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摘要 随着网络和电子商务的广泛发展，存储系统不但需要大容量，而且需要能提 供2 4 7 的实时在线存取。传统的存储机制不能满足这种需要，促使了新技术的 发展，其中一种就是存储区域网络( s a n ) 。s a n 的核心思想是：将传统的主机 与存储设备之间的数据总线替换为高速的数据网络。 光纤通道、i n f i n i b a n d 和i s c s i 是下一代s c s i 传输# d l n 的竞争者。本文分析 了三种协议的不同部分，而且对它们是否满足s a n 环境的需要进行了评估。 i s c s i 是s c s i 远程过程调用模型在t c p 协议上的映射，它可以在i p 网络上 传输存储i o 块。i s c s i 协议将存储和i p 网络结合了起来，开辟了基于i s c s i 的 s a n 的新天地。本文介绍了该协议并分析了一些协议细节。 在l i n u x 环境下i s c s is a n 的实现分为s c s i 启动器和s c s i 目标器两端，本 文给出了s a n 环境下s c s i 目标器的一个设计，并且定义了部分函数的功能。 关键词t s a n 网络存储i s c s i a b s t r a c t t h ew i d e s p r e a da d c i p t i o no ft h ew o r l dw i d ew e ba n de - c o m m e r e eh a sc r e a t e da h u g ed e m a n df o rv a s ts t o r a g er e p o s i t o r i e st h a tp r o v i d er e a l t i m eo n - l i n e a c c e s s2 4 h o u r sad a y ，7 d a y s aw e e k t h i sd e m a n dh a so v e r w h e l m e dt r a d i t i o n a l s t o r a g e m e c h a n i s m s ，a n dh a sp r o m p t e d t h ed e v e l o p m e n to f p r o m i s i n g n e w t e c h n o l o g i e s ，o n e o fw h i c hi s t h e “s t o r a g e a r e an e t w o r k o rs a n t h ek e yi d e ab e h i n ds a n d e v e l o p m e n ti s t or e p l a c et h et r a d i t i o n a ld a t ab u sb e t w e e nah o s tc o m p u t e ra n di t s s t o r a g ed e v i c e s w i t ha h i g h - s p e e d d a t an e t w o r k f i b r ec h a n n e l i n f i n i b a n da n di s c s ia r ec o m p e t i n gt oe m e r g ea st h ed o m i n a n t n e x t g e n e r a t i o n s c s i t r a n s p o r t m e c h a n i s m t h i st h e s i s a n a l y z e s t h ed i f f e r e n t c o m p o n e n t o fan e t w o r k p r o t o c o la n d e v a l u a t ew h e t h e r t h e ya r es a t i s f yf o rt h en e e d s o fs a ne n v i r o n m e n t s i s c s ii sa ne n d - t o - - e n dp r o t o c o lf o r t r a n s p o r t i n gs t o r a g ei ob l o c kd a t ao v e r a ni p n e t w o r k t h ei s c s i p r o t o c o lu n i t e ss t o r a g ea n di pn e t w o r k i n g t h i st h e s i sp r e s e n t sa g e n e r a lo v e r v i e wo f i s c s ia n do u t l i n e ss o m ed e t a i l so f t h e p r o t o c 0 1 t h e i m p l e m e n t a t i o n o fl i n u x - b a s e di s c s if o rs a ni sd i v i d e di n t ot w o p a r t s o n e i ss c s ii n i t i a t o ra n dt h eo t h e ri ss c s i t a r g e t 。t h i st h e s i sd e s c r i b e sak i n do fd e s i g n o f s c s i t a r g e ti ns a n a n dd e f i n e ss o m ef u n c t i o n so f i t 。 k e y w o r d ： s a n s t o r a g en e t w o r k i s c s i 序言 i n t e r n e t 时代正在迅速改变所有商业运作，从发展迅猛的小型公司到拥有广 泛资源的全球跨国企业，都对存储容量提出了越来越庞大的要求，任何单位的信 息的闸门都被猛然冲开，业务处理的信息量以令人难以置信的爆炸速度增长，信 息的存储己成为企业的核心业务。存储资源正在成为网络上的一种公用设施，可 在整个网络中为每个应用环境提供无限的性能和容量，同时，存储有效的分配、 配置、备份和管理需要强大的解决方案。又由于企业信息系统环境的日趋复杂， 能够提供多种信息处理系统的连接、信息保护、信息管理、信息分享、具有弹性 的存储架构已成为大趋势。 据i d c 调查，2 0 0 1 年，全球新增的数字化信息为6 0 亿g b ，而2 0 0 1 年的全 球存储市场规模为3 8 6 3 5 亿美元，预计到2 0 0 5 年，可达5 8 0 3 4 亿美元；在亚太 区，存储市场规模将从2 0 0 0 年的2 4 9 亿美元增长到2 0 0 5 年的4 5 1 亿美元。研 究显示，企业对信息资料存储的忽视已经影响了自身的商务运作能力，并且随着 数据规模的增大及安全要求的不断提高存储设备的应用管理成本也日益提高。 目前用户在服务器和存储产品上的花费的比例约为1 ：3 。 目前存储市场主要有三种方式：d a s ( d i r e c ta t t a c h e ds t o r a g e ，直接附属存 储) 、n a s ( n e t w o r k a t t a c h e ds t o r a g e ，网络附加存储或附网存储) 、s a n ( s t o r a g e n e t w o r k ，存储区域网络) 。传统的直接存储的模式d a s 是直接将存储设备连接 到服务器上，方面，当存储容量增加时，这种方式很难扩展；另一方面，当服 务器出现异常时，会使数据不可获得。n a s 和s a n 的出现适应了网络正成为主 要的信息处理模式的发展趋势。 n a s 网络附加存储，即将存储设备连接到现有的网络上，提供数据和文 件服务。n a s 服务器一般由存储硬件、操作系统以及其上的文件系统等几个部 分组成。n a s 将存储设备通过标准的网络拓扑结构连接，可以无需服务器直接 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、专门用于数据存 储的简化操作系统，内置了与网络连接所需的协议。因此使整个系统的管理和设 置较为简单。n a s 是真正即插即用的产品，并且物理位置灵活，可放置在工作 组内，也可放在其他地点与网络连接。 s a n 存储区域网络，即通过特定的互连方式连接的若干台存储服务器组 成一个单独的数据存储网络。s a n 是一种特殊的高速网络，连接网络服务器和 诸如大磁盘阵列或备份磁带库的存储设备，s a n 将存储网络和局域网分开。利 用s a n ，不仅可以提供大容量的存储数据，而且地域上可以分散，并缓解了大 量数据传输对于局域网的影响。s a n 的结构允许任何服务器连接到任何存储阵 列，不管数据置放在哪嫩，服务器都可直接存取所需的数据。 据g a r t n e rg r o u p 统计，2 0 0 0 年s a n 在全球整个存储市场中占1 6 ，而2 0 0 5 年将达到5 2 ，从中国市场看，2 0 0 0 年s a n 占整个存储市场的8 ，瓶2 0 0 5 年 将达到4 2 ，s a n 将会成为主流的存储技术。随着技术的成熟和业务的需要， 越来越多的企业慕用了s a n 韶储构絷，纷纷开始构建异地容灾和鍪份系统e i s c s i ( i n t e r n e ts c s i ) 是一种在i n t e m e t 协议网络上，特别是以太网上谶行 数撼块砖簸瞧标臻。它囊c i s c o 窝i b m 等公司发起熬，并且缮嬲了黪存锗鼓零 拥护者的大力支持。与光纤通道和i b a ( i n f i n i b a n d ) 技术相比，i s c s i 比光纤通 遂和i b a 蠢更驽鹃哥扩羰发现秘登录橇裁。i s c s i 豹动态麓霹诗簿橇露l 更适翅子 无法预测负载变化的广城网环境。i s c s i 还可以利用i p 网络中使用的身份验诫和 掬密褫涮。i s c s i 的优势还在予可敬确蔫现帮戆l p 瓣络设施。 在2 0 0 3 年2 月i e t f 批准i s c s i 协议标准之前，光纾通道技术在s a n 实现 中是占统治造位的技术。但是冀粲构需要高踊的建设成本，远非般企业所髓够 承受。与之相比，n a s 技术虽然成本低廉，但是却受到糟宽消耗的照制，嚣法 完成大容鬣存储的应用，而且系统难以满足开放性的要求。基子i s c s i 技术构建 的s a n 把孬髓设备_ 帮殿务器与应用蛰通互联嬲协议建立起来的网络缨合在了一 起，而不是使用速度更快但是价格更昂贵、聪复杂的光纤通道技术，为众多中小 金韭瓣经济合理嚣便予管理熬存旗竣镰提供了壹按谤阉戆戆力。 目前，i s c s i 技术的实现主要有三种方式：( 1 ) 纯软件方式：采用通用以太 瘸卡实现圈络连接，主瓿e & 逶过运行软辞宠藏i s c s i 释代嬲p 渗议枝功缝嫠。 由于采用标准网卡，因此这种方式的硬件成本最低。但主机的运行开销大大增加， 造成主祝系统往麓下降。实验诞孵：强通信鬣增大辩，主梳c p u 髂和精率可这 9 0 以上。( 2 ) 智能i s c s i 网卡实现方式：采用特定的智能网卡，i s c s i 层的功 能由主机来完成，而t c p i p 协议栈功能由网卡来完成。和方式l 相比，部分降 低了主机的运行秀销。( 3 ) i s c s ih b a 卡实现方式：i s c s i 层和t c p l p 按议栈 功能均由该主机总线适配器来究成，对主机c p u 的需求最少，相对主机而言， 就是个标准豹s c s ih b a ，可以在务释操终系统乎会上斑熙。摄i n t e t 实验宣髂， 能以8 7 5 m b p s 的速度通过i s c s i 传输数据，而c p u 的利用率不超过5 。该方 式熬竣点是：主撰不韪遴过该i s c s i 黯a 卡究戏广义矮终经务。 i s c s i 具有低廉、开放、安仝等诸多优点，随赭新技术标准的制定，必将成 为秘络存德领域内豹核心技术之一。值是，我翻谗应当麓弱它存在着一些壳天 不足。酋先，i s c s i 封装的是s c s i 协议，与其他的存储协议如光纤通道协议不 兼容，园诧与霞前流行的光纤遴遭s a n 的融台问戆还没宥解决。其次，从广域 网来激，速度仍不理想。如果i s c s i 能够解决在l p 劂络上占用过多带宽的限制， 并有效实施麓错控制，届时i p 存储将成为存储领域鼹具希望的发展方向。此外， 穿育 i s c s i 捆必技术謦 j 产品难处于发展阶段，用户可选择的佘地较小。因此，本论文 主要研究在l i n u x 下i s c s i 耨蓑软彳串盼窦臻方案辩设计。 l i n u x 下的i s c s is a n 的爨现包括s c s i 癌动嚣端和s c s i 嗣橼器端。在l i n u x 内核2 4 版本中，s c s i 予系统罐供7 对s c s i 启动嚣端较好的囊持，瓣诧本文捂 研究壤力敞在了s c s i 秘撂器端豹设量 方案上。 l i n u x 下的i s c s i 技术主簧的研究有： 霞子激建舞麴毽酗海漫骄震貔，在l i n 溉巍挟2 2 叛率下蜜骥7i s c s i 稿秘 器( i n i t i a t o r ) 。测试的环境是撼于i b m 的t o t a l s t o r a g e2 0 0 i 的磁盘控制器，并且 霞辩器瑶始t 0 0 撼殴度耀互鼗。m a s sl o w e l l 丈学袁l i n u x 建棱2 。4 叛本下实瑰了 i s c s i 启动器。n e wh a m p s h i r e 大学的i n t e r o p e r a b i l i t y 实验室实现了l i n u x 内核 2 。4 舨奉下瓣i s c s i 霹栎器。蘧癸i n t e t 霍c i s c o 趣旁l i n u x 下i s c s i 技术驰磷究 计划。此外，在本文第三章的洙尾介绍了释燕要i t 公司对i s c s i 技术的支持情 琵。 零文设计的s c s i 目搪器仿粪程廖将s c s i 丑椽嚣分成s c s t 中闽层秘前端驱 动弦序模块。分掰处理s c s i 命令需瑟的信感和传输协议褶关的信息。这种设计 方案敷主襄好处奄甄点；逶赐性好，不同豹s c s i 健输蜘议( i s c s i 、s e p 、f c 等等) 可黻在其之上结合和共存；可以充分利用业融存在的l i n u x 内核机制，比 如落t c p i p 魏议拽窝s c s i 予暴统。本文还给出了蹲令模块至动疆完成s c s t 读、 写过程所需要的a p i 。 率论文雅结构是； 第一章回顾了存储系统的拨展历程，分析了d a s 、n a s 、s a n 三种存储方 式，劳盈讨论i s c s i 蓑零翡馥域精存储系统发震浆影璃。 第二章对光终通道、i n f i n i b a n d 和i s c s i 在s a n 存储环境下的适用性进行了 评锩鹣篦较。 麓三章套绍7i s c s i 蜘一些蠛念翻工作过程，并且对撩议数撰细蛩避行了分 析。 熬翅章蹩l i n u x 下s c s i 爨挺嚣傍真茬黟熬设毒 。县露蘧援悭姆翻充分剩耀 l i n u x 内核机制的特点。 竣嚣，跫黠全文王转携憨臻囊对今后工 嚣翡最攫； 第一章从童接存储判罔培存赭 第一章从直接存储到网络存储 随着计算机系统中处理器和磁盘驱动器技术的发展，计算速度和存储容摄已 经发袋蜀鞠当程发，罐蠢v o 等环节存在静稔颈仍然隶l 麴着存镶系统内终端嗣户 提供实时的数据存取能力。作为数据信息的最重要泼体，存储系统也逐渐成为计 算褫系统的核心部分之一。尤其是二千氆纪九+ 年代骏采互联两的飞速发展，入 类社会产生的数据信息璺现爆炸性的增长。楣应地，对于存储系统的要求也不断 提高。 在此背袋之下，存镁系统的地位列趋重要。它融经摆脱了单缒作为主机系统 的一个组成部分的角色，逐渐成为一个相对独立的系统。九十年代以前，存储产 晶大多终为缀务爨豹缝残部分之一，这耱形式熬存键被称为d a s ( d i r e c t a t t a c h e d s t o r a g e ，赢接附属存储) 。简单地说，d a s 即磁盘驱动器和服务器直接相逢。 在这耱传绞豹存耱结稳孛，存储被视为“箨潮”设旃。数攥管理怒“数撩务器为孛 心”的，而髓所有的应用软件很明显都是和存储予系统配旗。d a s 适用于一个或 有限游凡个服务器环境。僮在较复杂豹环境中就会疆弱一些棘手的离麓。不倦存 储供应的效率变得越来越低，其可升级性受到很大限制，同时存储资源和数据也 无法共事。 进入丸十年代以后，人们邂渐意识到l t 系统的数据集中和筵享成为一个亟 待解决的问题。于是，网络化存储的概念被提出并得至了迅速发展。从架构上来 分，今天静网络饯存髓系统主要包括s a n 期n a s 两丈类。 在s a n 中，几个服舞器共幸存储访问，服务器通过s a n 交换机运接到存储 系统。s a n 粒d a s 提毙骞缓大瓣挽势，兹蠢熬可羚级挫、稳定性、霹耀牲稿往 能都大大加强。不过，落晟大的优势魁集中的管理，这就降低了总拥有成本。大 多数藏察家诀秀，毙纾遴道主要应瑁程菜些蘩要整务和嵩毪麓馥雳，魏数据串心 环境。 n a s 跫最成熬的网络存储解决方案，n a s 设备稽诧较其它存储方式，其总拥 有成本最低。以前，n a s 被看作是低端、低性能的存储。但是，高速干兆以太 网和商用n a s 设备的出现极大地加强了n a s 在数据中心环境中的应用，特别是 现在人们十分重枣璺产品的楚便翁用性。然嚣，某些窝业应用将存健视为本地磁懿， 因此，n a s 并不适用于所有应厢。 焱典型豹公司 t 嚣壤孛，鸯些应鼷震要s a n 存锉，恧骞些残煺嚣要n a s 存 储。为了解决这种情况，产生了一种统一化存储系统( 通常叫做光纤网络存储， f a s ) ，它哥软圈拜雩支持s a n 霸n a s 游议，数及蠢纾逶遂帮戳太两转输。 在全世界，s a n 和n a s 存储正在迅速发展，d a s 的生存空间越来越小。 第一节开放系统服务器存储和s c s i 技术 1 1 开放系统服务器存储 传统的数据存储方法，主要有开放系统服务器存储和大型机系统存储。大型 机系统存储尽管在可靠性和技术支持方面无可挑剔，但在购买、安装、用电、程 序、操作、维护和升级等方面的花费都是极其昂贵的。相对而言，开放系统服务 器的市场可以分成若干个层次，每个层次对应特定需要的产品。对于消费者而言， 这意味着能够购买到一种适合自身需要的产品。而且，开放系统服务器占有的市 场份额巨大，巨大的市场吸引了众多的竞争纛，而竞争又驱动了产品价格的大幅 下降。 在开放系统领域，主要的v o 技术是s c s i ( s m m lc o m p u t e rs y s t e mi n t e r f a c e ， 小型计算机系统接口) 。s c s i 是一个很成功的技术，作为连接数据存储的高性能、 价格适中的方法，该技术可能将继续盛行相当长的一段时间。 1 2s c s i 总线 s c s i 是设备无关的v o 子系统，它允许把一些不同的设备连接到一个计算机 系统上。s c s i 总线的电气特性和协议是为理想中的外围设备的需求而设计的。 设备无关性意味着当我们连接某种s c s i 设备时，并不需要知道有关该设备的任 何特别信息。 s c s i 总线是捆在一起的一束缆线，用来连接主机控制器和s c s i 外围设备。 这些实体工作在单一的逻辑和电气传送系统中。s c s i 设备及其控制器的连接方 式是所谓的菊花链，图1 1 显示了菊花链上的几个s c s i 设备。s c s i 总线的工作 方式与其他的总线或总线网络相同。 到主机i ( 3 控制器 图1 1s c s l 连接的菊花链方式 终结电阻 蔓二兰丛塞苎登笪型旦堑查熊 一 一 1 3 启动器和目标器 启动器是一个在s c s i 总线上触发任务的设备，目标器是执行该任务的设备。 计算机的s c s i 主机控制器是一个典型的启动器，磁盘驱动器是一个典型的目标 器。启动器发送一个信号以启动一个操作，目标器则响应启动器的请求，传输数 据或者提供状态信息。有些设备既可以作为启动器，也可以作为目标器。启动器 和目标器构成了s c s i 的客户一服务器结构。 1 4 s c s i i d 和l u n 因为s c s i 总线是由一些分离的段连接而成的，所以它要求正确地标识每一 个设备的机制。一个简单的编址方案是为总线上的每一个设备安排一个的s c s i i d ，唯一地标识s c s i 总线上的每一个设备和主机控制器，并确定总线仲裁优先 权。 在s c s i 总线上，每个主机控制器和设备的地址都是可以配置的。在并行s c s i 中，由两个数据宽度：一个是8 位，称窄s c s i ，有8 个地址：另一个是1 6 位， 称为宽s c s i ，有1 6 个地址。因为s c s i 主机控制器要占一个地址，所以，窄s c s i 和宽s c s l 分别仅剩下7 个和1 5 个设备地址。 窄s c s i 应用如下优先排列策略：由s c s i 的i d 来决定总线上各实体的相对 优先权。最高的地址i d7 是具有最高仲裁优先权的地址，而最低的地址i d0 是 最低优先权的地址。宽s c s i 为了保持与现存的窄s c s i 相兼容，保持了原有的 窄s c s i 优先权排列策略，而把新加的从8 到1 5 的i d 优先权排在更低的位置。 s c s i 也设计了予i d 级的设备编址策略，称为逻辑设备号( l u n ) ，存储子 系统到主机的连接器使用的是s c s i 地址，而子系统内的设备使用l u n 进行编 址。每个s c s ii d 可以拥有8 个l u n 地址。如果把很多设备挂接到同一个s c s i 主机i o 控制器上，虽然容量获得了大大的增加，但是性能将受到很大的限制。 综上所述，用于s c s i 总线操作的编址模型是一个目标器一l u n 对，而对操 作系统而言，编址则是启动器一目标器一l u n 的三元组。这里，启动器是指主 机总线上的s c s i 主机瑚控制器i d 。 一个s c s i 任务指的是一个s c s i 命令或者一组相连的s c s i 命令。一些逻辑 设备能够支持多个任务。这些任务组成的队列是逻辑单元管理的。目标器使用启 动器提供的“任务标签”来识别任务。 每个s c s i 命令都要求一个响应阶段，还可能有数据传输阶段。在数据传输 阶段，可以从启动器向目标器发送信息( 比如写操作) ，也可以从目标器向启动 器发送信息( 比如读操作) ，还可以双向传输信息。在响应阶段，目标器返回操 第一章从直接存储到阿瞎存储 作的最终状态。 命令描述符块( c d b ) 是用来记录启动器传送到目标器的命令参数数据结构。 1 5 各种类型的s c s i 许多年来，s c s i 技术一直处于不断发展之中，性能也在不断地提高，表1 1 列出了各种类型的s c s i 的相对速度和缆线长度。表中列出了多个u l t r as c s i 和 w i d e s c s i 条目，是因为把加到总线上的设备数减少到晟大数量的一半，u l t r a 和 w i d eu l t r a 的缆线长度可以增加一倍。 表1 1 各种$ c s i 的支持总线长度及传输速度 第二节存储管理的挑战和解决瓶颈的方法 2 1 传统存储的问题 过去2 0 年里，计算领域发生了很大的变化。2 0 年前，许多工作必须由大型 机系统才能完成，现在它们却可以在价格低廉而功能强大计算机和计算机集群上 完成a 尽管如此，计算机所处理和产生的数据的重要性却没有改变，因为一旦数 第一章从直接存储蓟罔培存储 据丢失，所有的计算能力都变得毫无价值。这就给数据存储工业提出了新的挑战， 即必须在廉价的网络上提供数据2 4 7 操作的可靠性和保护。国际数据公司 ( i n t e r n a t i o n a ld a t ac o r p o r a t i o n ) 的一项研究表明，存储管理的花费是存储设备 最初花费的l o 倍。数据管理员面i 临阵以下挑战： 1 、通过网络来部署重大的应用程序。 2 、让广泛分布于不同地方的用户可以同时共享存储池中的数据 3 、以较小的人力物力，尽可能对分布于广泛区域的存储数据进行有效的管理。 4 、对越来越多的数据密集型应用提供支持。 如果用传统的s c s i 来解决以上问题，会导致如下的问题： 1 、s c s i 己被设计为点到点的、直接从计算机到存储的设备接口，并不适合用作 多路主机到存储的通信。 2 、s c s i 最多支持1 5 个设备，这限制了实现多个服务器到多个存储设备的网络 结构。 3 、s c s i 的点到点最大距离是2 5 米。这个距离限制导致了存储组织和分布结构 的限制。 4 、由于s c s i 点到点传输的限制，这就使从服务器到服务器的备份要通过局域 网来传输数据，从而增加了局域网的带宽消耗。 2 2 解决存储瓶颈的方法 解决存储瓶颈问题的基本方法是：将大量的存储设备同访问它们的计算机系 统分开。有两种机制可以达到这个目的，它们是： l 、n a s ( n e t w o r k a t t a c h e ds t o r a g e ，附网存储或网络附加存储) 2 、s a n ( s t o r a g e a r e a n e t w o r k ，存储区域网络) 3 1n a s 倚介 第三节l q a $ 技术 n a s 是一种专用数据存储设备，直接连到网络上，避免增加服务器的i o 负载。n a s 内嵌系统软件，提供跨平台文件共享，实现数据集中管理。 n a s 方法是一种较传统的解决方法，它介入应用客户端和存储设各之间 的通信。主机同远程存储之间的通信是通过一个特别的文件系统实现的，这个文 第一章从直接存储到舟培存储 件系统使用传统的网络协议栈。对存储设备的访问是依靠n a s 服务器来控制的。 n a s 服务器和存储设备之间的通信是通过传统的通道协议( 比如s c s i ) 来实现 的。而n a s 服务器和主机( 也就是n a s 客户机) 闻的通信是使用特定的协议。 n a s 服务器同n a s 客户机之间的存取单元是文件，所以n a s 文件系统必须在 文件级来解决完整性、安全性和一致性问题。 3 2 n a s 技术分析 图1 2n a s 、n a s 构成 n a s 在构成上主要有两个突出特点：其一，在物理连接上，将n a s 直接连 到网络上，不再挂接到某个服务器后端，避免增加服务器的i o 负载；其二，通 过专用软件策略进行数据块调度，减少磁头臂机械移动的次数。 图l 一3 说明n a s 从结构上可以分解为控制器部分、网络部分、存储设备三部 分。 第一章从直接存储到罔鲳存储 图1 3 n a s 构成 二、n a s 关键技术分析 1 核心操作系统 从表一可以看出，n a so s 通常需要实现四个方面的功能：设备驱动功能； 设备管理功能；文件共享服务功能：应用系统功能。存储设备可以是r a i d 磁盘 阵列，或者是磁盘和磁带；网络部分从理论上可以是各种网络技术，支持多种网 络拓扑；控制器部分从结构和功能上讲都是一个有自己的c p u 和自己的o s 的 瘦服务器，n a s 实际上是一个专用的网络文件服务器。 目前，n a so s 的实现主要有三个途径： 1 ) 以f r e e b s d l i n u x 等通用网络o s 为蓝本，进行系统重构而成。 2 ) 以m i c r o s o f t 的s a k 为基础开发而成。 3 ) 基于v x w o r k 等高效嵌入式操作系统开发而成。 2 存储设备 在s a n 中采用的光纤通道技术和f a b r i c 交换技术由于其成本较高，在中低 端几乎没有选用。s c s i 技术是在中端和部分高端n a s 中广泛采用的技术。 随着c p u 性能提高和新技术的出现，i d e 技术在低端n a s 成为主流选择。 3 网络设备 由于以太网技术是目前最普遍的一种局域网技术，特别是快速以太网络技 术，数据传输率已经达到了1 g b p s ，且正在推出1 0 g b p s 的标准和技术，这些都 确定了以太网技术的霸主地位，因此以太网是n a s 设备中通常采用的技术。 4 文件系统 基于s a k 开发的n a s 内部采用的文件系统基本上都是n t f s ，它具有较强 的安全级别、容量和性能，并且能够与a c t i v ed i r e c t o r y 很好地集成。 基于f r e e b s d l i n u x 开发的n a so s 通常采用缺省系统文件系统。 第一章从直接存储到同络存储 应用系统 n f s其他文件共享 c i f s 服务器 服务服务 本地文件系 卷管理器 统 t c p i p 驱动 存储设备驱动 程序 表1 2 n a s 系统 面向高端的基于f r c c b s d l i n u x 开发的n a so s 和基于v x w o r k s 的开发的 n a so s ，一般采用日志文件系统。 5 网络共享 n a so s 对跨平台网络共享的实现方式通常有三种： 1 ) 模拟程序实现对网络共享协议c i f s 的支持。 2 ) 仿真程序实现对网络共享协议n f s 的支持。 3 ) 平行实现对c i f s 和n f s 以及其他网络共享协议的网络共享服务 开发方式。 6 管理方式 n a s 是专用设各，基本要求是使用要简单。因此，提供一个客户友好、 安装调试和使用都方便的管理工具是对n a s 产品的基本评价指标。 3 3 n a s 使用特点 n a s 设备是个低价有效的方案避免网络存储的停滞状态。这就是越来越多 的用户选择n a s 作为他们存储方案的原因。满足用户对大量文件级数据共享的 需求，解决了异构网络环境下的数据备份与数据共享的问题。 提供了强劲的存储容量的扩展。能够充分利用现有的网络资源，在最少的时 间内以较少的i t 投入解决数据集中存储的问题，进一步降低企业的总拥有成本。 n a s 产品具有几个引人注意的优点。首先，n a s 产品是真正即插即用的产 品。n a s 设备一般支持多计算机平台，用户通过网络支持协议可进入相同的文 档，因而n a s 设备无需改造即可用于混合u n i x w i n d o w s n t 局域网内。其次， n a s 设备的物理位置同样是灵活的。它们可放置在工作组内，靠近数据中心的 应用服务器；或者也可放在其他地点，通过物理链路与网络连接起来。无需应用 服务器的干预，n a s 设备允许用户在网络上存取数据，这样既可减小c p u 的开 苎= 兰丛皇量壹笪型曼整壹笪一 销，也能显著改善网络的性能。 n a s 没有解决与文件服务器相关的一个关键性问题，即备份过程中的带宽消 耗。同将备份数据流从l a n 中转移出去的s a n 不同，n a s 仍使用网络进行备 份和恢复。n a s 的一个缺点是它将存储事务由并行s c s i 连接转移到了网络上。 这就是谎l a n 除了必须处理正常的最终用户传输流外，还必须处理包括备份操 作的存储磁盘请求。这样，n a s 需要依赖于l a n ，而且对网络带宽和c p u 的处 理能力都要求很高。此外，可扩展性较差也是n a s 的缺点。 4 1s a n 简介 第四节s a n 技术 同n a s 方法不同的另一种概念是通过设备块级的协议来控制对数据存储单 元的访问。同时出现了另一个关键的概念，即创建一个专用网络，只对存储设备 的访问迸行管理和控制。这种存储区域网络的数据存取单元是块。s c s i 提供了 种能共同使用的高性能的块级协议。如果要制定新的块级的协议，都要面对 s c s i 已经解决过的问题，所以当前的存储区域网络都使用s c s ! 协议作为块级的 访问协议。为了克服s c s i 的局限性( 尤其是距离上的局限性) ，s c s i 被放在几 种低级的协议上传输。这些协议被称为s c s i 传输协议。 s a n 就是这样一个专用网络，将诸如磁带库和r a i d 系统这样的不同的存储 组件连接到服务器。因为数据并不存放在任一台网络中的服务器上，服务器资源 就可以用作其他目的，这样就提高了网络的容量。这种方法有如下好处： l 、存储的巩固：s a n 可以为存储提供共享的、高可靠的环境。与之相比，分布 式的存储“孤岛”会导致无法控制和无计划的数据增长。 2 、改进的管理：巩固的存储意味着存储管理的改进。s a n 使管理简单化并减小 了管理的代价。将服务器功能和存储功能分开，可以让网络管理员独立的观 察两种功能并将两种功能的带宽分开。 3 、可靠性：s a n 提供了通过不同路径访问同一存储数据的功能。这意味着，如 果一台服务器或者一条互联路径失败，用户可以通过其他路径访问数据。对 于依赖于成功操作的备份来说，这一点尤其重要。 4 、可扩展性：由于把服务器和存储设备分开了，每一个s a n 部件都能很好地扩 展。如果一个设备增加到s a n 中，可以被网络中的所有服务器访问。因此， 开始时一个公司的存储系统容量可以根据实际需要制定，然后在需要的时候 再增加存储容量。 第一章从直接存储蓟暇络存储 5 、带宽：s a n 使带宽得以有效利用。 器上，就降低了服务器的占用率。 迅速地响应请求。 由于存储被绑定在专用网络上而不是服务 这意味着服务器可以运行的更快，从而更 图1 - 4s a n s a n 提供了一种与现有l a n 连接的简易方法，并且通过同一物理通道支持 广泛使用的s c s i 和i p 协议。s a n 不受现今主流的、基于s c s i 存储结构的布局 限制。特别重要的是，随着存储容量的爆炸性增长，s a n 允许企业独立地增加 它们的存储容量。 s a n 的结构允许任何服务器连接到任何存储阵列，这样不管数据置放在那 里，服务器都可直接存取所需的数据。如果采用光纤接口，s a n 还具有更高的 带宽。 因为s a n 是从基本功能剥离出存储功能，所以运行备份操作就无需考虑它 们对网络总体性能的影响。s a n 方案也使得管理和集中控制实现简化，特别是 对于全部存储设备都集群在一起的时候更是这样。最后一点，光纤接口提供了 1 0 公里的连接长度，这使得实现物理上分离的、不在机房的存储变得非常容易。 4 2 适合采用s a n 技术的行业 结合s a n 技术特性及其在众多行业的成功应用，在具有以下业务数据特性 的企业环境适宜采用s a n 技术。 1 ) 对数据安全性要求很高的企业，典型行业：电信、金融和证券，典型业务： 第一章从直接存储到网络存储 计费。 2 ) 对数据存储性能要求高的企业，典型行业：电视台、交通部门和测绘部门， 典型业务：音频视频、石油测绘和地理信息系统等。 3 ) 在系统级方面具有很强的容量( 动态) 可扩展性和灵活性的企业，典型行业 各中大型企业，典型业务：e r p 系统、c r m 系统和决策支持系统。 4 ) 具有超大型海量存储特性的企业，典型行业：图书馆、博物馆、税务和石 油，典型业务：资料中心和历史资料库。 5 ) 具有本质上物理集中、逻辑上又彼此独立的数据管理特点的企业，典型 行业：银行、证券和电信，典型业务：银行的业务集中和移动通信的运营 支撑系统( b o s s ) 集中。 6 ) 实现对分散数据高速集中备份的企业，典型行业：各行各业，典型业务： 企业各分支机构数据的集中处理。 7 ) 数据在线性要求高的企业，典型行业：商业网站和金融，典型业务：电子 商务。 8 ) 实现与主机无关的容灾的企业，典型行业：大型企业，典型业务：数据中 心。 以上是企业典型数据特性的典型业务举例，通常，企业环境、业务形式错综 复杂，会同时具备多数据特性。 4 3 各大公司的s a n 方案 网络存储市场的繁荣必将导致为数众多的存储服务提供商的激烈竞争。从去 年开始，众多有实力的厂商开始角逐这块市场。存储行业的各大公司纷纷推出了 自己的s a n 方案。 1 ) i b ms a n 解决方案 i b ms a n 解决方案由五大构件组成，包括服务器、存储设备、连接设备、 管理软件和服务。其中服务器可选用i b ma s 4 0 0 、a s 3 9 0 、a s 6 0 0 0 或p c 服务 器等。存储设备可选用i b m 的磁盘系统。如e s s ( 大白鲨) 、7 1 3 3 串行磁盘系统 和i b m 模块化存储服务器( m s s 2 1 0 6 ) 。 方案特点：大两全，单件可选性强，兼容性强，其中磁带库产品性能强劲。 2 ) e m cs a n 解决方案 e m c 公司支持最基本的集线器方式，主要产品包括面向高端市场的s a n 存 储平台s y m m e t r i x ，它提供一个完全受保护的共享存储系统，可实现各种信息的 透明访问。 第一章从巅接存慵潮阿略耨储 方案特点：适用范围广，谯中高端市场寝现出色，高端产晶稳定。陂好，中端 竞纤产品羧术领先。 3 ) h ps a n 解决方絮 h pe s a m 体系结构氆括s u r e g e a r 越a f d w 8 r e 、s a n s o f t w a r e 、s u r e s p a n f a b r i c 、 s u r e g u i d e s e r v i c e s 和s u r e d e s i g n s o l u t i o n s 。 方案特点：大丽全，兼容俄强，商端阵捌产品表现出色，全线产晶往能好。 4 ) s u ns a n 解决方案 s u n 最新推出的s a n 解决方案将s u ns t o r e d g et 3 的模块可扩展性和s u n s t o r e d g e 网络光终交换枧系列的性能釉衰可爆性续合起来，是工搀组、企业数据 中心以及端到端s a n 解决方寨发布的理想选择。 方案特点：暴安装魏管理，投资羝，运效褰。 此外，c a ，x l o t e c h 等公司也推出了各自的s a n 解决方案。 4 4 s a n 中鼹s c s i 传输褥议 前面褥铡的s c s i 传输协议的作用在于究服s c s i 的厨限往，特别怒距离上的 局限性。这螋低级的协议能将s c s i 命令从更远的躐离传竣到更多的设蓊上。s c s i 标准组织( h t t p ：t 1 0 o r g ) 定义了一组协议，该协议可以让s c s i 在不同的互联底 层传输。隧若近几年s a n 的发攫，以下几葶母方法被提交剃i e t f 窝t 1 0 ： l 、f c ( f i b e rc h a n n e l ，光纤通道) 2 、s t p ( s c h e d u l e dt r a n s f e r p r o t o c 0 1 ) 3 、s e p ( s c s ie n c a p s u l a t i o np r o t o c o l ，由a d a p t e e 提交) 4 、i s c s i ( i n t e m e ts c s i ，最初虫国m 提交，瑗在醴经毽群标准纯逶程中， 5 、s o l p ( s t o r a g eo v e ri p ，由n i s h a ns y s t e m s 提交，现在已经在i e t f 标准化j 鼓程 审) 这些标准或者建议的结构屡次如图1 5 所示。 - 1 5 - 第一章从赢接存储剃同持存储 图i - 5 各种s c s i 传输协议 在i s c s i 出现之前，光纾遴道披术在s a n 实现中怒占统治地位的技术。甚 至宥些文鼯孛匏s a n 安鞲主据鹣是建立在毙纾逶遴装求之驰s a n 。髓羞i s c s i 的逐渐成熟与完镶，这种情况正在悄悄地缴生改嬲。 5 1i s c s i 简介 第五肇掬建漱熬i s c s i 技来 i s c s i 怒基予i p 协议的技术标准。是允许阿络在t c p i p 协i i c 上传输s c s i 命 令豹戆蛰议，实爨7s c s i 和t c p i p 绥议翡连接，该装零囊许露户通过t c p p 网络来构建s a n 。而在i s c s i 技术出现之前，构建s a n 的唯一技术烧利用光纤 逶邋，凌臻灌裁定予2 8 蹙纪9 0 年 弋祷麓，稼是萁橥瓣嚣要奁摹瓣建设成零，逯 非一般企业所能够承受。i s c s i 技术的出现对于以尉域网为网络邵境的用户来说， 它只需要不多茨投资，裁霹获方便、按婕遣对蓿怠秘数撬滋褥交霉式黄输藕管瑗。 相对于以键的网络接入谨储，i s c s i 的出现解决了开放性、容量、传输速度、兼 容蔑、安全往等蠲题。 第一章从直接存储劐阿培存储 s c s i 协议就是一个在网络上封包和解包的过程，在网络的一端，数据包被 封装成包括t c p i p 头、i s c s i 识别包和s c s i 数据三部分内容，传输到网络另一 端时，这三部分内容分别被顺序地解开。i s c s i 的工作流程如图1 6 所示： l 幽日匝p 匣豳 画 图i - 6i s c s i 的工作流程 2 0 0 3 年2 月，i s c s i 协议作为因特网草案由i e t f 批准。这等于向供应商表 明他们有了一个可执行的、稳定的标准定义协议。很多专家认为i s c s i 协议标准 的完成是非常重要的一件事，关键在于两点：1 、光纤通道s a n 的部署是昂贵的， 管理是复杂的。2 、有极少部分的软件由于种种原因( 往往存在商业的原因) 不 支持网络文件系统，即不能够在n a s 上无缝使用。以上两点导致了i s c s i 的诞 生。 5 2i s c s i 的优势 高速千兆i s c s i 把s c s i 、以太网和t c p i p 结合起来，具有以下优势： 口