（无线电物理专业论文）网络存储技术在河南油田的应用研究.pdf

硕士莹皇论文 l 5 、i ：土si i i 二s 1 s 摘要 随着计算杌网络的发展，现代企业的网络不仅体系越来越复杂，而且数据 流量也日趋增长。企业传统的分散式存储结构由于分散数据的格式不统一、数 据传输中的网络拥挤等自身局限性，很难从根本上解决数据存储、共享和集中 管理等问题。网络存储的存储体系结构应运而生，目前主要有三种网络存储技 术，即附网存储( n a s ) 、存储区域网络( s a n ) 和i p 存储( i p s a n ) 。 本文首先介绍了存储设备发展过程，传统的以s c s i 总线为主的存储技术 发展到以网络存储技术为主的n a s ( n e t w o r ka t t a c h e ds t o r a g e ) 技术、s a n ( s t o r a g ea r e an e t w o r k ) 技术和基于n a s 和s a n 融合的i p s a n 技术。本 文分析了各自的技术特点以及存在的缺陷，并对三种网络存储方案进行比较， 指出i p s a n 是网络存储的发展方向。接着，重点阐述了实现i p s a n 的i s c s i 协议，包括其工作原理、实现方法和应用，同时介绍了 p - s a n 的其它两种协 议f c i p ( f i b r ec h a n n e lo d e i p ) 和巧c p ( i n t e m e t f i b r ec h a n n e lp r o t o c 0 1 ) ，通过对三 种协议进行比较指出基于以太网的i s c s i 技术的优势。然后，针对河南油田 的网络建设的现状及数据整合共享的要求通过对河南油田现有网络的数据流 量、存储量、用户数量的分析，给出了它们未来五年发展的数学模型和趋势图， 指出目前河南油田数据存储存在的问题，建立网络存储系统的目标。通过趋势 分析，采用i s c s i 技术，选取基于i s c s i 协议的存储产品，设计出一套基于珀 的符合河南油田未来发展的网络存储方案。方案对系统的扩展性、安全性、可 靠性等进行了充分地考虑，可以实现自动化集中管理、远程备份等功能，满足 河南油田信息化建设的总体要求。最后，对网络存储的分层次管理和备份也做 了详细论述。 关键字：网络存储存储区域网网络附加存储 p - s a ni s c s i 协议 硕士拳位论文 l i f = 【i s t 兰t t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f c o m p u t e rn e t w o r k ，t h es y s t e mo fn e t w o r kb e c o m e s m o r e c o m p l e x a n dt h ed a t af l u xi si n c r e a s i n gi nt h em o d e m e n t e r p r i s e s t r a d i t i o n a l d i s c r e t es t o r a g ea r c h i t e c t u r ei sh a r dt os o l v et h ep r o b l e m ，s u c ha sd a t a s t o r a g e ，s b a r e ， a n dc e n t r a l i z e dm a n a g e m e n tf o ri t sl i m i t so f d i s u n i t yf o r m a to f d i s c r e t ed a t aa n dn e t j a n ld u r i n gd a t at r a n s m i s s i o n n e t w o r ks t o r a g ee m e r g e sa st i m er e q u i r e s ，w h i c h i n c l u d e sn e t w o r ka t t a c h e d s t o r a g e ( b a s ) ，s t o r a g e a r e a n e t w o r k ( s a n ) a n d i p s t o r a g e ( i p s a n ) f i r s t l y , t h et h e s i si n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to fs t o r a g ef r o mt r a d i t i o n a ls c s i t e c h n o l o g yt on a st e c h n o l o g y , s a nt e c h n o l o g ya n di p s a nt e c h n o l o g y , h h i c h s y n c r e t i z e sn a s a n ds a n i ta l s oa n a l y s e st h e i rc h a r a c t o ma n dl i m i t a t i o n sa n d c o m p a r e s t h e i rd i t i e r e n c e s a n dt h e ni t p o i n t s t h a t 口s a nx s l lb e c o m et h e d e v e l o p m e n td i r e c t i o no f n e t w o r ks t o r a g e s e c o n d l y , t h et h e s i sw e i g h t i l ya n a l y z e s i s c s ip r o t o c o l ，w h i c hi su s e dt oa c h i e v ei p - s a n ，i n c l u d i n gi t sw o r k i n g p r i n c i p l e ， w o r k i n gw a y a n da p p l i c a t i o n i ta l s op o i n t st h ea d v a n t a g e so fi s c s ib y c o m p a r i n g i s c s i 、i t l lf c i pa n di f c pt h a ta r eo t h e rp r o t o c o lo f 1 p s a n t h i r d l y , i ta n a l y t _ e s t h ea c t u a l i t yo fn e t w o r kc o n s t r u c t i n ga n dt h er e q u i r e m e n to fd a t ac o n f o r m i t ya n d s h a r ei nh e n a no i lf i e l d i ta l s oa n a l y s e st h ed a t af l u x ，s t o r a g ec a p a c i t ya n du s e r n u m b e ra n d g i v e st h e i rm a t h e m a t i cm o d e l sa n dt e n d e n c yc h a r t si n5y e a r s t h e ni t p o i n t st h ep r o b l e m t h a th a se x i s t e da n dt h et a r g e to fn e t w o r ks t o r a g ei nh e n a no i l f i e l d t h e n ，i tu s e si s c s it e c h n o l o 努t od e s i g nan e t w o r ks t o r a g es c h e m et om e e t w h o l ei n f o r m a t i o nn e e d sb yu s i n gs t o r a g ep r o d u c t sb a s e do ni s c s ip r o t o c o l ，w h i c h h a sf u l l yt h o u g h ti t se x p a n s i b i l i t y , s e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t ya n dh a sa c c o m p l i s h e d a u t o m a t i cc o n c e n t r a t e dm a n a g e m e n t ，r e m o t e b a c k u pa n d d i s a s t e rt o l e r a n c e f i n a l l y , i th a s d e t a i l e d l yd i s c u s s e d t h em a n a g e m e n ta n d b a c k u po f n e t w o r ks t o r a g e k e y w o r d s ：n e t w o r ks t o r a g e ，n e t w o r ka t t a c h e ds t o r a g e ，s t o r a g ea r e an e t w o r k , i p s a n ，i s c s ip r o t o c o l 、霜誉冀硕士学位论文 臻妻警黟7 n 盯限 1 m s 第一章引言 大量数据资料的持续、快速增长，如仿真、建模、i m c m c t 和i n i r a n c t 浏览、 多媒体、交互进程、电子商务、资料仓库和数据采集等，导致了对更大的存储 设备容量的需求，同时，网络带宽的需求也在持续增加。然而，随着网络技术 的不断发展和建设，巨大的网络客户使传统的文件服务器成为网络服务的瓶 颈，尤其在数据存储方面不仅数据存储容量成指数增长，而且对存储设备的 可扩展性、安全性及可管理性等诸多方面有进一步的要求。在庞大的存储市场 需求的推动下，存储技术也从传统的以主机为中心的存储结构向网络存储系统 发展。在网络存储技术中，由网络存储设备提供网络信息系统的信息存取和共 享服务，其主要特征体现在超大存储容量、大数据传输率以及高的系统可用性、 远程备份、异地容灾等方面。目前，网络存储技术正在成为计算机领域研究的 熟点，可以说，网络存储将引发继c p u 、i n t e n e t 之后领域的第三次技术浪 潮【l l 口 网络存储采用了新的存储体系结构。它将网络与存储i 0 ( i n p u t o u t p u t ) 路径相结合，使数据处理和数据存储分离，消除了不同存储设备和服务器之间 的连接障碍，提高了数据的可用性、共享性、可扩展性和可管理性“1 。 网络存储包括了网络和i 0 的精华，提供资源共享，具有灵活的寻址能 力。远距离的传输能力和i 0 高效的性能等。s a n ( s t o r a g ea r e an e t w o r k ) 和 n a s ( n e t w o r ka t t a c h e ds t o r a g e ) 是目前网络存储技术发展的两个主要方向”1 。 n a s 提供了以太网数据访问的能力，通常以与现有网络结构相容的应用软件包 形式提供集成服务。它可以很经济地解决存储容量不足的问题。对于关键事务 而言，它必须使用专用的宽带网络。安装调试容易，易于管理。但难以获得满 意的性能。s a n 是一种新的存储连接拓扑结构，它被用于代替现有存储系统使 用的s c s i ( s m a l lc o m p u t e rs y s t e mj _ n t e r f a c e ) i 0 连接。它的实现一般采 用光纤通道( f c ) 技术，速度快，性能好，已逐渐变成了主流的存储解决方案。 但其设备价格高，总的实现费用昂贵，难以配置和维护；并且由于缺乏统一标 准，产品互操作性差。另外，s a n 是一个专用局域网络，不能对远程服务器和 矗冶氍 硕士学生论文 、瀑、n 汛r ji t ! 弧 其它非本地计算资源进行访问。 为了解决这些问题，人们提出了i p 存储也称为i p s a n 嘲。i p 存储结 合了n a s 和s a n 存储系统的优点，实现了在i p 网络上传输s c s i 协议指令的技 术。一方面通过i p 网络通信，降低了实现费用：另一方面使用块协议，是供 高的系统传输速率“。1 。 目前，国外对i p s a n 的研究比较活跃，对于大厂商来说，新技术是进一步 扩大市场，争取用户的法宝。而对于中小厂商来说，新技术更是从大厂商口中 攫食的大好机会。基于上述原因，从m m 公司、c i s c o 公司、a d a p t e c 公司等 传统的i t 巨人，到f a l c o n s t o r 公司、n i s h a n 公司等名不见经传的中小型公司， 都在口存储技术上大做文章。如i b m2 0 0 i 型t o t a l s t o m g ei p 存储器，是一种 开放式结构网络存储器，采用了“i s c s i ”技术【8 】。c i s c o 公司的s n5 4 2 0 存储 路由器，是第一款p 存储路由设备。这款产品提供在i p 网络中传输s c s i 指 令和数据的功能。n i s h a n 公司的i p s3 0 0 0 和i p s4 0 0 0 产品，则属于真正意义 上的口存储交换机，实现了i s c s i 和i f c p 数据的交换。a d a p t e c 公司的 a s a 7 2 l l 和a i c 7 2 1 l 产品，为主机端和存储设备接入由i s c s i 技术搭建的 s a n 提供了接口界面。f a l c o n s t o r 公司推出了i p s t o r 产品，以纯软件的方式在 现有i p 网络环境中实现类似i s c s i 和i f c p 的功能。我国在这方面也有一定的 研究如华中科技大学的外存储系统专业实验室基于口存储提出了统一存储 网( u s n ，u n i f l e ds t o r a g e n e t w o r k ) l j j 技术，但国内更多的是应用国外产品架 购i p s a n 存储解决方案。 根据中国石油化工股份有限公司上游信息化发展“十五”规划) 和河 南油田“十五”后三年发展战略，河南油田在“十五”后三年信息化建设的 主要目标为：积极配合集团公司推广建设e r p ( 企业资源计划) 系统，以达到 改造和提升传统产业的目的：建设以“八大数据库系统”为基础的“数字河 南油田”，以全新的数字油田理念优化勘探、开发、生产、经营等决策，提高 管理运营效率，增强河南油田综合实力和竞争力0 1 。 目前，河南油田各专业信息系统建设取得了一定的成果，但随着各专业信 息系统的不断建设和发展，新的问题也随之产生，就是油田的各专业信息系统 存在各自为政。各成体系的现象。不同业务系统的独立开发应用在数据体系结 2 硕士学位论文 m sr i r s1 11 融j s ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! l ! ! ! ! ! ! ! 竺! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! - 构上不能形成统一的标准和业务关系，数据资源不能共享，专业数据应用不能 为综合应用提供数据基础，不能形成综合查询系统，不能为油田的决策提供全 方位的信息咨询服务。因此建立油田统一的数据中心，将所有专业的生产管理 动态信息和静态历史数据集成在一起，从分析和综合查询的角度出发，完善和 改造现有的应用体系成为追在眉睫的问题之一。在各个业务系统中，存储问题 因其特殊的作用而日益成为新的瓶颈，业务系统的数据保护和灾难事件发生时 的容错和恢复能力已成为要优先考虑的首要问题。数据是一个公司最有价值的 资产，数据的安全是网络安全的关键，面对飞速增长的数据量，我们对数据存 储的实现和安全提出了更高要求，保护数据不受系统故障、病毒和灾难的破坏， 舫止数据丢失和被破坏，我们越来越强烈地需要建立专业的网络存储“。建立 适合河南油田数据发展需要的网络存储系统，正是本文研究的目的。 本文研究内容和组织结构 本文对存储技术的发展做了深入地分析，重点介绍了i p s a n 的构成及其 备份技术，提出了综合运用s a n 和n a s 的i p s a n 技术构建河南油田存储体 系的设计方案。 1 、存储技术概述，介绍了存储技术的发展，比较了s a n 、n a s 以及i p s a n 的技术性能，讨论了其容灾和备份的相关问题。 2 、重点分析了i p - s a n 的关键技术一i s c s i ，对其工作原理及功能组件划 分、实现技术、应用进行了分析和研究，并对其它两种实现协议优缺点进行了 比较。 3 、对河南油田数据存储的现状、存在的问题以及对数据存储的要求进行了 调研和分析，提出了河南油田网络信息流量、存储量和网络用户的理论模预测 型。采用i p s a n 技术，利用现有网络设备，构建了河南油田网络存储和备份 方案。存储体系建立后，存储体系的管理变得尤为重要，本章对存储体系的分 层次管理做了进一步讨论。 4 、网络存储技术的发展前景及思考。对本论文所做工作进行总结，并对自 己在网络存储方面的进一步工作提出了设想。 硕士学位论文 1 a s 盯r ii i 主i ! s 第二章网络存储技术概述 在传统的存储结构中，存储子系统是附属于主机的，它一般由磁盘阵列、 光盘库、磁带库等组成大容量的存储空间，通过并行i 0 通道与主机相连， 见图2 1 所示，然后经网络接口与l a n 、w a n 或m a n 连接起来，这就像建 立了一个数据传输的管道，数据从网络送到主机内存，接着送入到存储于系统。 反之，则从存储子系统到主机内存，接着送入到网络。可以看出，在这种方式 下，能否正常访问存储的数据主要依靠服务器的可用性及网络的数据流量。这 种基于网络的存储系统一船采用t c p i p 或s c s i 协议【2 j 。并且，远程用户在 发送数据包时也不得不忍受l a n 服务器和通过t c p 口网络所带来的大的时 间延迟。另外，网络和s c s i 总线都不能实现容错功能，如果一个s c s i 驱动器 或一个l a n 的连接导致服务器出错，或者s c s i 服务器需要维护，这时，用户 将不能进行数据存取访问，因此，服务器一磁盘这种存储方案正逐渐被网络存 储所替代。 图2 - 1 传统的计算机存储结构 目前，用于网络的存储主要有三种：附网存储( n a s ) 和存储区域n ( s a n ) 4 氰确圭学生蛩文 i 黟、i i 、r 、。1 e t ! t 和新发展的p - s a n 。它们是近些年来发展起来的新的存储结构，并逐渐成为 市场的新热点尤其是i p s a n ，已经进入企业级存储领域，正在成为大网站、 大企业信息系统的最佳存储方案。 2 1 附网存储技术 如图2 2 所示，n a s ( n e t w o r ka t t a c h e ds t o r a g e ) 是部件级的存储技术，它将 存储设备通过标准的网络拓扑结构连接到计算机群上，所以，n a s 在适用性方 面具有优势。首先，n a s 可以不需要服务器就可以直接上网，不依赖通用的操 作系统，而是采用一个面向用户设计的、专门用于资料存储的简化的操作系统， 它内置了与网络连接所需要的协议，因此，整个系统的设置和管理较为简单； 第二，n a s 是真正的即插郎用的产品，物理位置灵活，既可放置在工作组内， 也可放在其它地点与网络相连。第三，存储设备直接挂网。实现文件级的资料 共享，不同厂家的设备互连性好。可扩展性好。 图2 - 2 附网存储( n a s ) 的结构示意图 n a s 是网络技术在存储领域的延伸和发展，资料以文件的形式按照网络协 议在客户机和存储设备之间流动，它可以利用n f s 实现异构平台的客户机对 资料的共享，集成在存储设备的专用文件服务器提高了文件传输的i 0 速度， 一旦用户把互连性和多平台性放在首位，对n a s 的考虑会多一些。但是，当 资料存储发展到一定规模，n a s 的缺陷就显露出来，如数据服务器和数据管理 形成了网络的双重负担：磁盘阵列必须配置专用的文件服务器，后期扩容成本 高；一般文件服务器没有商可用配置，存在单点故障：通过网络协议的访问方 式，对存储系统的资料安全构成威胁；另外，在n a s 系统里，客户端通过传 硕士学位论文 m 洲i r ls 【j ：；i 统的网络访问n a s ，而传统的网络并不是为了在可靠的链路上传输大批量的资 料而设计的，因此有很多传输检验，这些工作会消耗大量的c p u 资源，增加 客户机的负担；而且，n a s 仅仅完成多台服务器文件系统级的共享，比较适合 文件服务器。显然，n a s 技术不能满足当前网络2 4 小时x 3 6 5 天的不问断的 高可靠性的要求。 由此可见，n a s 技术虽然可以直接将存储设备挂在网上，具有良好的共事 性、开放性、可控制性。但缺点是与一般网络访问共享同一物理网络。容易形 成拥塞而影响性能。特别是在做资料备份时，严重消耗带宽，因而性能较低， 这就影响了它在企业级存储中的地位。 2 2 存储局域网技术 s a n ( s t o r a g ea r e a n e t w o r k ) 存储局域网络，见图2 - - 3 所示t 图2 - 3 存储区域网( s a n ) 的结掏不霖图 它通常包括服务器、外部存储设备、服务器适配嚣、集线器、交换机以及 网络、存储管理工具等，是一种类似于普通局域网的高速存储网络。s a n 提供 了一种与现有l a n 连接的简易方法，它的存储设备是由专用网络连接的，这 个网络是基于光纤通道协议的网络，允许企业独立地增加它们的存储容量，并 使网络性能不至于受到资料访问的影响，这种独立的专有网络存储方式使s a n 具有不少优势。第一，可扩展性高，存储硬件功能的发挥不受l a n 的影响， 6 第二，易于管理，集中式管理软件使远程管理和无人值守得以实现，因而可以 为大数据量的关键任务应用方面提供7 x 2 4 不问断的工作特性。第三，具有高 可用性，容错和故障修复诊断能力强，特别适合于存储容量大的工作环境。然 而，s a n 的适用性和通用性较差，在系统的安装和升级方面效率不高，成本也 比较高。 从图2 3 可以看出，s a n 的核心是一个专用的存储网络，它允许用户把 二级存储器及三级存储器合并成为一个集中管理的基础设施( 存储池) ，利用网 络及存储管理技术创建一个多平台的开放环境，以便共享存储空间。存储设备 和服务器都通过专用的网络进行数据传递，然后由服务器与外部网络相连。由 于专用网络上可挂接多个服务器，面且每个服务器均可以与外部网络相连，因 而存储网络存在多个数据通路，从而解决了单一数据通路所带来的共享带宽问 题。光纤通道的存储网与l a n 分开，性能就可以得到很大提高。在s a n 中， 由整个存储设备构成了一个大的统一管理的存储池( s t o r a g ep 0 0 1 ) ，可以为所有 服务器共享，因而容量扩充、资料迁移、资料本地备份、远程容灾备份等方面 都比较方便。由于s a n 在综合了网络的灵活性、可管理性、及可扩展性的同 时，提高了网络的带宽和存储i 0 的可靠性，它降低了存储管理费用，并平 衡了开放式系统服务器的存储能力和性能，为企业级存储应用提出了解决方 案。s a n 独立于应用服务器网络之外，拥有几乎无限的存储能力，它采用高速 的光纤通道作为传输媒体，f c + s c s i 的应用协议作为存储访问协议，将存储 系统网络化，实现了真正的共享存储。 尽管s a n 具有很多优势，但是，它还存在许多问题。首先是设备的兼容 性问题，由于s a n 标准不统一，各个s a n 产品的生产厂家所生产的设备互不 兼容。例如，在s a n 中使用的光纤通道交换机和磁盘阵列都是专门认证的系 统，要求阵列和交换机是对一连接。其它品牌的产品互连几乎是不可能的； 再如，磁盘阵列的互连，因为不同磁盘阵列有自身的管理软件，而且工作模式 也不尽相同，在加入其它的磁盘阵列以后，不同工作模式的共存管理的实现比 较困难。因此，s a n 系统在升级的时候设备的兼容性问题就显得特别突出。 虽然目前s a n 的有些厂家结成联盟，在许多标准上已经达成协议s a n 产品 在互连性上跨了一大步，某些交换设备的互连也已成功，但是，不同联盟之间 7 、叉 巧 沧 学瞰 颐 儿爹 硕士釜生论文 、n i t r s1 11 fs i s 的产品还是不能互连，当用户对系统扩容时，也只能继续选择和现有产品相同 的品牌。所以，s a n 的最大阻力还是互连性问题，不最终解决互连问题，s a n 只能是局部的发展，达不到最终目标。另一个是资料共享和异构问题。如果用 户的应用环境是由多平台组成的，如除u n i x 之外，还有l i n u x 、n t 等，s a n 对这样的连接相当困难，共享存储池也会遇到很大障碍。现在的存储供货商说 他们的存储技术容易管理，采用的是开放标准，但用户所看到的应用程序却远 未达到自己的要求，比如自动负载均衡、存储虚拟化、多供货商环境下存储容 量的共享这些特性都不令人满意。目前，只有部分高端磁盘阵列产品实现了数 据共享，因此，要在所有平台实现数据的共享，还需要一些时日。第三，s a n 用于互连的交换机和集线器等都是基于光纤通道协议，其价格要高出以太网互 连设备好几倍。第四，s a n 在做远程备份时，光纤通道要专门布线，成本很高。 2 3i p 存储技术 n a g 和s a n 是两种不同的存储体系结构，鉴于它们各自的优缺点，企业不 可能同时建构两种不同的存储方案，所以广大的中小企业迫切希望s a 5 能取得 技术的突破，将n a g 和s a n 融合起来，生产一种“大众化”的产品来满足日益增 长的存储需求。基于此，基于i p 协议的网络存储技术i ps a n 应用而生。基于 i p 的光纤通道通过p 的网络服务来连接建立在局域网、广域网或城域网之上 的s a n ，它不依赖于链按层的传输协议。其主要特点在于不需要对存储子系统 或服务器的操作系统进行修改和真正解决了有关建立远程( 地理概念上涛储子 系统的问题：另外，如有效映像s c s i 存储协议的光纤通道只能支持5 0 公里或 更短的连接距离的问题；已有的局域网和广域网上连接和传送的分配文件协议 需要一个额外的远程服务器，同时不能在文件层以下同步，必须在每个文件系 统中单独执行问题等，而i p s a n 通过支持远距离同步块i 0 操作解决了这些 问题1 6 1 。i p s a n 将存储部分放在s a n 中解决，其它连接方面的问题( 安全、等 待时间、带宽和可靠性) e h 成熟的广域网和i p 技术处理，如，光纤通道l a n 连接当中的网络接口通过锁定路径指定一个专用波长分割多路转换器来提高 网络存储性能，而安全问题则是通过基于i p 的v p n 联系处理。现在，光纤通 硕士学位论文 m v , i i r s e 。；i s 道到l a n 的路由器已经开发成功。并可投入到现有的布局技术当中使用，从 而使高效系统的价值真正得以体现“。 i p - s a n 的实现方法有多种，可以通过软件或硬件实现。主要思想是将s c s i 数据及命令直接映射成t c p i p 上的报文，在存储设备和服务器之间通过以太 网s a n 进行传输。 目前，i e t f ( i n t e m e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 在这个领域开发的标准有三个 1 ：i s c s i 、f c i p 、i f c p 。f c i p 描绘了不朽的光纤通道，i f c p 描绘了f c 到i p 存储网络的转换，丽i s c s i 描绘了最终的l p 存储网络的目标。虽然它们有不同 的实现和设计目标，但每个都将允许用户通过标准的疋网络，甚至i n t e m e t 延 申它们的存储环境。这些问题将在下一节详细论述。 2 4 三种存储技术比较 n a s 和s a n 的思路是不同的，n a s 是在r a i d 的基础上增加了存储操 作系统的存储设备，而s a n 是独立出来的一个数据存储网络，i p s a n 是界于 两者之间的一种存储方式，它可直接接入以太网，适用于数据密集型l a n 应 用。n a s 体系结构既是s a n 体系结构的竞争对手，也是s a n 体系结构的补充， 两者均为高度优化的c l i e n t s e r v e r 结构，提供中央数据存储和有效的文件存 取，两者均可把高速光纤通道技术用于存储，通过r a i d 阵列以及冗余硬件和 软件组件为系统提供高可用性和数据的完整性。然而，这两种体系结构的根本 不同之处在于他们处理网络传输的方式。n a s 、s a n 和i p s a n 网络存储技术 的区别如表2 1 所示。 对某一网络结构选择何种存储体系，取决于当前网络本身的结构、被共享 的网络数据类型、应用的类型等因素。对n a s 、s a n 和i p s a n 的特征和能力 进行评估是必要的，这样可以在这些高效的网络存储方案中做出综合选择。 表2 - 1 三种网络存储技术的区别 比较项目n a ss a ni p s a n i o 方式f i l e 文件指向s c s i 块指向s c s i 块指向 网络基础基于以太网基于光纤通道基于以太网 提供普通用户接存储与普通用户存储与普通用户 安全性入安全性较高接入是隔离的接入是甬离的 安全性很高安全性高 使用n f s c i f s通过高性能的光通过高性能韵以 和h t t p ，取决客纤通道，支持服太网，支持墨务 数据传输 户端或服务端的务器应用程序器应用程序 应用系统 可使用多个n a s通过增加光纤交增加存诸设备扩 设备接入扩展额换机及存储设各展容量 可扩展性 外存储容量，不扩展存储容量 改变网络结构 安装简单、迅速。安装非常复杂安装简单 安装使用 使用方便 2 5 网络存储的容灾与备份 所谓容灾，对于i t 而言，就是为计算机信息系统提供个能应付各种灾 难的环境”。当计算机系统在遭受如火灾、水灾、地震、战争等不可抗拒的灾 难以及数据存储介质发生意外、人为的错误、电源故障、病毒侵袭时，容灾系 统应能保证用户数据的安全性( 数据容灾) 。当前，能使这些数据免于丢失、介 质损坏等灾难性故障的唯一解决方案是数据备份。所谓备份就是复制或拷贝数 据到远离原始存储设备的另一个位置“”。利用容灾和备份系统，用户把关键数 据存放在异地，当生产中心发生灾难时，备份中心可以很快将系统恢复并运行 起来。 下面介绍基于网络存储技术实现的几种典型的网络数据备份系统。 2 5 1 集中式备份 这是基于n a s 的传统l a n 备份体系“。在这种结构中，多个服务器将数 硕士蠢：二；二丈 、：j 、一小 _ 一 _ 一 1_ 据经l a n 通过备份服务器传到特定的磁带库上( 如图2 4 所示) 。它的主要缺 点是，数据备份和系统运行共用l a n ，大数据量备份时，容易引起网络阻塞。 图2 - - 4 集中式备份结构 2 5 2 基于s a n 的l a n - - f r e e 备份 基于s a n 的l a n f r e e 备份n 3 1 也是目前使用比较广泛的一种体系结构。 其中，存储过程通过使用专用的存储区域网进行。s a n 最大限度地减少了数据 备份时对网络和应用服务器的影响，同时保证设备共享( 如图2 - - 5 所示) 。 客户端工怍站 图2 5 基于s a n 的l a n - - f r e e 备份 i i 瓷譬；、硕士掌董论叉 ；罩譬j ，、。川f 哪 2 5 3 基于i p s a n 的备份 基于i p s a n 方案是目前最新的一种体系结构。其中，存储过程逅过使用 存储区域网进行。一定程度上减少了数据备份时对网络和应用服务嚣的影响， 同时保证设备共享( 如图2 6 所示) 。本方案也特别适于窖灾的数据复制备份。 此时数据的复制过程无需网络中应用服务器的参与，在集曦到存储设备中的信 息的智能帮助下，存储设备能保证数据从磁盘到磁带的直毒复制。 客户螬工推蛄 图2 - 6 基于i p s a n 的备份 保留数据的及时备份，是容灾系统中必不可少的维袁夏分。当怠将数据恢 复到先前的某一阶段时，必须有数据备份。建立网络存喏芰司时，二级存储介 质，如磁带、光盘等的使用也是容灾和备份系统必不可少羲尤其是对一些关 键数据，多级备份尤为重要。 硕士掌生论文 、l 、3 i ；、sl j l e i 第三章基于l p 的存储协议i s c s i 通过上节分析，发现由于人们希望能够得到低成本并且高度稳定的i p 网络 存储解决方案，于是诞生了基于i p 网络的存储区域网，其中，i s c s i 是最引人 注目的技术之一。i s c s i 是由i e t f 开发的一种基于存储网络的i n t e r n e t 协议， 它继承t s c s i 协议的稳定性和可靠性，能够在t c p i p 网络上传送标准的s c s i 命令，使主机系统和不同的外部设备块数据进行i o 操作，并且可以实现远程 存储管理。可以说，i s c s i 是集成了s c s i 协议和t c p i p 协议的新的协议。i s c 8 1 只是将数据的存储变得更加灵活，因为它是在s c s i 基础上扩展了网络功能，也 就是可以让s c s i 命令通过网络传送到远程的s c s i 设备上，而s c s i 协议只能访问 本地的s c s i 设备。图3 一l 很清楚地描述了这两种协议之间的关系。对于s c s i 。 用户的读写请求被文件系统解析成s c s i 命令。并直接通过h b a ( h o s t b u s a d a p t e r s ) 访问s c s i 磁盘。而对于i s c s l ，文件系统解析的s c s i 命令被i s c s i 启 动器封装，再加上t c p i p 报头，并通过以太网传输到i s c s i 目标器，i s c s i 目 标器拆分, m s c s i 命令，并通过h b a 访j 3 s c s l 磁盘“5 ”3 。本节将主要介绍i s c s i 存储体系结构，i s c s i 协议和技术。 启童 ( 以太一 启动暑匕= 卜一 羞笔 i 总线 牲曰 s c s i 应用模型 i 茁豇应用模型 图3 一ls c s i 和i s c s l 的比较 1 3 ? j ；善? ? 巧壬学盘跫丈 i 是黟、州”i i e 粥 3 1 i s c s i 协议工作原理及功能组件划分 3 1 1 i s c s l 的协议模型 如同任何一个协议一样，i s c s i 也有一个清晰的层次结构，根据o s i 模型， i s c s i 的协议栈自顶向下一共可以分为这样几层“”： s c s i 层：根据应用发出的请求建立s c s ic d b ( 命令描述块) ，并传给i s c s i 层；同时接受来自i s c s i 层的c d b ，并向应用返回数据。 i s c s i 层：对s c s ic d b 进行封装，以便能够在基于t c p i p 协议的网络上进 行传输，完成s c s i 至i j t c p i p 的协议映射。这一层是i s c s i 协议的核心层。 l 下l 层( 上层功能层) ：实现传输变换机制。即对i s c s i 层透瞬地改变t c p 流， 如对报文进行加密、压缩、填充等。 s y n c h r o n i z ea n ds t e e r i n g 层( 同步和导向功能层) ：在导入路径上，该层 从t c p 报文中提取同步和导向信息，完成数据放置和消息边界恢复；在导出路 径上，该层实现i s c s i 流地址到t c p 流顺序号的映射。 t c p 层：提供端到端的透明可靠传输。 l f l 层( 底层功能层) ：实现x c t c p 层透明改变i p 流的机制，磐对i p 报文流进 行安全认证等。 i p 层：对i p 报文进行路由和转发。 l i n k 层：提供点到点的无差错传输。 可以看出，i s c s i 协议对数据封装与t c p i p 协议对数据的葑装区别不大， 惟一的区别只是在数据域之前增加了一层i s c s i 封装。 3 1 2i s o s l 启动器 i s c s i 启动器的程序结构分为3 层，上层提供了文件系统所需的普通“读写” 功能( 涉及s c s i 设备) ，中层将读写需求转换为s c s ic d b ，并传送给i s c s i 启动 器前端。底层，即驱动前端是对应于各种不同的h b a 的，也就是说，驱动前端 不是通用的不同的前端h b a 所需的驱动前端不同。h b a 负责将包含s c s i 命令和 数据的包传输到指定的设备上，即i s c s i 目标器。 3 1 3i s g s l 目标器 1 4 乓氲硕士狂论文 嗨萋箩叫脒s 传统的s c s i 是一个设备，比如一个s c s i 磁盘它不具有任何智能，也就是 说必须在其上建立一定的软件体系结构才能够管理、使用它，因此i s c s i 目标 器必须保留传统的s c s i 设备信息和传输s c s i 命令数据的网络信息。i s c s i 目标 器驱动前端处理启动器的登录请求，进行握手工作并与启动器建立t c p i p 连 接。进入全工阶段后，前端将收到的i s c s ip d u ( p r o t o c o ld a t au n i t ) 解包， 得至i j c d b ( c o m m a n dd e s c r i p t i o nb l o c k ) ，传给s c s i 目标器中层。中层分析c d b ， 为执行此c d b 分配必要的资源，将c d b 交给s c s i 子系统执行。执行的结果返回给 中层，中层再交给前端，前端打包成为i s c s ip d u ，并由前端传回给i s c s i 启动 器。 l 嘲启动； 1 s c s i 目标嚣 s c s i 夺盘鼍 图3 - 2 系统结构图 3 1 4i s o s i 协议的工作原理 当终端用户或应用程序发送一个请求后，操作系统将生成一个适当的s c s i 命令和数据请求，s c s i 命令被封装到信息包中，在需要加密的时候要执行加密 处理。这些命令加上t c p i p 协议的报头，就可以在以太网上传输”7 ”3 。 接收端在收到这个数据包后按照相反的方向进行解包，如果数据包原来经 过加密则对其解密，解析出s c s i 命令和数据请求，s c s i 命令再发送给s c s i 存储 设备驱动程序，因为i s c s i 是双向的协议，所以它可以将数据返回给原来的请 硕士生立论文 、n j n ：s l e s i s 求。 完成所有的这一切过程都无需用户的干预，并且对于终端用户是完全透明 的。 3 1 5 寻址与命名习惯 就像s c s is a i - 2 体系结构一样，i s c s i 也采用了客户端服务器模型，目 标器是数据的服务器，接受来自客户端启动器的数据读写请求。所有客户端和 服务器在网络上都是一个网络实体，并分配了唯一的i p 地址。 i s c s i 设备是独立的网络实体，这种网络实体可以有一个或几个i s c s i 笮 点。在网络实体中，i s c s i 节点是s c s i 设备的标识符，每个i s c s i 节点都有一个 独一无二的名称( 其长度最多可以达2 5 5 个字节) ，这种名称是根据i n t e r m e t 节 点的命名规则进行组织的，并且可由d n s 系统处理。 i s c s l 名称提供了一个i s c s i 设备物理位置的正确标识，从而可以更方便地 将i p 地址和t c p 端口进行绑定，即使存储设备在网络中的位置改变了，仍然可 以通过i s c s l 名称重新找到。i s c s i 协议和i s c s i 命名机制支持别名的使用，这 样系统管理员就可以更好地管理i s c s i 设备。 3 1 6 会话管理 在i s c s i 启动器向目标器设备发送s c s i 命令前，必须先建立i s c s i 会话， i s c s i 会话用于表示一对启动器目标器之间的所有t c p 连接。对每个任务建立 一个t c p 连接用于传送i c s i 命令、数据和状态信息。 通过特殊的命令i s c s i 会话包括两个阶段：登录阶段和工作阶段。i s 醯i 的登录阶段过程是用来在两个网络实体调节中调整各种参数，并且确认启动器 的访问权限。如果i s c s i 登录阶段成功完成，目标器将发送接受信息确认启动 器的登录，否则登录将不被确认，同时t c p 连接中断。启动器利用i s c s l 名弥和 启动器会话i d ( 1 s i d ) 进行登录，而目标器则生成目标器i d ( t s i d ) 进行应答，登 录一旦确认，i s c s i 会话将进入正常工作阶段。如果建立了多个t c p 连接i s c s i 将要求每个命令响应对应一个t c p 连接。但是，不同的数据传输可以在一个 会话中通过不同的t c p 连接。在数据传送端，启动器发送接收最新的数据， 1 6 i ：冶誉硕士学曼论文 k i 鬻夕，。t 圳r r 川皤、 ! 2 7 1 2 鼍2 ，! !