对数据的需求需要一个巨型的数据仓库才 能解决。可是有时甚至连数据仓库也无法解决。因为还有很多数据不断地从公司 外流进来。企业内部网络数据， i n t e r a c t 上的数据，电子邮件，无数个不同的商 用软件和数据库数据。他们需要一个解决方案，可以让他们非常开放地共享分布 在很多地方的所有的数据，数据可以高速可靠地传送给所有需要的人1 1 4 】。 s a n 使这一切成为可能。它可以在3 0 公里范围内实现高速可靠的数据共享。 它可以提供给客户最大的存储空间。通过s a n ，数据可以自动地制作一个副本给 需要数据的地方，还可以实现远程的灾难恢复。 另一种对s a n 的需求是对可用性的需求。客户需要他们的关键作业永远是可 用的。“永远”意味着9 9 ，9 9 9 9 仍然不能令人满意。s a n 使可用性有了很大的提 高。 很多公司已经在积极地向s a n 技术靠拢。包括新的磁盘阵列，磁带，服务器 和软件厂商。用户正在被s a n 无可比拟的优势吸引，以后几年的时间内，我们会 看到传统的s c s i 设备逐渐地被光纤通道设备取代。目前，我们工作的重点就是让 用户建立起基于光纤通道技术的数据中心，然后逐步地建立起多点对多点的存储 网络。 3 5s a n 技术概述 s a n 架构总体可以分为三部分：存储层、连接层、备份层，其中存储层主要 是磁盘阵列部分，连接层包括光纤交换机和h b a 卡，备份层包括磁带库设备和备 份软件，下面是三层结构的示意图，后面会对这三个部分相关的技术进行详细的 介绍【1 5 1 。 l o 重庆大学硕士学位论文 3s a n 结构论述 图3 2s a n 的三层结构示意图 f i g3 , 2 n 塘t b i 一d 口蚰u c t p m a t r i x o f s a n 3 5 1 存储层描述 在s a n 结构中，存储层主要是指磁盘部分，磁盘是用于存储数据的物理设备， 数据是以块的形式存储到磁盘上面的，磁盘设备可以分为两类：磁盘阵列和j b o d 系统，这两者的差别是磁盘阵列内部集成了控制器，对磁盘的管理，包括r a i d 级别的制定，分区的设置，l u n m a s k i n g 等配置，均可通过阵列控制器来实现，在 存储路径上，磁盘阵列控制器距离磁盘的距离最近，所以在存储的性能上很高， i b o d 系统是磁盘的集合，没有阵列控制器，所以对磁盘的管理配置需要在操作系 统或h b a 卡的固件或驱动程序中完成，在存储路径上他们离磁盘远，所以在性能 上较低，功能上也没有磁盘阵列设备智能，这里我们主要介绍磁盘阵列设备。 磁盘阵列是把多个磁盘组成一个阵列，当作单一磁盘使用，它将数据以分段 ( s t r i p i n g ) 的方式储存在不同的磁盘中，存取数据时，阵列中的相关磁盘一起动作， 大幅减低数据的存取时间，同时有更佳的空间利用率。磁盘阵列所利用的不同的 技术，称为r a i dl e v e l ，不同的l e v e l 针对不同的系统及应用，以解决数据安全的 问题。磁盘阵列是一种能够提供更大存储容量，更高”数据安全”保证，更快数据访 问性能的多硬盘集成设备。根据磁盘性质，磁盘阵列可分为s c s i 阵列、光纤阵列 和i d e 阵列3 种类型。传统的磁盘阵列中多用s c s i 硬盘，随着i d e 硬盘的大量 普及，i d e 硬盘技术的逐渐完善，采用i d e 硬盘实现高性能磁盘阵列也已经逐渐 被人们接受。 重庆大学硕士学位论文3s a n 结构论述 我们这里主要讨论的是光纤阵列，它采用光纤硬盘和光纤主机通道的磁盘阵 列，具有性能高，传输距离远，比s c s i 具有更好的扩展性，不受s c s i 协议的单 个逻辑卷的2 t b 限制等特点。 磁盘阵列架构 首先介绍一下磁盘阵列设备的架构，构成磁盘阵列的主要部件是磁盘阵列控 制器、高速缓存、内部连接通道及磁盘，阵列控制器，负责对阵列的控制及对外 的光纤通道连接，c a c h e 是高速缓存，高速缓存对阵列吞吐性能的影响是非常重要 的，高速缓存一般集成到控制器上面，内部连接介质有两种接口，h o s ti n t e r f a c e 是主机接口，是阵列控制器上对内连接磁盘的接口，d r i v e i n t e r f a c e 是驱动器接口， 是连接到磁盘驱动器的接口，上面的部分构成了磁盘阵列设备，另外还有磁盘驱 动器，磁盘驱动器、阵列控制器之间均通过高速的光纤通道进行连接。 了解了磁盘阵列的架构后，我们来描述一下如何来选择一款磁盘阵列设备， 从以下方面进行考虑：功能、性能、容量、连接性、可靠性、可扩展性和总体拥 有成本。功能主要是磁盘阵列控制软件支持哪些功能来满足需求，性能主要考虑 控制器的c p u ，控制器的高速缓存，磁盘读写速度等，容量指磁盘阵列可安装磁 盘的最大数量，连接性指磁盘阵列内部及磁盘阵列对外是通过那种连接技术进行 连接的，可靠性主要指磁盘阵列是否为冗余的架构，可扩展性指磁盘阵列的容量 能否进行平滑的升级，在后面的方案设计中，我们会详细地介绍这些参数。 3 5 2 连接层描述 连接层是s a n 的核心，由连接层构成了s a n 存储区域网络，连接层主要由 光纤交换机构成，将主机和存储设备高速地连接起来，采用的是光纤通道技术， 这里主要介绍一下光纤通道技术相对于传统网络技术的优势【1 6 】。 相比于数据网络，光纤通道技术更智能、更快速，适合于存储区域网络使用， 光纤通道重要的特点为： 为一个新的多用途网络信息基础结构，用于连接开放系统存储， 网络，视 频应用和服务器集群应用 为上层协议( s c s i ，i p ，a t m ，i e e e8 0 2 2 等) 提供一个通用硬件传输平台一高 速： 现在可以提供2 g b i t ( 2 0 0 m b ) 秒的数据传输速率，全双工专有连接，未来可 升级至1 0 g b i 孵少。 串行的，无阻塞( n o n - b l o c k i n g ) 数据传输 最大1 0 公里连接距离( 通过扩展器可连接上千公里，适于灾难恢复应用) 。 多平台系统支持( 包括a i x ，n t ，s o l a r i s ，h p u x ，u n i x ，l i n u x ， n o v e l l ，等) ，支持传统环境和应用不存在无线电信号散射( 1 u p d ，从而消除了电 磁信号。 1 2 重庆大学硕士学位论文 3s a n 结构论述 串行数据传输，每传输一位需要0 9 4 纳秒( 极小的时闻延迟) 。 使用8 b l o b 编码方式将8 位转换为l o b 格式进行串行传输( 内置时钟信号) 。 先进的流控制系统保证数据按顺序传输。 一最多可以连接1 千6 百万个节点( 交换f a b r i c 模式) 。 帧大小可调整，支持1 2 8 m b 的批量数据传输。 强大的错误更正能力( 位错误率= l x l o - 1 2 ) ， 比原有铜连接网络强大1 ，0 0 0 倍。 在后面的方案设计中，我们对光纤通道交换机进行详细地描述。 3 5 3 备份层描述 备份层重要指备份介质，主要是磁带设备，同时包括可使磁带设备正常工作 的备份软件，数据备份是一件非常重要的工作，通过数据备份可使企业数据得到 完整的保护，数据备份也是进行容灾的基础，实现数据备份的方式多种，每种方 式实现的原理不同，所带来的影响也有很大不同，以前s a n 技术还没有得到应用， 备份主要采用网络备份的方式，磁带设备通过s c s i 直接连接到备份服务器的s c s i 控制器上，备份路径为：需要备份的数据通过l a n 传到备份服务器，首先到达的 是备份服务器的网卡，然后通过网卡传到备份服务器的存储介质，再转到s c s i 卡， 然后到达磁带设备，由此我们可以看出，如果大量的备份数据需要通过l a n 时， 对l a n 的占用是非常大的，l a n 的性能会受到很大的影响，而且对于备份服务器 来说，数据要通过网卡，又要通过s c s i 卡，所以对备份服务器的影响也是非常大 的，s a n 技术的产生使这种情况得到了改善，基于s a n 的备份分为两种， l a n - f r e e 和s e r v e r - f r e e ，l a n f r e e 使备份数据的路径由l a n 转移到了 s a n 上面来，不再占用l a n 的资源，s e r v e r - f r e e 的实现可以说是真正达到了 脱离服务器的备份，数据直接由磁盘设备移动到磁盘设备等备份介质上，不会占 用服务器的资源，性能上得到了本质的提高。 3 6 组成s a n 的基本设备 在s a n 中，有一些专用的硬件和软件。硬件包括f c 卡、f ch u b 、f c 设备、 存储系统等，软件主要是f c 控制卡针对各种操作系统的驱动程序和存储管理软 件。下面简单介绍这些设备： f c 卡：主要用于主机与f c 设备之间的连接，从接口总线分为“位p c i 、s b u s 等。主要供应商有a n c o r ， c o m p a q ， e m u l e x ，g e n r o c o ，h c w l e t t - p a c k 绷d ， i n t c r p h a s c ，j a y c o rn e t w o r k s ，p r i s i a ，q l o g i c 和s u nm i c r o s y s t e m s 。 f ch u b ：内部运行仲裁环拓扑，连接到h u b 的节点共享1 0 0 m b s 带宽。主 要供应商g a d