（计算机软件与理论专业论文）san技术及其在异构网络共享存储系统中的应用研究.pdf

匕 工业大学硕士学位 摘 要 目 前， 计算机系统的建设己 从硬件和软件环境为中心转变为以应用和数据为 中心， 而企业对数据存储技术的需求也在不断攀升， s a n 正是为了满足企业这种 高涨的存储技术的要求而产生的。 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， 存储网络以此向 所有主机提供服务。 笔者对s a n 系统进行了较为全面的研究， 并且参与了一个国际合作项目， 在 s a r 的基础上， 构建了一个异构网络共享存储系统。 目前这个项目的研究成果已 经投入实际使用。 s a n 共享存储系统是一种新型的分布式网络存储系统， 系统中的客户端可以 通过高速网络 ( 光纤通道或i p 网) 直接访问共享磁盘阵列上的数据，而不用通过 服务器转发， 这样提高了整个存储系统的性能。 传统的存储系统通常需要修改系 统的内核， 这样既增加了系统实现的难度， 又使得应用受到内核限制且难以维护。 本文设计了一个基于开放系统 ( 如u n i x , l i n u x , wi n d o w s )的s a n 共享存储系 统， 它是用户级的应用软件， 无需改变开放系统内核， 可利用应用层的特性来优 化磁盘u o 性能，易于实现、维护和移植，可屏蔽异构系统差异，为应用程序提 供统一接口， 实现数据透明 存储访问 和高性能的数据读写。 在国际合作项目中己 实现了该系统，其性能评测表明该系统具有接近于本地存储系统的性能。 本文总结了作者的研究工作及成果， 首先详细介绍了s a n 的概念、 特点和当 前应用， 并对其物理架构、 拓扑结构以及应用进行了分析， 然后详细描述了s a n 共享存储系统的设计和功能，并对其实现所涉及的网络共享存储、大型机集群、 多重路径等技术做了深入的 分析与 研究， 最后对该s a n 共享存储系统进行子胜 能 分析和系统总结。 关键字:存储区域网 络 ; 共享存储系统 ;网 络共享 ;大型机集群 ;多重路 径 ;统一备份/ 恢复 ;异步i j o 西北工业大学硕士学位论文_ _ _ ab s t r a c t n o w t h e i m p o r ta n c e o f c o m p u t e r s y s t e m d e v e l o p m e n t h a s c h a n g e d fr o m t h e c i r c u m s t a n c e o f h a r d w a r e a n d s o ft w a re t o t h e a p p l i c a t i o n s a n d d a t a . t h e c o r p o r a t i o n s a l s o h a v e h i g h e r a n d h i g h e r r e q u i r e m e n t s f o r d a t a s t o r a g e t e c h n o l o g y . s t o r a g e a r e a n e t w o r k a p p e a r s f o r m e e t in g t h e r e q u i r e m e n t s . s a n a p p l i e s t h e m a t u r e n e t w o r k t e c h n o l o g y i n t o s t o r a g e m a n a g e m e n t , w h i c h m a k e s t h e p r e v i o u s c o n c e p t o f p o i n t - t o - p o i n t c o n n e c t i o n b e t w e e n s t o r a g e e q u i p m e n t s a n d s e r v e r s c h a n g e d e s s e n t i a l l y . i n s a n s t o r a g e t h e e q u i p m e n t s a r e n t t h e a t t a c h m e n t s o f s o m e s e r v e r s , i n s t e a d t h e y l i n k i n t o t h e w h o le o n e w h i c h p r o v i d e s s e r v i c e s f o r a l l t h e s e r v e r s . t h e a u t h o r s t u d ie d s a n t e c h n o l o g y c a r e f u l l y , p a r t i c ip a t e d i n a n i n t e rn a t i o n a l p r o j e c t , a n d d e s i g n e d a h e t e r o g e n e o u s n e t w o r k s t o r a g e s h a r i n g s y s t e m . n o w t h e p r o d u c t i o n o f t h e p r o j e c t h a s p u t i n t o p r a c t i c e . s a n s t o r a g e s h a r i n g s y s t e m i s a n e w - s t y l e d i s t r i b u t i n g n e t w o r k s y s t e m . t h e c l i e n t s i n t h e s y s t e m c a n a c c e s s t h e d a t a o n r a i d s d ir e c t l y t h r o u g h h i g h - s p e e d n e t w o r k ( f i b r e c h a n n e l o r i p n e t w o r k ) n o t u s i n g t h e s e r v e r s t o t r a n s m i t , w h i c h c a n p r o v e t h e p e r f o r m a n c e o f t h e w h o l e s y s t e m . c o n v e n t i o n a l s t o r a g e s y s t e m n e e d m o d i 行t h e k e rn e l o f t h e s y s t e m . t h i s i n c re a s e s t h e d i ff i c u l t y o f t h e i m p l e m e n t a t i o n a n d m a in t a i n a b i l i t y , a n d m a k e s t h e a p p l i c a t i o n s l i m it e d b y t h e k e r n e l . t h i s a r ti c l e d e s i g n s a s a n s t o r a g e s h a r i n g s y s t e m b a s e d o n o p e n s y s t e m ( u n i x, l i n u x , wi n d o w s ) . m a i n f u n c t i o n s o f s t o r a g e s h a r i n g s y s t e m a r e s h a r i n g h e t e r o g e n e o u s d a t a s o u r c e s , d a t a s t o r a g e t r a n s p a re n c y a n d h i g h - s p e e d r e a d in g / w r i t i n g d a t a s o u r c e s . i t h a s b e e n r e a l i z e d t h e s y s t e m b a s e d o n s a n i n a n i n t e rn a l p r o j e c t . a t l a s t , t h e a n a l y s i s o f t h e p e r f o r m a n c e o f t h e m i d d l e w a re s h o w s t h a t t h e s y s t e m h a s l o c a l s t o r a g e s y s t e m - l i k e p e r f o r m a n c e . t h e a r ti c l e s u m m a r i z e s t h e a u t h o r s s t u d y w o r k a n d p r o d u c t i o n . a t f i r s t i t i n t r o d u c e s p a rt i c u l a r l y s a n c o n c e p t , c h a r a c t e r i s t i c , a p p l i c a t i o n , p h y s i c a l fr a m e w o r k a n d t o p s t r u c t u r e . t h e n i t d e s c r i b e s p a rt i c u l a r l y t h e d e s i g n a n d fu n c t i o n o f s a n s h a r i n g s t o r a g e s y s t e m a n d a n a l y s e s t h e m a i n t e c h n o l o g i e s s u c h a s n e t w o r k s h a r i n g s t o r a g e , m a i n fr a m e c l u s t e r , m u l t i - p a t h e t c d e e p l y . a t l a s t i t a n a l y s e s t h e p e r f o r m a n c e o f t h e s t o r a g e s h a r i n g s y s t e m a n d s u m m a r i z e s t h e c h a r a c t e r i s t i c , s h o rt c o m i n g s a n d t h e f i e l d s t h a t n e e d t o b e s t u d i e d k e y wo r d : s t o r a g e a r e a n e t w o r k;s t o r a g e s h a r i n g s y s t e m ; n e t w o r k s h a r i n g s t o r a g e;m a i n fr a m e c l u s t e r;m u l t i - p a t h;u n i v e r s a l b a c k u p / r e s t o r e; a s y n c h r o n o u s u o 仁 业人学硕士学位论文 第一章 s a n技术概述 随着信息技术在企业中的广泛应用，很多企业中的数据量取得了惊人的增 长， 这就对企业的数据存储和管理提出了很大的挑战。 传统的分布式服务器存储 模式由于在管理、 扩容、 合理分配空间等方面存在着种种难以克服的问题，己经 愈来愈不适应企业的发展要求，而存储的集中与整合就成为了一种必然的需求， 网络存储技术应运而生。 网络存储技术将存储子系统从主机系统中剥离出来， 通 过高速的网络将二者连接起来， 形成一个专门用于数据存储的网络， 使数据存储 和使用分离，可对数据进行集中式地管理。 1 . 1 论文研究背景 基于光纤通道( f c f i b re c h a n n e l ) 构建的存储区域网络( s a n s t o r a g e a r e a n e t w o r k ) ， 把通道技术和网络技术引入存储环境中， 能够同时满足可用性、 可靠 性、 可扩展性、可管理性和成本方面的要求，成为业界热点。s a n系统由光纤 通道硬件产品和 s a n管理软件共同构成。光纤通道硬件产品提供服务器间和存 储设备间的高速连接， 是构成s a n系统的物质基础。 s a n管理软件则相当于s a n 系统中的操作系统，是系统的灵魂。管理软件的好坏，极大地决定着 s a n系统 的功能和性能。 在数据存储系统中， 存储管理软件是整个系统的 “ 大管家”， 应该包括以下 三个方面: 存储基础管理、 数据管理和存储资源管理。 存储基础管理指核心的存 储管理、数据复制、卷管理和存储虚拟化;在数据管理中，包括了备份/ 恢复和 数据迁移/ 存档; 而存储资源管理则是指s a n设各管理和介质资源管理。 如果缺 乏存储管理软件， 那么系统就不能真正保证数据的高可用性和高可靠性。 特别是 在复杂的数据环境里，智能的存储管理软件是系统高可用和数据安全的有力保 障。 由于开发s a n的相关产品对硬件的要求很高，国内在该领域的研究很少， 也没有相关产品出现。鉴于这种情况，作者对 s a n系统进行了全面的研究，着 眼于基于s a n的存储管理，涉及异种平台环境集群、数据共享、数据迁移、数 据备 份、 数据复制等。 因 此本课题的主旨 是在主流的操作系统 ( u n i x , wi n d o w s , l i n u x ) 上建立一个基于s a n的网络共享存储管理系统， 对通过光纤通道连接的 磁盘阵列进行直接的存储管理， 实现与大型机的共享存储及不同类型的计算机系 统的统一备份。 由于大型机在基础性业务中的高可用性和高处理能力， 传统上的大型存储系 统大多由大型机来统一管理，使用者只能通过大型机的终端，使用 j c l ( j o b c o n t r o l l a n g u a g e ) 来控制大型存储系 统 ( 如转存， 备份等) ，既繁琐又 缺乏灵活 性。 而开放的系统 ( 如u n i x ， 和w i n d o w s ) 有着许多大型机不具备的优点， 例 仁 业人学硕士学位论文 第一章 s a n技术概述 随着信息技术在企业中的广泛应用，很多企业中的数据量取得了惊人的增 长， 这就对企业的数据存储和管理提出了很大的挑战。 传统的分布式服务器存储 模式由于在管理、 扩容、 合理分配空间等方面存在着种种难以克服的问题，己经 愈来愈不适应企业的发展要求，而存储的集中与整合就成为了一种必然的需求， 网络存储技术应运而生。 网络存储技术将存储子系统从主机系统中剥离出来， 通 过高速的网络将二者连接起来， 形成一个专门用于数据存储的网络， 使数据存储 和使用分离，可对数据进行集中式地管理。 1 . 1 论文研究背景 基于光纤通道( f c f i b re c h a n n e l ) 构建的存储区域网络( s a n s t o r a g e a r e a n e t w o r k ) ， 把通道技术和网络技术引入存储环境中， 能够同时满足可用性、 可靠 性、 可扩展性、可管理性和成本方面的要求，成为业界热点。s a n系统由光纤 通道硬件产品和 s a n管理软件共同构成。光纤通道硬件产品提供服务器间和存 储设备间的高速连接， 是构成s a n系统的物质基础。 s a n管理软件则相当于s a n 系统中的操作系统，是系统的灵魂。管理软件的好坏，极大地决定着 s a n系统 的功能和性能。 在数据存储系统中， 存储管理软件是整个系统的 “ 大管家”， 应该包括以下 三个方面: 存储基础管理、 数据管理和存储资源管理。 存储基础管理指核心的存 储管理、数据复制、卷管理和存储虚拟化;在数据管理中，包括了备份/ 恢复和 数据迁移/ 存档; 而存储资源管理则是指s a n设各管理和介质资源管理。 如果缺 乏存储管理软件， 那么系统就不能真正保证数据的高可用性和高可靠性。 特别是 在复杂的数据环境里，智能的存储管理软件是系统高可用和数据安全的有力保 障。 由于开发s a n的相关产品对硬件的要求很高，国内在该领域的研究很少， 也没有相关产品出现。鉴于这种情况，作者对 s a n系统进行了全面的研究，着 眼于基于s a n的存储管理，涉及异种平台环境集群、数据共享、数据迁移、数 据备 份、 数据复制等。 因 此本课题的主旨 是在主流的操作系统 ( u n i x , wi n d o w s , l i n u x ) 上建立一个基于s a n的网络共享存储管理系统， 对通过光纤通道连接的 磁盘阵列进行直接的存储管理， 实现与大型机的共享存储及不同类型的计算机系 统的统一备份。 由于大型机在基础性业务中的高可用性和高处理能力， 传统上的大型存储系 统大多由大型机来统一管理，使用者只能通过大型机的终端，使用 j c l ( j o b c o n t r o l l a n g u a g e ) 来控制大型存储系 统 ( 如转存， 备份等) ，既繁琐又 缺乏灵活 性。 而开放的系统 ( 如u n i x ， 和w i n d o w s ) 有着许多大型机不具备的优点， 例 匕 工业大学硕士学位宝 如它们可与i n t e rn e t 互联，用户界面友好，系统配置灵活以 及应用广泛。因此为 综合两者的优点， 充分发挥两者的长处， 本课题研究的存储管理系统可实现现今 主流的开放系统( u n i x服务器， wi n d o w s n t / 2 0 0 0 服务器) 与传统大型机对s a n 系统的海量磁盘阵列的共享存储，并提供一组 a p i给这些系统的上层应用程序 使用，有着极高的现实意义和经济价值。 1 . 2 直接连接存储d a s ( d i r e c t a t t a c h e d s t o r a g e ) d a s 是传统的存储方式，它把存储设备 ( 通常是磁盘阵列)通过s c s i 总线 结构直接连接到单个的服务器上， 以服务器为中心， 服务器向存储设备进行数据 的交换时，使用的是非网络拓扑结构。 护 - - - 一 一 - - 一- - - - - 一 、产- 产- - - 一 - - - - - 一、 仁. l a n / w i i _ l a n / w， ) 黔 一一一 一 子r扮 s e r v e r n 对每台服务器进行管理 对每 台服务器进行备份 图1 . 1 d a s 存储结构 d a s 的适用环境为: 1 )服务器在地理分布上很分散， 通过s a n或n a s 在它们之间 进行互连非常困 难时( 商店或银行的分支便是一个典型的例子) ; 2 )存 储系 统必 须 被直 接连 接到 应 用 服 务 器 ( 如m ic r o s o ft c l u s t e r s e r v e r 或 某 些 数据库使用的“ 原始分区，) 上时; 3 )包括许多数 据库应 用和 应用服务 器在内 的应用， 它们需要直 接连接到存 储器 上，群件应用和一些邮件服务也包括在内。 当服务器在地理上比 较分散， 很难通过远程连接进行互连时， 直接连接存储 是比 较好的解决方案， 甚至可能是唯一的解决方案。 利用直接连接存储的另一个 原因也可能是企业决定继续保留己 有的传输速率并不很高的网络系统。 此种存储方式的缺陷是显而易见的。 传输距离的限制， 每串 设备正确端接的 必要性，所需要的并行电缆数等因素，使得s c s i 结构达到其技术上的极限。另 外，如果某一个磁盘阵列需要维护或者重新配置， 则s c s i 结构中的整个存储阵 列都要离线。 对于今天的高可用型网络而言， 这种复杂性和停机时间常常是不允 许的。 匕 工业大学硕士学位宝 如它们可与i n t e rn e t 互联，用户界面友好，系统配置灵活以 及应用广泛。因此为 综合两者的优点， 充分发挥两者的长处， 本课题研究的存储管理系统可实现现今 主流的开放系统( u n i x服务器， wi n d o w s n t / 2 0 0 0 服务器) 与传统大型机对s a n 系统的海量磁盘阵列的共享存储，并提供一组 a p i给这些系统的上层应用程序 使用，有着极高的现实意义和经济价值。 1 . 2 直接连接存储d a s ( d i r e c t a t t a c h e d s t o r a g e ) d a s 是传统的存储方式，它把存储设备 ( 通常是磁盘阵列)通过s c s i 总线 结构直接连接到单个的服务器上， 以服务器为中心， 服务器向存储设备进行数据 的交换时，使用的是非网络拓扑结构。 护 - - - 一 一 - - 一- - - - - 一 、产- 产- - - 一 - - - - - 一、 仁. l a n / w i i _ l a n / w， ) 黔 一一一 一 子r扮 s e r v e r n 对每台服务器进行管理 对每 台服务器进行备份 图1 . 1 d a s 存储结构 d a s 的适用环境为: 1 )服务器在地理分布上很分散， 通过s a n或n a s 在它们之间 进行互连非常困 难时( 商店或银行的分支便是一个典型的例子) ; 2 )存 储系 统必 须 被直 接连 接到 应 用 服 务 器 ( 如m ic r o s o ft c l u s t e r s e r v e r 或 某 些 数据库使用的“ 原始分区，) 上时; 3 )包括许多数 据库应 用和 应用服务 器在内 的应用， 它们需要直 接连接到存 储器 上，群件应用和一些邮件服务也包括在内。 当服务器在地理上比 较分散， 很难通过远程连接进行互连时， 直接连接存储 是比 较好的解决方案， 甚至可能是唯一的解决方案。 利用直接连接存储的另一个 原因也可能是企业决定继续保留己 有的传输速率并不很高的网络系统。 此种存储方式的缺陷是显而易见的。 传输距离的限制， 每串 设备正确端接的 必要性，所需要的并行电缆数等因素，使得s c s i 结构达到其技术上的极限。另 外，如果某一个磁盘阵列需要维护或者重新配置， 则s c s i 结构中的整个存储阵 列都要离线。 对于今天的高可用型网络而言， 这种复杂性和停机时间常常是不允 许的。 西 j 七 工业人学硕士学位论文 1 .3 网 络连接存储n a s ( n e t w o r k a t t a c h e d s t o r a g e ) n a s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， 从服务器的后面去掉存储器， 将它连接到信息网络或者服务器所在 的l a n中。 n a s 通常被理解为专用数据存储服务器， 包括存储设备和内嵌系统 软件。 n a s 通常在一个l a n上占 有自己的节点，允许用户在网络上存取数据， 提供跨平台文件共享功能。由于n a s可以集中管理和处理网络上的数据，从而 减轻了应用或企业服务器上的负载。如图1 .2 所示: 磁 盘 阵列 膏赢瓢 其它服务器 n a s 服务器 图i 2 网络连接存储示意图 n a s是网络技术在存储领域的延伸和发展，数据以 文件的形式按照网 络协 议在客户机与存储设备之间流动，它可以 利用n f s实现异构平台的客户机对数 据的共享，集成在存储设备内的专用文件服务器提高了文件的i / o速度。 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 插即用的产品， 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。 n a s 解决了并行s c s i 总线存在的几个问题 。 首先， n a s 不需要繁琐的s c s i h b a配置以及传统的 s c s i 服务器连接所需的并行电缆和端接。另外，n a s将 存储器从直接连接变为一个特殊的服务器， 一个可寻址的网络设备， 从而解决了 跨操作系统的文件共享。 第三， 存储阵列完全从单个的服务器中 解放出来， 那么 通过网络取得存储设备上的数据而不消耗服务器资源的设想就可以 实现了。 虽然克服了 并行s c s i 结构的许多缺点， 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高可 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 西北工业大学硕士学位论文 威胁;另外， 在n a s 系统里，客户端通过传统的网络访问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* 3 6 5 天的不间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 好的共享性、 开放性、 可控制性。 但缺点 是与l a n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。 n a s不仅可以满足中小企业和政府部门现在对存储设备的需求，还具有足 够的扩展空间，以适应他们未来的发展需求。相关技术的成熟是n a s 产品快速 发展的 重要因素，尤其是i d e硬盘技术的飞速发展和i d e r a i d技术的引入， 可以说是n a s 产品发展的一个里程碑。 它们不仅使n a s 的产品更加成熟， 也使 其成本不断降 低。目 前，各厂商的n a s 产品几乎都以 存储服务器的形式出 现， 并且都把操作系统和内存固化到产品中。n a s聚焦的用户主要有 i s p / a s p . c a d / c a m、中小型企业、视频制作、政府、医疗、教育等等。 1 . 4 存储局域网络s a n ( s t o r a g e a r e a n e t w o r k ) 1 .4 . 1 s a n的架构 s a n是继n a s 之后出现的一种网络存储新技术。 它的主要思路是通过专用 的 集线 器、 交换机和网 关建立服务 器 ( s e r v e r ) 和磁盘阵 列 ( s t o r a g e ) 之间的 直 接连接， 将l a n上的存储事务转换到主要由 存储设备组成的s a n上。s a n并 非一种产品，它是配置网络化存储的一种方法，这种网 络技术支持远距离通信， 并允许存储设备真正与服务器隔离，使存储成为可由 所有服务器共享的资源。 s a n也允许各个存储子系统，如磁盘阵列和磁带库，无需通过专用的中间服务 器即可互相协作。 s a n解决了n a s 数据访问 对网 络带宽占 用的问 题， 使得数据的访问、 备份 和恢复不影响l a n的性能， 在有大量数据访问时，不会大幅度降低网络性能。 在s a n架 构中， s e r v e r / s t o r a g e 间的 通 讯采 用s a n ， 而c l ie n t/ s e r v e : 间 的 通 讯采用的是 l a n 。采用 s a n适合 s e r v e r / s t o r a g e间 大容量数据传送， 而 c l i e n t / s e r v e r 间的数据交换， l a n又可以发挥其灵活的 优势。 以下是s a n的架构示意图: 西北工业大学硕士学位论文 威胁;另外， 在n a s 系统里，客户端通过传统的网络访问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* 3 6 5 天的不间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 好的共享性、 开放性、 可控制性。 但缺点 是与l a n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。 n a s不仅可以满足中小企业和政府部门现在对存储设备的需求，还具有足 够的扩展空间，以适应他们未来的发展需求。相关技术的成熟是n a s 产品快速 发展的 重要因素，尤其是i d e硬盘技术的飞速发展和i d e r a i d技术的引入， 可以说是n a s 产品发展的一个里程碑。 它们不仅使n a s 的产品更加成熟， 也使 其成本不断降 低。目 前，各厂商的n a s 产品几乎都以 存储服务器的形式出 现， 并且都把操作系统和内存固化到产品中。n a s聚焦的用户主要有 i s p / a s p . c a d / c a m、中小型企业、视频制作、政府、医疗、教育等等。 1 . 4 存储局域网络s a n ( s t o r a g e a r e a n e t w o r k ) 1 .4 . 1 s a n的架构 s a n是继n a s 之后出现的一种网络存储新技术。 它的主要思路是通过专用 的 集线 器、 交换机和网 关建立服务 器 ( s e r v e r ) 和磁盘阵 列 ( s t o r a g e ) 之间的 直 接连接， 将l a n上的存储事务转换到主要由 存储设备组成的s a n上。s a n并 非一种产品，它是配置网络化存储的一种方法，这种网 络技术支持远距离通信， 并允许存储设备真正与服务器隔离，使存储成为可由 所有服务器共享的资源。 s a n也允许各个存储子系统，如磁盘阵列和磁带库，无需通过专用的中间服务 器即可互相协作。 s a n解决了n a s 数据访问 对网 络带宽占 用的问 题， 使得数据的访问、 备份 和恢复不影响l a n的性能， 在有大量数据访问时，不会大幅度降低网络性能。 在s a n架 构中， s e r v e r / s t o r a g e 间的 通 讯采 用s a n ， 而c l ie n t/ s e r v e : 间 的 通 讯采用的是 l a n 。采用 s a n适合 s e r v e r / s t o r a g e间 大容量数据传送， 而 c l i e n t / s e r v e r 间的数据交换， l a n又可以发挥其灵活的 优势。 以下是s a n的架构示意图: 酉j 王些盍堂亟堂僮论奎 威胁；另外，在n a s 系统里，客户端通过传统的网络访问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* 3 6 5 天的不间断的商可靠性的要求。由此可见，n a s 技术虽然 可以直接将存储设备挂在网上，具有良好的共享性、开放性、可控制性。但缺点 是与l a n 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。 n a s 不仅可以满足中小企业和政府部门现在对存储设备的需求，还具有足 够的扩展空间，以适应他们未来的发展需求。相关技术的成熟是n a s 产品快速 发展的重要因素，尤其是i d e 硬盘技术的飞速发展和i d er a i d 技术的引入， 可以说是n a s 产品发展的一个里程碑。它们不仅使n a s 的产品更加成熟，也使 其成本不断降低。目前，各厂商的b i a s 产品几乎都以存储服务器的形式出现， 并且都把操作系统和内存固化到产品中。n a s 聚焦的用户主要有i s p a s p 、 c a d c a m 、中小型企业、视频制作、政府、医疗、教育等等。 1 4 存储局域网络s a n ( s t o r a g ea r e an e t w o r k ) 1 4 1s a n 的架构 s a n 是继n a s 之后出现的一种网络存储新技术。它的主要思路是通过专用 的集线器、交换机和网关建立服务器( s e r v e r ) 和磁盘阵列( s t o r a g e ) 之间的直 接连接，将l a n 上的存储事务转换到主要由存储设备组成的s a n 上。s a n 并 非一种产品，它是配置网络化存储的一种方法，这种网络技术支持远距离通信， 并允许存储设备真正与服务器隔离，使存储成为可由所有服务器共享的资源。 s a n 也允许各个存储子系统，如磁盘阵列和磁带库，无需通过专用的中问服务 器即可互相协作。 s a n 解决了n a s 数据访问对网络带宽占用的问题，使得数据的访问、各份 和恢复不影响l a n 的性能，在有大量数据访问时，不会大幅度降低网络性能。 在s a n 架构中，s e r v e r s t o r a g e 间的通讯采用s a n ，而c l i e n t s e r v e r 间的通 讯采用的是l a n 。采用s a n 适合s e r v e r s t o r a g e 间大容量数据传送， 而 c l i e n t s e r v e r 间的数据交换，l a n 又可以发挥其灵活的优势。 以下是s a n 的架构示意图： 4 酉l e 王些盔堂亟堂僮监塞 图1 3s a n 的结构示意图 典型的s a n 环境通常由4 部分组成：最终用户平台、服务器、存储子系统 和互连设备。 其中的存储子系统需要具有f c ( f i b r ec h a n n e l ) 连接性以外，还有一些特别要 求：高容错性、远程管理性和可扩展性。 s a n 的互连设备是通过高带宽光纤通道连接的。光纤通道f f c ) 是当前构建 主干网的首选，它已经成为s a n 接口的工业标准，对所有组成s a n 的部件的第 一个要求是具有f c 连接性。对服务器而言，必须安装f c 主机总线适配卡以及 兼容设备驱动程序。对诸如r a i d 或磁带库等存储子系统来说，即意味着支持 f c 或是通过f c 至s c s i 桥将传统的s c s i 设备连接到s a n 上。 从逻辑角度上来说，一个s a n 的逻辑运行要求有应用程序和管理工具的参 与，这些工具能够对多个主机系统中的存储资源进行管理。这种逻辑管理体系结 构包括从数据管理应用程序到设备管理在内的几个层次，以及每一层中的管理控 制。 1 4 2 光纤通道 光纤通道技术已发展成一项复杂、高速和高扩展性的网络技术。最初，它并 不是作为一种存储网络技术来研究，而是作为高速骨干网技术出现的。为了适应 可能出现的技术变革，在未来提供更快更好的性能，设计时光纤通道应具有如下 要素： 1 ) 为可扩展性、小型光缆连接器和距离扩展能力所准备的串行传输： 2 ) 最大规模网络应用中的异步通信； 3 ) 交互通信能力和连接新介质的能力： 4 ) 低延迟的交换网络互连； 5 ) 为开发和配置复杂性所准备的模块化和层次化结构； 6 ) 高带宽、低延迟、低错误率和轻量级错误等。 光纤通道协议是在s c s i 基础上发展起来的。由于s c s i 高效的数据传输特 性已被实践证明，光纤通道沿用了其核心部分。同时，由于s c s i 的并行方式在 距离、可连接性、可用性和可靠性方面有诸多限制，光纤通道协议对此进行了改 进，并支持串行方式。这些改进加上其自身的特性，使光纤通道在距离、寻址空 间、可连接性、可用性和可管理性方面，具有传统方式不可比拟的优势。光纤通 道能够接纳很多上层协议( u l p ) ，这些上层协议能被底层的光纤通道网络传输。 这种在光纤通道传输之上接纳的u l p 技术称为协议映射，协议映射可描述位于 光纤通道传输中u l p 消息块的位置和顺序。 1 4 3s a n 的拓扑结构 s a n 技术借用了许多现有的网络拓扑结构，并将其应用到数据存储中。其 拓扑结构主要有3 种： 1 ) 点到点拓扑结构 它是最简单的s a n 连接，两个节点端口间采用铜缆或光纤直连，连接距离可 达1 0 k m ，主机设备通过登录建立初始连接，然后保持固定连接并占用全部带 宽，就实际的应用上来说，系统能够做全双工( f u l ld u p l e x ) 传输的机会不是很 大。所以，点对点的连接架构，虽然也算是s a n 的一种，但是充其量只是直接 连接储存系统d a s 的一种而已，只不过把s c s i 或i d e 换成f i b r ec h a n n e l 而已。 点对点连接的架构，仅适合在储存系统建置初期，在容量需求还不是很大的时候， 做一个保守的投资，但是又保留将来系统的扩充能力( s c a l a b i l i t y ) 。 2 ) 仲裁环拓扑结构 仲裁环是光纤通道常用的拓扑结构。在一个逻辑环状网络上，它提供对公用 通道的共享，允许环上设备共享带宽。在环内，一个传输发起者在传输前必须通 过仲裁光纤通道环的访问权。s a n 在一个环状中使用的网络设备称为集线器， 它可以级联，但不是通过多层交换级联，而是通过增加环的逻辑圆周尺寸来级联 环。在一个仲裁环中的所有装置，都共同分享整体带宽，因此回路架构越大( 即 装置总数越多) ，每个装置分享到的带宽也就相对越小。当然，在同一时间点上， 并不是回路上的每一个装置都需要传输数据，因此，真正活跃节点( a c t i v e n o d e s ) 的数目，决定了整个回路的平均带宽。 3 1 光纤通道交换式拓扑结构 交换式s a n 是采用网络交换机构建的存储网络，交换机类似数据网络中的交 换机，但采用不同机制，在建立点对点通信方面，类似点对点网络，不同处在于， 6 4 )低延迟的交换网 络互连; 5 )为开发和配置复杂性所准备的模块化和层次化结构; 6 )高带宽、低延迟、 低错误率和轻量级错误等。 光纤通道协议是在 s c s i 基础上发展起来的。由于s c s i 高效的数据传输特 性已被实践证明，光纤通道沿用了其核心部分。同时，由于s c s i 的并行方式在 距离、 可连接性、 可用性和可靠性方面有诸多限制， 光纤通道协议对此进行了改 进， 并支持串行方式。 这些改进加上其自 身的特性， 使光纤通道在距离、 寻址空 间、 可连接性、 可用性和可管理性方面， 具有传统方式不可比拟的优势。 光纤通 道能够接纳很多上层协议 ( u l p ) ， 这些上层协议能被底层的光纤通道网络传输。 这种在光纤通道传输之上接纳的u l p技术称为协议映射，协议映射可描述位于 光纤通道传输中u l p消息块的位置和顺序。 1 . 4 .3 s a n的拓扑结构 s a n技术借用了许多现有的网络拓扑结构，并将其应用到数据存储中。其 拓扑结构主要有3 种: 1 ) 点到点拓扑结构 它是最简单的s a n连接， 两个节点端口间采用铜缆或光纤直连， 连接距离可 达 i o k m，主机/ 设备通过登录建立初始连接，然后保持固定连接并占 用全部带 宽， 就实 际的 应用上来 说， 系 统能 够 做 全双 工( f u ll d u p l e x ) 传 输的 机 会 不是 很 大。 所以，点对点的 连接架构，虽然也算是s a n的一种， 但是充其量只是直接 连接储存系统d a s 的一种而已 ， 只不过把s c s i 或i d e 换成f i b r e c h a n n e l 而已。 点对点连接的架构， 仅适合在储存系统建置初期， 在容量需求还不是很大的时 候， 做一 个保守的 投资， 但是 又 保留 将来 系 统的 扩充能 力( s c a l a b i lity ) . 2 ) 仲裁环拓扑结构 仲裁环是光纤通道常用的拓扑结构。在一个逻辑环状网络上，它提供对公用 通道的共享， 允许环上设备共享带宽。 在环内， 一个传输发起者在传输前必须通 过仲裁光纤通道环的访问 权。s a n在一个环状中使用的网络设备称为集线器， 它可以级联， 但不是通过多层交换级联， 而是通过增加环的逻辑圆周尺寸来级联 环。 在一个仲裁环中的所有装置， 都共同分享整体带宽， 因此回路架构越大 ( 即 装置总数越多) ， 每个装置分享到的带宽也就相对越小。 当 然， 在同一时间点 上， 并不是回路上的每一个装置都需要传输数据， 因 此， 真正活跃节点( a c t i v e n o d e s ) 的数目，决定了整个回路的平均带宽。 3 ) 光纤通道交换式拓扑结构 交换式s a n是采用网络交换机构建的存储网络， 交换机类似数据网 络中的交 换机， 但采用不同机制， 在建立点对点 通信方面， 类似点对点网 络， 不同处在于， 业大学硕士学位论 它所建立的点对点连接不是永久性的， 而是可同时并发多个点对点的虚连接。 光 纤通道通过光纤通道交换机进行链路级交换， 提供多个并发的点到点连接。 交换 式s a n