（计算机应用技术专业论文）基于cwdm的存储扩展研究与实现.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 统计表明，系统数据的丢失将给用户和企业带来巨大的损失和破坏性。为了消 除由于各种自然或人为原因可能导致的数据丢失，提高数据的可用性已成为存储行 业热点研究内容之一。存储扩展通过把数据备份到异地，为实现数据可用性的提高 提供了核心的支持 一 在对常见的三种网络存储技术n a s 、s a n 、i s c s i 的特点和应用场合进行分析 和比较的基础上，对目前常用的基于口和基于同步光纤网的两种存储扩展技术进行 了较深入的分析；前者又包括基于f c i p 和基于i f c p 的扩展，它们都是将f c 帧封 装在口包进行传输，基于m 的存储扩展适合于长距离、数据量不大的异步扩展模 式。基于同步光纤网s o n e t s d h 的存储扩展利用通用成帧协议( g f p ) 将s a n 数据 帧简单、高效地映射到s o n e t ，通过同步光纤网络传输到远端，并借助予s o n e t 网络的低延时、高性能和高可靠性实现远程高性能的存储扩展。 分析表明，对于城域网范围内的大数据量的存储扩展应用而言，采用基于租波 分复用( c w d m ) 的扩展相对于基于i p 和基于s o n e t 的扩展而言具有明显的优势， 粗波分复用技术在系统成本、性能及可维护性等方面的优势，正逐渐成为城域网的 主流技术。在分析了粗波分复用的工作原理及其特点的基础上，对比和分析密集波 分复用( d w o m ) 和c w d m 技术特点，结合存储接口的特点，选择粗波分复用接口芯 片设计了基于租波分复用的存储扩展接口电路，对基于该接日的c w d m 链路的可靠 性、数据传输率和性能进行了理论分析和测试，测试结果与理论分析结果得到的结 论基本一致。 关键词：网络存储，粗波分复用，存储扩展 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t s t a t i s t i c ss h o w st h a tc u s t o m e r sa n de n t e r p r i s e ss u 岱e rh u g el o s s e sd u et ol o s ts y s t e m d a t a i no r d e rt om i n i m i z ed a t al o s so u to fh u m a no rn a t u r a lc a u s e si n c r e a s i n gd a t a a v a i l a b i l i t yi sb e c o m i n gah o tt o p i c si ns t o r a g er e s e a r c h s t o r a g ee x t e n s i o nt h r o u g hd i v e r s e d a t ad i s t r i b u t i o no f f e r sa ne s s e n t i a ls t o r a g et e c h n i q u ef o rd a t aa v a i l a b i l i t y f i r s tt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n da d a p t a b i l i t yo ft h et h r e ec o n l l n o nn e t w o r ks t o r a g e t e c h n o l o g i e sa r ec o m p a r e da n da n a l y z e d ：n a s , s a n ，a n di s c s i i tt h e nd i v e si n t ot h e s t o r a g ee x t e n s i o nb a s e d0 1 1i pa n ds o n e t s d h t h ef o r m e ri n c l u d ef c i pa n di f c p e x t e n s i o n s ，t h e ya r ce n c a p s u l a t i o n so f f ci na l li pp a c k e t ；s t o r a g ee x t e n s i o nb a s e d o ni p i sm o r es u i t a b l ef o ru n s y n c h r o n i z e dl o n gd i s t a n c e ，m o d e r a t ea m o u n to fd a t a s t o r a g e e x t e n s i o nb a s e do i ls y n c h r o n i z e df i b e ro p t i c ss o n e t ，s d hi 嬲g f pt ob e a ms a nd a t a o n t os o n e ti nas i m p l ea n de f f i c i e n tm a n n e r ，a n dt r a n s m i t t e d 幻t e r m i n a l sw i t h s y n c h r o n i z e df i b e ro p t i cn e t w o r k s t h el o wl a t e n c yp l u sh i g l lc a p a c i t ya n dr e l i a b i l i t yo f s o n e ta c h i e v e st h eg o a lo f l o n gd i s t a n c ea n dh i g hs p e e ds t o r a g ee x t e n s i o n b a s e do nt h ea n a l y s i s ，c o a r s ew a v ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( c w d m ) s t o r a g e e x t e n s i o nh a sc l e a ra d v a n t a g eo v e rt h o s eb a s e d0 1 1 坤a n ds o n e tf o rm e t r ob a s e dl a r g e c a p a c i t yd a t as t o r a g e c w d m w i l lb et h em a i nt e c h n o l o g yo f m e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k ， i th a st h ea d v a n t a g ei nc o s t ，p e r f o r m a n c ea n dm a i n t a i n a b i l i t y t h ep r i n c i p l e sa n d c h a r a c t e r i s t i c so fc w d ma r es t u d i e d ，t h ec o m p a r i s o na n da n a l y s i sa b o u td w d ma n d c w d ma r ep r e s e n t e d i n v e s t i g a t i o no fu s i n gc w d mm o d u l ed e s i g na ss t o r a g ee x t e n s i o n i n t e r f a c ei sa l s oc o n d u c t e d ，a n dt h ee x p e r i m e n ts h o w st h a tt h em e a s u r e dr e s u l t sm a t c h e d w e l lw i t ht h et h e o r e t i c a la n a l y s i s k 0 2w o r d s ：n e t w o r ks t o r a g e ，c o a r s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g , s t o r a g e e x t e n s i o n 独创性声明 本人声嬲所星交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：吾，j 每 日期：加f 年i o 月j 。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本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和汇编本学位论文 保密口，在年解密后适用本授权书 本论文属于， 不保密豳 ( 请在以上方框内打“”) 。 学位论文作者签名：每，j 琴 日期：沏f 年，o 月知日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题研究的背景和意义 1 概述 随着计算机及技术的普及和网络技术的应用，计算机信息网络的互联，尤其是 i n t e m e t 网在全球的快速发展，使得人们的工作朝着更便捷、高效的方向，也同时促 进了网络技术的突飞猛进。计算机中央处理器c p u ( c e n t e rp r o c e s su n i t ) 的更级换代， 网络带宽的增大，尤其以通信技术为基础的业务种类和规模快速增长，i n t e r n e t 网的 稳步扩展使得e t h e r n e t 的数据量信息猛增，每天都会产生需要存储的大量数据，使 诸多通讯平台上的网络数据呈几何级数增长。尤其在线数据存储的快速增长，网络 数据量越大需要的存储设备也越多。从全球网络存储市场来看，将长期处于高速增 长阶段，尤其是美国，据i d g 调查，2 0 0 1 年用户在服务器和存储产品上的花费己接 近l ：1 ；到2 0 0 3 年，这一比例扩大至1 ：3 。2 0 0 4 年全世界的网络存储市场为1 1 0 0 亿美元，其中网络存储为4 8 0 亿美元。根据i d c 关于中国网络存储的不完全统计数 据，2 0 0 4 年中国的网络存储市场是9 4 亿美元。根据赛迪2 0 0 4 年度网络存储市场研 究报告，2 0 0 1 年到2 0 0 8 年中国网络存储为3 3 4 平均长率，远高于全球平均增长率， 可见网络存储的市场将有多么巨大【l 】。 图灵奖获得者j i m g r a y 提出了一个新的经验定律：网络环境下每1 8 个月产生的 数据量等于有史以来数据量之和f 2 l 。据i d c 的研究报告表明，存储容量的增长速度 达到6 0 7 0 ；与此同时，存储系统在整个信息系统中所占的比重已经高达5 0 7 5 ，以数据为中心的信息系统架构已经确- r t 3 。信息资源的爆炸性增长，对存储系 统在存储容量、数据可用性以及v o 性能等方面提出了越来越高的要求，为了满足 这种大容量存储系统的要求。网络存储技术，尤其是存储区域网被被越来越广泛地 使用，由此带来了数据集中存储的风险问题。 当今，数据成为企业成败的关键，导致数据风险的因素很多，如人为操作、自然 华中科技大学硕士学位论文 灾害、设备故障等等。权威机构的统计分析表明，在造成故障的原因中，操作员误 操作约占4 0 ：应用程序错误占4 0 ；系统和环境错误仅占2 0 。这些原因都将导 致数据的可用性大大降低，严重时将造成更为严重的后果，来自美国劳工局的统计 表明，9 3 的公司在遭受重大的数据丢失后，在5 年之内倒闭；而由华盛顿大学的另 一项统计也表明，4 3 的美国公司在遭受数据灾难后，就立即倒闭，2 9 0 , 4 的公司在两 年之内倒闭。数据的损失则无法弥补，也就提出了针对数据存储技术的研究和应用， 减少数据丢失的发生地几率州。 对于今天的网络计算环境和随后的移动计算环境，数据的请求不再受时间和空 间的限制嘲。在中国不断推行信息化进程的今天，企业已经逐步认识到保证信息系统 可用性对于业务的重要性。而在信息系统之中，最为宝贵的莫过于企业的关键数据， 数据处理的高可靠性成为至关重要的问题。数据的集中存放，保障业务系统的连续 性运行成为赢得市场竞争的必要条件，数据的价值和重新产生它的代价都是很高的， 发展数据保护和维护数据的可访问性技术是极其重要的，这再次说明离不开网络的 互连和进行存储扩展。 因此，不管是因为计算机系统出错的缘故，还是网络的故障以及外界无情的天 灾，人为的失误，种种原因致使存储体系的内部性能降低甚至瘫痪，都会造成企业 巨大的损失。我们当前必须做到防患于未然的，如何选择存储设备和优秀存储架构 以促进目前和以后的业务更加有效的运行，既要保证网络的存储性能，又要具有 3 6 5 2 4 h 的数据可用性的要求，构建适用的、具有快速高效的灾难恢复能力的网络存 储系统是每个企业面临的问题。这些都需要网络互连和相应的存储扩展，保证企业 的数据中心应用系统的连续性和高可用性。 基于以上的考虑，提出的网络存储扩展和应用，是本文的研究和实现目标。 1 2 国内外研究概况 随着网络存储技术的兴起，网络附加存储n a s ( n c t w o k a c c e s s e ds t o r a g e ) 1 6 - 7 1 、 存储域网s a n ( s t o r a g ea r e a n e t w o r k ) 降1 1 1 和互联网小型计算机系统接口i s c s i 2 华中科技大学硕士学位论文 0 n t e r n e t s m a l l c o m p u t e r s y s t e m i n t e r f a c e ) 1 2 】技术带来了更加动态的技术概念。这些 技术的出现响应了三种重要的发展趋势：( 1 ) 网络正成为主要的信息存储模式，网络存 储的可管理性更好，在部署和管理方面更加灵活；( 2 ) 数据量的爆炸式增长；( 3 ) 数据 作为取得竞争优势的战略性资产重要性的增加，网络存储对资源的利用率高，使得 数据的备份不受服务器或者局域网的影响，方便了数据保护技术的使用，能够更有 效地按比例提高存储容量，延长企业应用的正常运转时间，满足不断增加的数据存 储要求，提供重要的决策依据。由于这三种技术能够解决原有传统的“以服务器为 中心”直接附加存储d a s 1 3 以4 ( d i r e c ta t t a c h e ds t o r a g e ) 存储结构存在着原始容量限 制、共享性和可扩展性差、距离受限、所有的数据存储受服务器性能限制、无法集 中管理等许多不可克服的问题。因此推出后就显示出其巨大的优势，成为最热门的 发展领域。 s a n 技术是一种扩展城域网m a n ( m e t r o p o l i ma r f an e t w o r k ) 或广域网 w a n 6 v i d ea r e an e t w o r k ) 的存储总线技术，是一种利用路由器、集线器、交换机和 网关互连的，采用的存储接口标准通常为企业系统连接e s c o n ( e n t e r p r i s es y s t e m c o n n e c t i o n ) 、小型计算机系统接口s c s i ( s m a l lc o m p u t e rs y s t e mi n t e r f a c e ) 1 5 。1 6 1 、高 性能并行接口h i p p i ( h i g h p e r f o r m a n c ep a r a l l e li n t e r f a c e ) 和光纤通道f c ( f i b e r c h a n n e l ) 1 7 - 2 0 ，在存储设备和服务器或客户机之间建立的直接连接的高速网络。这 种体系结构是从大型主机直接存取存储设备d a s d ( d i r e c ta t t a c h e ds t o r a g ed e d c e ) 中 发展而来【2 l 】。而n a s 技术虽然成本低廉，但却受到带宽消耗的限制，无法完成大容 量存储的应用，而且系统难以满足开放性的要求。d e c 公司应用的v m s 网络环境就 是以s a n 体系机构和集群服务器为基础的。e m c 公司的s y m m e t r i x 之类产品的巨大磁 盘阵列库就是用的s a n 技术连接实现的。 s a n 能够解决当今企业面临的难题，保护并访问重要数据，高效地利用计算资 源，确保最高水平的业务连续性。 s a n 的扩展技术早在2 0 世纪9 0 年代就已经出现。目前将s a n 扩展到城域范围的 传输技术主要有：基于珊的存储扩展( 其中包括基于基于口光纤通道协议f c 碑( f i b e r c h a n n e lo v e rm ) 2 2 1 协议和基于互连网光纤通道协议i f c p ( i n t e m e tf i b e rc h a n n e l 华中科技大学硕士学位论文 p r o t o c 0 1 ) 2 3 1 的扩展) 、基于同步光纤网s o n e t ( s y n c h 哪o p t i c a ln e t w o r k ) ，同步数 字系列s d h ( s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y ) 技术的存储扩展、基于波分复用w d m ( w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 2 4 1 、密集波分复用d w d m ( d e n s ew a v e l e n g t h d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 、弹性分组r p r ( r e s i f i e n tp a c k c 吨r i n g1 ，异步传输模式 a t m ( a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ) 等技术和新兴的粗波分复用c w d m ( c o a r s e w a v e l e n g t h d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) 2 5 删技术的存储扩展。这些技术可以通过不同的组 合方式来实现不同的性能、时延和成本目标的存储扩展，保证高效安全的存储和备 份和动态高速的数据迁移，实现远程灾备等应用 s a n 的光纤传输距离是有限的，为了解决这个问题，将s a n 的数据传送到越来 越大的范围，为弥补数据风险的损失，数据在主站点和灾难恢复站点的磁盘阵列之 间，通过i n t e m e t 和d w d m s d h m 等方法利用复制技术，保证灾难恢复中的数据一 致性。 基于礤存储扩展的主要优势是：碑及以太网的技术和产品易获得，没有距离限 制，支持s a n l a n ，w a n ，支持远距离备份和恢复，对企业业务的连续性和灾难恢 复十分有利，可解决光纤通道与i p 交换机间的互连互操作性方面的问题。主要应用 于中小规模企业的长距离、异步存储扩展应用。i f c p 和f c i p 这两种用于远程s a n 连 接的协议的出现，存在i f c p 和f c i p 竞争关系，b r o c a d e 和c i s c o 公司支持f c i p ，m c d a t a 公司支持i f c p 。包括c i s c o 、n o r t e l 和l u c e n t 公司都推荐基于f c i p 的产品，比如交换机 和路由器。c i s c o 公司可以通过i p s 4 8 或m p s l 4 2 模块实现f c i p ，通过d 网络进行 s a n 的远程连接，m d s9 0 0 0 光纤交换机系列产品中，模块化设计的交换机如m d s 9 2 1 6 、m d s9 5 0 6 、m d s9 5 0 9 都可以通过插入模块的方式进行s a n 的集中。c i s c o 公 司光纤交换机本身支持s a n 路由模块，在f c i p 协议支持下，从而实现s a n 网络的扩 展或互连。c i s c o 公司与m m 、h i 、e m c 和h d s 都是合作伙伴，c i s c o 的m d s 9 0 0 0 系 列产品还提供多种经过认证的互连模式与其他厂商的设备进行互连，虽然c i s c o 公司 的光纤交换机进入国内市场相对b r o c a d e 和m c d 獭晚，但是凭借其优异的产品特性， 以及先进的技术，思科在国内用户和存储厂商中已经获得了很高的认同，同时c i s c o 在全球市场的占有率已经大幅度的提升，目前高端d i r e c t o r 的市场占有率已经上升至 4 华中科技大学硕士学位论文 第一位。 特别是光纤技术和通信技术的发展迅速，1 9 9 5 年前以准同步数字体系p d h ( p l e s y o c h r o n o u sd i g i 钯lh i e r a r c h y ) 传输技术为主，多采用点对点连接方式。之后，s d h 的2 5g b i t s 系统采用点到多点和环网的组网方式大量使用于省级光纤传输网络。而 w d m 和d w d m 技术，从点对点的组网方式经历了点对点固定波长上下、环网可重 构波长上下、环网与网格型的光交叉连接等组网方式。 新兴的粗波分复用技术的是基于c w d m 具有器件成本低、设备体积小、功耗低、 可靠性高的优点，在城域网、接入网、光纤区域存储网中得到青睐。它的传输距离 短、复用波长少的特点在特定的应用环境中变得非常适用。特别是在城域网中，它 与密集波分复用技术互相补充，能提供性价比很高的建网方案。从2 0 0 1 年开始，不 断有设备制造商推出c w d m 设备，并在相关行业得到应用。国外的l u m i n e n t ，0 n i ， s o r r e n t o ，t r a n s m o d e ，l u x n ，a f c 等公司在2 0 0 1 年就推出c w d m 产品。n o r t e l 、c i s c o 等在2 0 0 2 年也有产品推出，或在其设备中增加c w d m 接口和功能。国内烽火通讯公 司的c w d m 系统在2 0 0 2 、2 0 0 3 年已在国内几个地方开通了实验工程。2 0 0 5 年6 月2 4 日，华为公司和荷兰皇家电信( k p n ) 正式签署荷兰皇家电信c w d m d w d m 项目独家 供货合同，项目覆盖包括荷兰全境的接入层c w d m 和国家干线d w d m 。烽火通信 c i t r a n s 系列还可提供从边缘到核心的一体化城域波分解决方案，通过d w d m 、 c w d m 技术的有机结合，有效保护网络原有投资，消除城域带宽的瓶颈，为用户打 造高效、可运营的城域光网络服务。烽火通信获得了信息产业部颁发的唯一一张 c w d m 入网证，其技术水平在国内甚至国际上都处于领先地位，烽火网络获得多项 第一，还是c w d m 国家行业标准参与制定者。系列产品进入广东、上海，北京、江 苏、河南、湖南、湖北、浙江等全国几十条线路获得应用，并承建了国内首个c w d m 应用在城域网上干线工程海南铁通省级干线传输网。国内率先推出商用c w d m 设备、国内业界首开c w d m 工程、c w d m 首次省干网。 利用新技术对网络的升级扩容、发展宽带新业务、充分挖掘和利用光纤带宽能 力，特别是在现有光纤用完而铺设十分困难的情况下实现超高速通信具有十分重要 的意义。 5 华中科技大学硕士学位论文 1 3 本文的研究内容 本论文主要研究和分析s a n 、n a s 、i s c s i 等网络存储技术的工作原理、特点及 应用场合，及将s a n 扩展到城域广域范围的传输技术的研究分析，论文的其他主要 内容如下： 第2 章分析常用的三种网络存储技术的特点及应用场合，并主要分析扩展应用 的两种关键技术，包括基于口的f cs a n 扩展( f c i p 和i f c p 的i ps a n 扩展方案) 、基于 同步光纤网( s o n e l ) 恫步数字序列( s d h ) 存储扩展并分别归纳了各自的应用场合。 第3 章分析了波分复用的基本原理，并比较了基于粗波分复用技术和基于密集 波分复用技术，通过粗波分复用技术优势特点和应用特点，建立了基于粗波分复用 技术的传输网络，阐述了其组成元素及其相应功能并分析粗波分复用网络的四类体 系结构。 第4 章根据存储接口的特点，选择粗波分复用接口芯片，设计了基于粗波分复 用的存储扩展接口电路，并对基于该接口实现的存储扩展的性能进行了理论分析和 实验数据测试，测试结果与理论分析结果得到的结论基本一致。 第5 章全文总结和进行一步工作的安排。 6 华中科技大学硕士学位论文 2 网络存储技术及存储扩展分析 网络存储技术利用传统的存储设备和网络设备实现网络存储功能，在存储结构 中，存储系统不再通过i ，o 总线附属于某个特定的服务器或客户机。目前常见的网络 存储技术主要有n a s 、s a n 和i s c s i ，网络存储扩展有基于口和s o n e t 技术等的应 用。 2 1网络存储技术分析 f d n a s 技术分析 附网存储技术或网络附加存储技术即n a s 存储技术。n a s 系统实现了两个突破： 理念上的突破即把存储器直接接到网络上，不再挂在服务器后端，给服务器增加 负担。技术上的突破是磁盘阵列技术的出现，是为了提高数据存储的可靠性，它 用效率来换取可靠性。n a s 把磁盘阵列技术融合在它的文件系统中，通过专用软件 减少磁头臂机械移动的次数，克服由此造成的延时。这样既提高了数据的可靠性， 又利用磁盘的并行操作，提高了系统的整体性能。 n a s 技术通常具有支持硬件操作系统或嵌入式操作系统环境、网络连接以及不 同存储架构的能力，通常是基于口的，给存储用户提供一种通用的数据访问能力、 无缝的可扩展性能力以及集中的管理能力。n a s 的数据访问方式是基于文件的，常 用的文件传输协议包括：公共互联网文件系统c i f s ( c o m m o ni n t e m e tf i l es y s t e m ) 服 务器消息块s m b ( s g i v e rm e s s a g eb l o c k ) 协议、网络文件系统n f s ( n e t w o r kf i l e s y s t e m ) 3 ”2 1 、网络核心协议或超级文本传输协议。该文件服务器与传统的通用服务 器有很大的不同，去掉了传统的不适用的大多数计算功能，而仅仅对数据存储用户 提供专一的文件系统功能，专门用于数据存储服务，从而大大降低了数据存储设备 的成本，利用n a s 的数据不再通过服务器内存转发，直接在客户机和存储设备问传 送，服务器仅起控制管理的作用，因而具有更快的响应速度和更高的数据带宽。在 7 华中科技大学硕士学位论文 网络附加存储结构中，数据存储系统不再通过输入输出数据总线附属于某个特定的 服务器或客户机，而是直接通过网络连接接口与网络进行相互连接，由数据存储用 户直接通过网络来进行访问。 如图2 i 所示的典型n a s 的存储模式。n a s 是一种附网存储设备，它将存储 方案从”以服务器为中心”转换为“以数据为中心”，从而克服了”以服务器为中心”存储 解决方案的不足。般来说，网络附加存储系统由存储硬件、操作系统以及文件系 统等几个部分组成。 以太网，互连网 困 交换文件 n f s i c i f s 等协议 l 查生垫l 集成存储 操作 f i 系统 lij n a s 服务器 图2 i 典型的n a s 的存储模式 n a s 存储设备在功能上完全独立于网络中的主服务器，客户机与存储设备之问 的数据访问已不再需要文件服务器的干预，允许客户机与存储设备之间进行直接的 数据访问。利用专用的硬件软件构造的专用服务器，与其它资源独立，不会占用网 络主服务器的系统资源，不需要在服务器上安装任何软件，不用关闭网络上的主服 务器，就可以为网络增加存储设备。 n a s 是一种专用的数据存储设备，可向网络用户提供跨平台的文件级海量数据 的共享功能。通过连接在工作站、客户机和n a s 文件共享设备之问进行，为了提高 系统性能和不间断的用户访问，n a s 采用了既支持标准的文件访问，也支持相应的 网络协议的文件访问的专业化操作系统，将主要功能集中在文件管理与操作，但需 专人管理。 n a s 的软件系统结构使n a s 具有下列优点： 具有完整的跨平台的文件共享功能，支持长距离的异构网络环境下文件共 享。 8 华中科技大学硕士学位论文 良好的安全性，n a s 独立优化的存储操作系统，有效地释放了网络带宽。 利用集中化的网络文件访问机制和共享提了高数据备份和恢复功能的能力 配置容易，管理和部署方便，使用简单。 允许客户机存取数据无须通过应用服务器，成本低廉，访问和共享大量文件 系统数据的网络环境提供了一个高效，性能价格比优异的解决方案。 n a s 由于具有较好的可扩展性、可访闯性、低价格，安装管理简单以及适合异 构网络环境中文件共享等优点，广泛应用于电子出版、计算机辅助设计 c a d ( c o m p u t e r a i dd e s i g n ) 、计算机辅助制造c a m ( c o m p u t e r a i dm a n u f a c t u r e ) 、图象、 教育、办公等对数据量有较大需求的文件级应用中，它还可以为万维网w e b ( w o r l d 晰d ew e b ) 、文件传输协议f t p ( f i l et r a n s f e rp r o t o c 0 1 ) 、e - m a i l 、视频点播等服务提 供大容量的存储设备。 虽然有许多优点，但也存在如下问题： 网络传输数据的能力和可扩展性有限：主要是大量数据需要存储，都通过网 络完成，增加了网络的负载，传输处理过程需要占用处理器资源来中断和重新访问 数据流增加设备非常容易，但访问数据的并不容易。 n a s 在口传输的不确定性：只有建立独立的i p 网络，否则n a s 设备在m 传输是 不确定的。若数据库系统利用文件共享设备，也无法解决口传输的不确定性的问题。 数据备份不能集中化，不适合数据库的应用：n a s 设备是基于文件的，而不 是基于数据块的。n a s 环境中的数据各份仅限于使用直接连接设备或者基于网络的 策略。存储设备上的数据可以通过专用l a n 进行备份，但远程灾难实现和恢复比较 困难。 ( 2 ) s a n 技术分析 s a n 以f c 为硬件基础，结合了f c 和l a n 的优点，绕过了传统网络的瓶颈，使数 据的迁移性更好。它位于服务器后端，采用光纤通道f c 协议来传输数据，是为连接 服务器、磁盘阵列、磁带库等存储设备而建立的高性能网络。s a n 的目标是使异构 服务器之间的文件系统能够共享以及多种存储设备的开放式共存。s a n 分为两类： 一类为用光纤通道f c 技术的串行s c s ii o 协议来传输高速的f o 流；另一类为采用 9 华中科技大学硕士学位论文 i s c s i 协议所组成的s a n 光纤通道和i s c s i 两种协议都s c s i 为基础，其目的是克服 并行s c s i 的传输距离和连接设备的限制，达到远距离s c s i 命令和数据传输的目的。 s a n 技术的最大突破是将存储设备从传统的以太网中分离了出来，成为独立的 存储区域网络。s a n 提供了良好的存储连接，服务器可以访问存储区域网上的任何 存储设备；同时存储设备之间以及存储设备同s a n 交换机之间也可以进行通信。 s a n 以数据存储为中心，采用可伸缩的网络拓扑结构，通过具有高传输速率的光通 道的直接连接，提供了s a n 内部任意节点之问的多路可选择的数据交换，并且将数 据存储管理集中在相对独立的存储区域网内。 s a n 的拓扑结构如图2 - 2 所示。表示实现s a n 的硬件基础设施是光纤通道，用光 纤通道构筑的s a n ，由四部分构成存储和备份设备( 包括磁带库、磁盘阵列和光盘库、 f c 磁盘等) ；服务器；光纤通道网络连接部件( 包括h b a 主机总线适配卡和驱动程序、 铜缆、光纤及光纤通道与s c s i 问的桥接器b r i d g e 、集线器、交换机等) ；存储管理应 用软件( 涉及数据共享、网络结构、数据保护和数据备份、数据交换、群集、数据保 护和灾难恢复等) 图2 2s a n 的拓扑结构 与传统服务器与磁盘阵列之间的主，从关系不同， 基于f i b r ea 幽n e l 应用的f c s a n 上的所有设备均处于平等的地位，多台服务器以及多个存储器可以配置在同一 个s a n 上，实现了在不同的硬件和操作平台之间异构存储设备和数据的整合。从图 2 2 可以看出s a n 由两部分组成：其一是由客户机、集线器和交换机组成“前端网络”； 1 0 华中科技大学硕士学位论文 二是由s a n 构成的“后端”网络，即数据存储，备份网络。数据服务器、应用服务器、 磁盘阵列、光盘存储器、磁带存储机采用光纤通道通过交换机或进行连接组网。s a n 提供无限制的存储、快速访问、可扩展等功能以及优良的数据存储和恢复机制。 如图2 3 所示，光纤通道实现了s a n 的三种类型的拓扑结构：点对点的拓扑结构、 环形拓扑结构和f a b r i c 交换拓扑结构。 图2 3 光纤通道实现的s a n - - - 种类型拓扑结构 光纤通道是一种典型的串行s c s i 协议，在存储区域网络中得到了广泛的应用， 光纤通道协议栈在相应层次定义了物理介质和传输速率口c 一0 ) 、数据编码和解码方案 ( f c 1 ) ，帧协议和流量控制机制( f c - 2 ) ，通用服务和特征选择( f c - 3 ) 以及针对各种数 据通道和网络标准的高层协议和应用接口但c - 4 ) 。f c - o f c - 4 分别对应o s i 模型中的 物理层、数据链路层、网络层、传输层和会话层。光纤通道既具通道的特点，又具 网络的特性，它为通道和网络数据通信提供了一个通用接口，支持串行高性能并行 接口h i p p i ( h i g h - p e r f o r m a n c ep a r a l l e li n t e r f a c e ) ，s c s i ，i p ，a t m 等多种高级协议。 采用点对点、光纤仲裁环和光纤交换多种拓扑结构在工作站、主机、超级计算机、 存储设备之间进行联网、存储和数据传输。 从总体上讲，s a n 在性能、网络化、容灾等诸多方面具有综合优势。由于s a n 存储网络是一个数据块( b l o c k s ) 级的网络存储方式，在一个以数据库为主的系统里， s a n 的大容量、数据块传送方式能提供有效和快速的数据存储服务。数据保护、数 据迁移、灾难恢复等对数据的可靠性要求很高的应用也非常适合采用s a n 。 s a n 实现不同主机和不同存储设备的真正意义的资源共享，可以获得使用s a n 的下列优点： 华中科技大学硕士学位论文 在高可靠性和容灾方面，s a n 可提供在多个服务器和存储设备环境问的任意 逻辑连接，它可以劬建一个能够被多个服务器通过路径任意访问的存储库，形成高 可用性和容灾环境。如大型银行、证券市场、商业公司、医院等应用。 在数据备份方面，通过使用s a n 集中的存储备份，独立于原来的网络，从而能 够提高操作的性能、数据一致性和可靠性，保证关健数据的安全。 在数据共享方面，s a n 允许分布的服务器安全地访问一个大的集中的存储系 统，多个服务器可以共享一个存储单元，该单元在物理上可以被分成多个部分，而 每个部分又可以连接在特定的服务器上。如学校图书馆、企业数据中心等 存储设备的扩充非常容易和实现。 虽然有许多优点，但存在如下一些缺陷的现象： s a n 安装复杂，通常需定制安装。 s a n 环境中数据的共享较难，需客户端操作系统对其它操作系统的数据格式有 较好的支持。 由于远距离f c 价格昂贵，所以s a n 通常局限于局域网。 ( 3 ) i s c s i 技术 2 0 0 3 年2 月，i s c s i i j 互联网小型计算机系统接口正式成为互联网工程任务组 1 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 ) 的技术标准。它是一种在i n t e r n e t 协议网络上， 特别是以太网上进行数据块传输的标准、是一个供硬件设备使用的可以在i p 协议上 层运行的s c s i 指令集，也就是从s c s ii o 协议到传输控制协议t c p ( t r a n s m i s s i o n c o n t r o lp r o t o c 0 1 ) t i p 协议的一种映射，使其能够在高速千兆以太网上进行路由选择。 它通过把s c s i 命令封装在t c p i p 包中，利用t c p i p 协议来传输s c s i 命令，并利用i p 网络实现数据块的传输 3 3 - 3 7 】。 i s c s i 建立在s c s i 之上，主机系统用s c s i 协议执行与各种外围设备进行的数据块 的输入输出操作。目标设备包括磁盘、磁带设备，光纤存储设备和打印机、扫描仪 等。i p 存储网络产生的目的在于克服s c s i 方案对距离、性能、可扩充性和实用性 的一些限制。i s c s i 定义了数据块在t c p i p 网络上传输的方式。 一个i s c s ii p 存储网络包括i s c s i 启动器端( 文件服务器) 和i s c s i 目标端( 如： 华中科技大学硕士学位论文 磁盘阵列) 和磁带系统。每一个主机和存储资源都支持千兆以太网接口和i s c s i 协议 栈，由此以来，存储设备可直接插入千兆以太网交换机或口路由器中，为了找到存 储资源，启动器端还需要一张列表，这张列表中保存启动器端所能访问的目标端的i p 地址。这种列表通常由服务来提供。i s c s is a n 中一种称为i n t e m e t 存储名字服务 i s n s ( i n t e r a c ts t o r a g en a m es e r v i c e ) 的协议为i s c s i 启动器端提供设备查找服务 一个i s c s i 启动器端首先访问i s n s 服务器以获得潜在的目标资源的i p 地址，然后建 立与这些存储资源的t c p i p 连接。 i s c s i 的主要任务是封装命令描述块c d b ( c o m m a a dd e s c r i p t o rb l o c k ) ，形成 i s c s i 协议数据单元p d u ( p r o t o c o l d a t a u l l i t ) ，并通过t c p i p 网络在启动器端和目标 端之间实现c d b 和相应数据的可靠传输。 i s c s i 工作流程如图2 4 所示。 图2 4i s c s i 工作流程 i s c s i 协议定义了在t c p i p 网络发送、接收块级存储数据的规则和方法。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求，整个过程对应用程序和 用户都是透明的。将s c s i 命令通过i p 网络传输，这样更加便于数据传送，而且可以 实现远程存储管理。i s c s i 协议是推动s a n 技术快速发展的关键技术之一，因为它使 数据存储的传送更加快捷。由于m 网络的灵活性，i s c s i 可以在局域网、广域网或 t n t e m e t _ h 传送数据。它是一种基于口网络的数据块级的数据传送协议，它能够通过 i p 网络传输包含s c s i 命令和s c s i 数据包的数据块，从而实现远程异地访问。具有 以下优点： 高性能。i s c s i 和n a s 都建立在传统以太网之上，但性能要优于n a s ，因 华中科技大学硕士学位论文 i s c s i 直接处理s c s ii 0 命令，这就省去了n a s 中要完成的文件i o 协议与s c s ii o 协议之间的转换 完全解决数据远程复制( d a t ar e p l i c a t i o n ) 及灾难恢复( d i s a s t e rr e c o v e r ) 的难 题。以太网的传输遍及全球i s c s i 不存在实际应用中的距离限制。 架构和维护成本低。建立i s c s is a n 的费用也要比架构f cs a n 的费用低很 多。i s c s i 的磁盘设备甚至 = l ：n a s 设备还低，因为i s c s i 设备并不需要支持文件系统、 文件共享协议和其他一些集成在n a s 产品中的工具。 提供了高程度的互用性。i s c s is a n 使用普通的以太网交换机，不使用s a n 专门的光纤通道交换机。 但真正广泛应用到存储环境还需要解决以下几个关键技术： t c p 负载空闲； 性能：主机总线适配卡需要进一步改进，以达到光纤通道的技术水平。 安全性；要求m 存储协议的所有实施必须保证可靠的安全性。 互连性：必须保证采用相同协议的产品，保证互连。 i s c s i 把存储设备和服务器与应用普通互联网协议建立起来的网络结合在了一 起，而不是使用速度更快但是价格更昂贵、更复杂的光纤通道技术，此技术不但价 格较标准f i b r ec h a n n e l 来得低廉，而且系统管理人员也可以用相同的设备来管理