（计算机应用技术专业论文）存储阵列兼容性测试的研究.pdf

摘要 摘要 近年来，随着信息技术的发展，数据存储量持续增长。专家们认为，目前信 息技术已经进入以存储为核心的发展阶段。随着存储软硬件规模的扩大，存储设 备的兼容性问题成为目前用户最关心的问题。存储产品兼容性测试的需求日益突 出。 当前对存储兼容性测试进行研究，有助于对存储兼容性测试进行全面了解， 提升存储兼容性测试的质量。兼容性测试虽然无法做到完全的质量保证，但兼容 性测试是存储产品测试必不可少的重要步骤之一。因此，对存储产品来说，忽视 其兼容性测试，必将会导致用户在使用时因兼容性出现故障的概率较高。所以， 如何在有限的成本和资源考虑下，针对产品规划出适当的兼容性测试，是所有兼 容性测试技术人员关注的重点。 本文在“存储解决方案与兼容性测试”项目的支持下，对存储基本兼容性和 v x v m 兼容性测试进行了详细设计与实现，并提出了两种快速有效的故障诊断策 略。本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 针对存储产品的应用特点，分析了其兼容性测试需求，制定了基本兼容性 测试用例设计框架，并使用配对组合覆盖技术设计了基本兼容性的测试案例。该 方法可生成最小组合覆盖测试案例集，从而大大降低测试成本，提高测试效率。 ( 2 ) 针对存储兼容性测试缺陷定位难的问题，提出了两种故障诊断策略。一种 是基于最小组合覆盖集的故障诊断策略，适用于多个案例发生同种故障的情形； 一种是基于模糊聚类的故障诊断策略，可以充分利用历史上的测试数据来进行快 速的故障诊断定位。 ( 3 ) 实例分析存储基本兼容性测试，根据问题的严重程度对测试结果进行统计 分析，实验证明上述测试设计可以有效地发现被测系统中存在的问题。 ( 4 ) 基于探索性测试思想，制定了存储产品与v x v m 的兼容性测试框架，并 对测试结果进行分析。 关键词：存储兼容性，配对组合，故障诊断，探索性测试 a b s t r a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , t h es t o r e dd a t a q u a n t i t yc o n t i n u e s t og r o w e x p e r t sb e l i e v et h a tc u r r e n ti th a se n t e r e dt h ed e v e l o p m e n t s t a g et ot a k es t o r a g ea sac o r e t h em a r k e ts i z eo fs o f t w a r ea n dh a r d w a r ei si n c r e a s i n g l y e x p a n d i n g ，a n dt h ec o m p a t i b i l i t yo fs t o r a g ed e v i c e sb e c o m e st h eq u e s t i o n sw h i c hu s e r s a r em o s tc o n c e r n e da b o u t t h ed e m a n do fc o m p a t i b i l i t y t e s t i n gh a sb e c o m ei n c r e a s i n g l y p r o m i n e n t m a k i n gr e s e a r c h e so ns t o r a g ec o m p a t i b i l i t yt e s t i n g ，c o n t r i b u t e st oc o n d u c ta c o m p r e h e n s i v eu n d e r s t a n d i n go ft h es t o r a g ec o m p a t i b i l i t yt e s t i n g ，a n dt oe n h a n c et h e q u a l i t yo ft e s t a l t h o u g hc o m p a t i b i l i t yt e s t i n gi si m p o s s i b l et oa c h i e v eq u a l i t ya s s u r a n c e f u l l y , b u ti t se s s e n t i a lf o rs t o r a g et e s t i n g an e g l e c to fc o m p a t i b i l i t yt e s t i n g ，w i l ll e a dt o h i g h e rf a i l u r er a t ed u et oc o m p a t i b i l i t y s o ，h o wt op l a nf o ra na p p r o p r i a t ec o m p a t i b i l i t y t e s t i n gt os t o r a g ep r o d u c t s ，j u s tu s i n gt h el i m i t e dr e s o u r c e sa n dc o s t s ，b e c o m e sa sf o c u s o fv a r i o u ss e c t o r st oa l 】t h ec o m p a t i b i l i t yq e s i ns u p p o r to ft h ep r o j e c to f “s t o r a g es o l u t i o n sa n dc o m p a t i b i l i t yt e s t i n g ，w em a k e t h ed e t a i l e dd e s i g no ft h eb a s i cc o m p a t i b i l i t y t e s t i n go fs t o r a g ea n dv x v m ，a n dp r o p o s e t w of a u l td i a g n o s i s s t r a t e g i e s t od o r a p i dp o s i t i o n i n g t h ec o n t r i b u t i o no ft h e d i s s e r t a t i o ni n c l u d e s ： ( 1 ) b e i n ga i m e da tt h ec h a r a c t e r i s t i co fs t o r a g ea p p l i c a t i o n w ea n a l y z e st h e d e m a n df o rc o m p a t i b i l i t yt e s t i n g ，a n dm a k ed e t a i l e dd e s i g no fc o m p a t i b i l i t y t e s t i n g ，a n d a d a p tam e t h o dt og e n e r a t ea no r d e r e dp a i r - w i s ec o v e r a g et e s ts e t t h i sm e t h o dc a l l g e n e r a t et h es m a l l e s tc o m b i n a t i o ns e to ft e s tc a s e s ，i no r d e rt os i g n i f i c a n t l yr e d u c et e s t c o s t sa n di n c r e a s et e s t i n ge f f i c i e n c y ( 2 ) hm et e s t ，t h ed e f e c t sa r eu s u a l l ym o r ed i f f i c u l tt ol o c a t e f o rt h i sp r o b l e m w e p r o p o s et w of a u td i a g n o s i ss t r a t e g i e s o n ei sb a s e do nt h em i n i m u mc o m b i n a t i o n a l c o v e r a g es e t ，a p p l i e dt ot h es i t u a t i o nw h i c ht h es a m ef a i l u r ei so c c u r r e di nan u m b e ro f t e s tc a s e s t h eo t h e ri sb a s e do nf u z z yc l u s t e r i n g ，a n di tc a l lt a k ef u l la d v a n t a g eo ft h e t e s td a t ai nt h eh i s t o r yf o rr a p i df a u l td i a g n o s i sp o s i t i o n i n g ( 3 ) g i v ea ne x a m p l eo fb a s i cc o m p a t i b i l i t yt e s t i n g m a k et h es t a t i s t i c a la n a l y s i st o i i a b s t r a c t t h et e s tr e s u l t si na c c o r d a n c ew i t ht h ee x t e n t t h i sp r o v e st h a tt h ed e f e c t sc a nb ef o u n d e f f i c i e n t l yi nt h et e s t ( 4 ) d e v e l o pt h ef r a m e w o r ko fc o m p a t i b i l i t yt e s t i n gb e t w e e ns t o r a g ea n dv x v m b a s e do ne x p l o r a t o r yt e s ti d e a ，a n da n a l y z et h et e s tr e s u l t s k e y w o r d s ：s t o r a g e sc o m p a t i b i l i t y , p a i r - w i s ei n t e r a c t i o nc o v e r a g e ，f a u l td i a g n o s i s ， e x p l o r a t o r yt e s t i n g 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 为获得电子科技大学或其它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。 签名： 丞亟垒日期：2 。p 罗年口移月踢日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、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。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 鎏叁车 导师签名： 日期： 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 近年来，随着信息技术的普及，数据存储量每年约以8 0 的速度持续增长。 关于信息增长的速度，图灵奖获得者j i mg r a y 提出了一个经验定律：网络环境下 每1 8 个月产生的数据量等于有史以来的数据量之和。由于数据量的持续增长，数 据存储已经成了一个关键问题。专家们认为，在计算机网络技术、计算机软硬件 技术以及计算机应用技术迅速发展的过程中，r r 技术经历了三个主要发展阶段。 第一个阶段是以处理器为核心的阶段，它促进了计算机的普及和应用；第二个阶 段是以传输技术为核心的阶段，它带动了计算机网络的使用和普及，使得数字化 信息的应用席卷全球，并因此导致了数字化信息的爆炸性增长；第三个阶段是以 存储为核心的阶段，它主要研究存储系统的可靠性、可用性、开放性、可扩展性， 以及存储数据的容灾与恢复、共享与安全等。 从9 0 年代初开始到现在，中国存储产业从无到有、从弱到强，迅速发展起来。 这1 9 年间，中国存储产业经历了市场启蒙一空间需求期、产业启蒙一应用期、产 业起步一跟随期三个阶段，如今正在理念、标准、应用和市场四轮驱动下，进入 产业发展价值期，中国存储产业正在迅速走向成熟。 经过多年的技术发展，中国网络存储市场各厂商在存储系统的性能、可靠性 和可用性上的差异越来越小，而随着用户对于存储利用率与存储管理等方面的要 求越来越高，中国网络存储市场呈现出新的竞争格局。硬件方面依旧占据着主导 地位，但相应的存储软件市场也在日益扩大，存储管理软件、备份存档软件、文 件系统软件等领域都成为了各大厂商争夺的战场。并且高端网络存储市场增速放 缓，中低端市场渐强的市场格局正在形成。 面对竞争与市场的变化和挑战，存储设备作为产品，紧密捆绑业务的应用 特点对本地化的开发、服务提出了更高的要求。存储产品兼容性测试的需求也日 益突出。国外存储厂商在国内可以提供存储产品和解决方案，但无法提供本地化 的兼容性测试环境，而国内存储厂商，如华为等，建立了第三方兼容性测试实验 室，大大满足了这一需求。当前对存储兼容性测试进行研究，有助于对存储兼容 性测试进行全面了解，提升存储兼容性测试的质量。 电子科技大学硕士学位论文 1 2 应用前景 存储设备兼容性的测试在当前有着重要的实际应用前景，首先对于存储系统 实现者，通过兼容性测试，他们可以对开发的存储系统进行兼容性评估，从而提 高存储系统与各种操作系统、管理软件等的交互性。其次，对于用户来说，如果 开发的存储产品符合测试认证标准，那么这就意味着该产品可以和其他符合标准 的产品实现互操作，从而可以帮助用户部署和管理由多供应商的存储产品构建的 存储环境。再次，兼容性测试可以帮助网络存储工业协会和组织验证其制定的标 准或规范的接受程度。 存储产品兼容性测试的更长远的目标也在于建立一系列存储产品之间的兼容 性度量，并期望随着通用存储管理软件的发展，存储的异构和跨平台管理不再是 难事。 1 3 作者的工作和本文组织 研究生期间，作者学习了软件测试和存储技术相关的理论知识，另一方面， 在实际工作中参与了多个平台的存储设备的兼容性测试，包括对测试用例的设计、 测试环境的搭建、测试用例的执行、测试报告的编写等，积累了一定的存储产品 测试经验，对存储兼容性测试产生了浓厚的兴趣。作者在实际的测试过程中，对 使用到的方法、遇到的困难和挑战进行的思考和努力，便形成了作者的研究课题。 本文首先对存储、测试理论做了简单阐述。然后针对存储产品的应用特征， 对存储兼容性测试进行了分类，并设计了基本兼容性测试的测试用例，引用了一 种基于配对组合覆盖测试的兼容性测试案例生成方法。接下来，提出了两种故障 诊断策略：基于最小组合覆盖集的诊断策略和基于模糊聚类的诊断策略，实现了 快速有效地问题定位分析。第五章给出了基本兼容性测试的一个实例分析。第六 章基于探索性测试思想，对存储产品与v x v m 的兼容性测试进行了详细设计与实 现。最后对存储兼容性测试进行了总结并对以后的测试规划指出了方向。 第一章绪论 本章首先对本文研究背景及其应用前景进行了介绍，然后对作者的工作和本 文组织结构做了概述。 第二章存储与测试理论 本章主要介绍了存储相关理论与技术，包括r a i d 、l u n 、存储架构、存储协 2 第一章绪论 议等，并阐述了软件测试的定义、生命周期、分类和常用的黑盒测试方法。 第三章存储基本兼容性测试设计 本章首先针对存储兼容性的特征，对存储兼容性测试进行了分类，制定了存 储基本兼容性测试设计框架，设计了存储基本兼容性测试的测试用例，并引用了 基于配对组合覆盖技术的兼容性测试案例生成方法。 第四章存储基本兼容性故障诊断策略 本章针对存储兼容性测试的故障定位难的问题，提出了两种故障诊断策略： 基于最小组合覆盖集的诊断策略和基于模糊聚类的故障诊断策略，并对每一种策 略进行了实例分析，实验证明这两种方法均可提高故障定位速度。 第五章存储基本兼容性测试实例分析 本章主要是对存储基本兼容性测试进行实例分析，根据问题的严重程度对测 试结果进行统计分析，实验证明上述测试设计可以有效地发现被测系统中存在的 问题。 第六章存储与v x v m 兼容性测试设计 本章基于探索性测试思想，对存储产品与v x v m 兼容性测试进行了详细设计 与分析。 第七章总结与展望 本章对全文的内容做了总结，并指出了下一步的研究方向。 电子科技大学硕士学位论文 2 1 存储相关知识 2 1 1r aid 第二章存储与测试理论 r a i d 是英文“r e d u n d a n ta r r a yo f i n d e p e n d e n td i s k s ”的缩写，翻译成中文意 思是独立磁盘冗余阵列，简称磁盘阵y l j ( d i s ka r r a y ) 。冗余磁盘阵列技术诞生于1 9 8 8 年，由美国加州大学伯克利分校的d a p a t t e r s o n 教授提出。简单的说，r a i d 是 一种把多块独立的硬盘( 物理硬盘) 按不同的方式组合起来形成一个硬盘组( 逻辑硬 盘) ，从而提供比单个硬盘更高的存储性能和数据备份技术。磁盘阵列根据冗余的 方式和数据在磁盘上的划分方式，分为不同的r a i d 等级( r a i dl e v e l s ) 。每一种 等级代表一种技术，这个等级并不代表技术的高低，实际应用时要选择哪种r a i d 等级，纯视用户的操作环境及应用而定，与等级的高低没有关系。r a d 发展至今 共有1 0 个主要的等级，下面将依次介绍。 ( 1 ) ra d 0 r a i d 0 ( s t r i p e dd i s k a r r a yw i t h o u tf a u l tt o l e r a n c e ，没有容错设计的条带磁盘阵 列) ，如图2 1 所示。实现r a i d 0 至少需要2 块硬盘。r a i d 0 中原始数据按需要分 块，这些数据块被交替写到多个磁盘中：第0 块被写到磁盘o 中，第1 块被写到 磁盘1 中，依次类推。当写完最后一个磁盘后，再回到第一个磁盘开始下一循环， 直到所有数据分布完毕 1 】。理论上说，有n 个磁盘组成的r a i d 0 是单个磁盘读写 速度的n 倍。r a i d 0 连续以位或字节为单位分割数据，并行读写于多个磁盘上， 因此具有很高的数据传输率，适用于无故障地迅速读写，要求安全性不高的领域， 如图形工作站等。 不过，因为r a i d 0 没有数据冗余能力，并未完全满足r a i d 的要求，还不能 算是真正的r a i d 。由于没有多重备份或检验恢复功能，而且数据是分布存储的， 一旦阵列中任何一块硬盘损坏，就可能导致整个阵列数据的损坏。 4 第二章存储与测试理论 d 12 d 8 d 4 d o d l3 d 9 d 5 d 1 d 15 d 1 4 0 1 d o d 1 4 d l o d 6 d 2 d 15 d 1l d 7 d 3 图2 - 1r a i d 0 ( 2 ) r a i d l r a i d l 也称镜像阵列，是通过磁盘数据镜像实现数据冗余，在成对的独立磁 盘上产生互为备份的数据，如图2 2 所示。当原始数据繁忙时，可直接从镜像拷贝 中读取数据，因此r a i d l 可以提高读取性能。r a i d l 是磁盘阵列中单位成本最高 的，但提供了很高的数据安全性和可用性。当一个磁盘失效时，系统可以自动切 换到镜像磁盘上读写，而不需要重组失效的数据。r a i d l 适用于随机数据写入， 要求安全性高的领域，如金融系统、财务统计与数据库存储等。 r a i d l 已经是一种真正的r a i d 系统，它提供了强有力的数据容错能力，但 这是以增加一个硬盘为代价所带来的效果，而这个硬盘并不能增加整个阵列的有 效容量，即其硬盘的利用率只有5 0 。 5 电子科技大学硕士学位论文 ： 1 ) 7 f ) 6 ： 1 ) l d o 幽2 2 r a i d l ( 3 ) r a i d 2 r a i d 2 将磁盘分为数据盘和校验盘。用户数据按位或字节条带化地存储于不 同的数据磁盘上，而不是以数据块为单位，校验盘上存放相应的海明码，提供错 误检查及恢复。 r a i d 2 是早期为了能进行即时的数据校验而研制的一种技术，从它的设计上 看也是为了即时校验以保证数据安全，以及针对当时对数据即时安全性非常敏感 的领域，如服务器、金融服务等。但由于花费太大，成本昂贵，目前已基本不再 使用，转而以更高级的即时校验r a i d 来代替，如r a l d 3 、r a i d 5 等。 ( 4 ) r a m 3 r a i d 3 是在r a i d 2 的基础上发展而来的，主要的变化是用相对简单的异或逻 辑运算校验来代替了相对复杂的海明码校验，从而大幅降低了成本。 实现r a i d 3 至少需要3 块磁盘。r a i d 3e l 】是通过数据分块结合专门的校验磁 盘方式，将数据分成许多逻辑区段分散存放在许多块磁盘，另有一块磁盘专门存 放依逻辑区段所计算出的同位检测位或字节，如果发生硬盘毁损的情形，便可透 过同位检测的信息来进行数据的重建。在r a i d 3 的情况下，逻辑磁盘的总容量等 于所有的磁盘容量之和，再减掉校验盘的容量。r a i d 3 在存取大档案及连续的数 据时，可增加数据的传输率，但在进行不跨磁盘的写入操作时，因为同时要重新 计算与写入同位校验位，奇偶盘会成为写操作的瓶颈，从而降低了执行效率。 6 第二章存储与测试理论 r a i d 3 在r a i d 2 的基础上成功地进行了结构与运算的简化，曾受到广泛的欢 迎，并大量应用。直到更为先进高效的r a i d 5 出现后，r a i d 3 才开始慢慢退出市 场。 ( 5 ) r a i d 4 r a i d 4 是一种块交叉奇偶校验冗余阵列，仍采用一个专用的冗余盘存放校验 信息。r a i d 4 只采用了要被替换的旧数据、新写入的数据和旧的校验数据来计算 新的校验数据。这意味着r a i d 4 只需要读写有用的数据盘和校验盘，而不需要像 r a i d 3 那样每一次写操作都需要访问所有磁盘。与r a i d 3 的不同点，是r a i d 4 的数据条带存储单位为块。由于r a i d 4 在写入时要等一个磁盘写完后才能写下一 个，并且还要写入校验数据，所以写入效率比较差。因此，r a i d 4 在商业环境中 也很少使用。 ( 6 ) r a i d 5 r a i d 5 与r a i d 4 类似，只是r a i d 5 无专用的校验盘，用来进行纠错的奇偶 校验信息不再单独存放在一个磁盘上，而是在所有磁盘上交叉地存储数据及奇偶 校验信息。数据以块为单位写入磁盘，奇偶校验码形成后写入阵列中的某个盘。 下一次写时奇偶校验码写入另一个盘，这样每一个磁盘都有数据和校验码。当 r a i d 5 的一个磁盘数据发生损坏后，利用剩下的数据和相应的奇偶校验信息可以 恢复被损坏的数据。 r a i d 5 可以理解为是r a i d 0 和r a i d l 的折衷方案。r a g ) 5 可以为系统提供 数据安全保障，但保障程度要比r a i d l 低而磁盘空间利用率要比r a j d l 高，存储 成本相对较低。r a i d 5 具有和r a i d 0 相近似的数据读取速度，只是多了一个奇偶 校验信息，写入数据的速度比对单个磁盘进行写入操作稍慢。r a i d 5 可允许同时 进行多个写入操作，可提高效率，但在存取大档案及连续的数据时，必须重新计 算同位校验信息，这又会降低执行效率。r a i d 5 适用于随机数据传输，要求安全 性高的领域，如金融、数据库、存储等。 7 电子科技大学硕士学位论文 i d i1 d ! o 毒， 1 ) ( ) l 一幽苣d 8 图2 - 3r a i d 5 ( 7 ) r a m l o r a i d l 0 是r a i d 0 和r a i d l 的组合形式。以四个盘为例，r a i d l 0 是先将盘 分成2 组镜像，然后再对2 个r a i d l 进行条带化。可以看出，r a i d l 0 是存储性 能和数据安全兼顾的方案，既可以提供与r a i d l 一样的数据安全保障，又可以提 供与r a i d 0 近似的存储性能。因此，r a i d l 0 的特点使其特别适用于既有大量数 据需要存取，同时又对数据安全性要求很高的领域，如银行、金融等。 i ) 6 1 ) 4 d 2 d o 1 ) 6 1 ) 4 d ： d o 1 ) 7 d 5 i ) 3 d 】 d 7 d 5 1 ) 3 d 1 图2 - 4 r a d 1 0 ( 8 ) 0 1 i l 久i d l 0 是先在纵向上做镜像，再在横向上做条带，而r d d 0 1 则是先在横向 上做条带，再在纵向上做镜像。r a i d 0 1 与i l m d l 0 在读写性能没有太大差别，但 第二章存储与测试理论 是r a i d l 0 比r a i d 0 1 在安全性方面要强。仍以四个盘为例，如果只是坏掉其中的 一个硬盘，对r a i d 组的影响都不是非常大，如果同时坏掉两块硬盘，对于r a d 1 0 来说，只要不是同时坏掉其中的一个硬盘和他的镜像盘，r a i d 组就不会崩溃。而 对于r a i d 0 1 来说，如果两个条带上有任意两块硬盘坏掉了，则整个r a i d 组都将 失效，不管发生介质损坏的两块硬盘是否是镜像。 图2 5 r a i d 0 1 ( 9 ) r a d 5 0 r a i d 5 0 是r a i d 5 与r a i d 0 的结合，由至少六块硬盘组成，每个r a i d 5 子 磁盘组要求三个硬盘，以数据的校验位来保证数据的安全，且校验条带均匀分布 在子磁盘组的各个磁盘上，然后子磁盘组做r a i d 0 。r a i d 5 0 具备更高的容错能力， 因为它允许某个组内有一个磁盘出现故障，而不会造成数据丢失。而且因为奇偶 位分布于r a i d 5 子磁盘组上，故重建速度有很大提高。但r a i d 5 0 配置下，磁盘 故障会影响吞吐量，故障后重建信息的时间比镜像配置情况下要长。 r a t d 0 图2 6 r a i d 5 0 9 电子科技大学硕士学位论文 2 1 2l u n 及l u n 映射 l u n 的全称是l o g i c a lu n i tn u m b e r ，即逻辑单元号，是物理存储的逻辑表示。 根据r a i d 配置，用户可定义l u n 是一个磁盘驱动器或一组磁盘驱动器上的分区。 l u n 映射是指l u n 与存储设备的主机端口进行绑定，是逻辑盘到主机的映射。 2 1 3 端口映射 存储上的端口映射，简单来说，就是指定l u n 可以被哪些端口所见。在存储 管理系统中添加端口和l u n 到指定的主机即可完成端口映射。 2 1 4 存储架构 网络存储结构大致分为三种：直连式存储( d a s ：d i r e c ta t t a c h e ds t o r a g e ) 、网 络附加存储( g a s ：n e t w o r ka t t a c h e ds t o r a g e ) 和存储区域网络( s a n ：s t o r a g ea r e a n e t w o r k ) 。 ( 1 ) d a s 直连式存储 d a s 是指将存储设备通过s c s i 线缆或光纤通道直接连接到服务器上。一个 s c s i 环路或称为s c s i 通道可以挂载最多1 6 台设备，f c 可以在仲裁环的方式下 支持1 2 6 个设备。 至空臣 图2 7d a s 架构 d a s 方式实现了机内存储到存储子系统的跨越，在磁盘系统和服务器之间具 有很快的传输速率，因此，虽然在一些部门中一些新的s a n 设备已经开始取代 d a s ，但是在要求快速磁盘访问的情况下，d a s 仍然是一种不错的选择。但是d a s 的缺点也有很多，如扩展性差，服务器与存储设备直接连接的方式导致出现新的 1 0 第二章存储与测试理论 应用需求时，只能为新增的服务器单独配置存储设备，成本高：资源利用率低； 可管理性差；异构化严重等。 ( 2 ) n a s 网络附加存储 n a s 是一种特殊的专用数据存储服务器，可提供跨平台文件共享服务。n a s 包括存储器件( 例如硬盘驱动器阵列、c d 或d v d 驱动器、磁带驱动器或可移动的 存储介质) 和专用服务器。专用服务器上装有专门的操作系统，通常是简化的 u n i x l i n u x 操作系统，或者是一个特殊的w i n d o w s2 0 0 0 内核。它为文件系统管理 和访问做了专门的优化。专用服务器利用n f s 或c i f s ，充当远程文件服务器，对 外提供文件级的访问。 ( 3 ) s a n 存储区域网络 s a n 是一种通过网络方式连接存储设备和应用服务器的存储构架，这个网络 专用于主机和存储设备之间的访问。当有数据的存取需求时，数据可以通过存储 区域网络在服务器和后台存储设备之间高速传输。s a n 由服务器、后端存储系统 及s a n 连接设备组成。后端存储系统由s a n 控制器和磁盘系统构成，控制器是 后端存储系统的关键，它提供存储接入，数据操作及备份，数据共享、数据快照 等数据安全管理，及系统管理等一系列功能。后端存储系统为s a n 解决方案提供 了存储空间。使用磁盘阵列和r a i d 策略为数据提供存储空间和安全保护措施。 连接设备包括交换机，h b a 卡和各种介质的连接线。 图2 8s a n 架构 s a n 的发展历程较短，从9 0 年代后期兴起，由于当时以太网的带宽有限，而 f c 协议在当时就可以支持1 g b 的带宽，因此早期的s a n 存储系统多数由f c 存储 设备构成，导致很多用户误以为s a n 就是光纤通道设备，其实s a n 代表的是一 种专用于存储的网络架构，与协议和设备类型无关，随着千兆以太网的普及和万 电子科技大学硕士学位论文 兆以太网的实现，人们对于s a n 的理解将更为全面。 s a n 和n a s 经常被视为两种竞争技术，实际上，二者能够很好地相互补充， 以提供对不同类型数据的访问。s a n 针对海量、面向数据块的数据传输，而n a s 则提供文件级的数据访问和共享服务。尽管这两种技术类似，但严格意义上讲n a s 其实只是一种文件服务。n a s 和s a n 不仅各有应用场合，也相互结合，许多s a n 部署于n a s 后台，为n a s 设备提供高性能海量存储空间。 2 1 5 存储协议 进行存储产品的测试，必须要了解存储采用的是何种协议，这一点非常重要。 从某种意义上说，网络存储发展的核心和本质驱动力就是网络存储协议的发展。 目前业已存在的各种协议，看上去丰富多样，甚至有些复杂。不过，只要我们顺 着网络存储技术发展的脉络仔细观察，就会清晰地了解这些协议各自的特色以及 它们之间的关联。 ( 1 ) s c s i 协议 在介绍i s c s i 、f c 等存储协议之前，首先有必要介绍一下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 ，小型计算机系统接口) 协议。 s c s i 协议是用于同i o 设备( 特别是存储设备) 进行通信的流行协议。在s c s i 协议中有两种类型的设备：s c s i 源端( s c s ii n i t i a t o r ，客户端) 负责发起连接、目的 端( s c s it a r g e t ，服务器) 负责响应。i n i t i a t o r 发出需要执行的命令，t a r g e t 执行命令。 t a r g e t 中执行命令的终端结点被称为逻辑单元，而一个t a r g e t 就是多个相同类型的 且可直接寻址的逻辑单元的集合。从客户端到服务器端进行命令交流的结构被称 作命令描述块( c d b ) 。 s c s i 于1 9 7 9 年首次提出，由a n s i 公布，目的是定义通用并行总线，通过 s c s i 控制器来和硬盘等设备建立联系，最初的版本规定了总线类型、接口定义、 电缆规格等技术标准以及5 m b s 传输速度。后续的版本陆续增加了能满足特殊设 备协议所需要的命令集，使得s c s i 协议既适应传统的并行传输设备，又能适应最 新出现的一些串行设备的通信需要：同时，对传输的速度也做了非常大的提升， s c s i5 规定了6 4 0 m b s 的传输速度。 ( 2 ) i s c s i 协议 随着各方面对存储的需求稳定增长，块存储管理成为了一种重要的存储管理 方式，这是因为无论是数据库还是文件系统都依赖于一个高效的、高可扩展的块 1 2 第二章存储与测试理论 存储管理系统。尽管并行的u l t r as c s i 技术，已经达到1 6 0 m b s 和3 2 0 m b s ，与千 兆位网络的速度处于同一级别，但是它有传输和连接限制，无法和成熟的千兆位 网络技术结合，无法形成存储局域网( s t o r a g ea l e an e t w o r k ) ，于是光纤通道和i s c s i 应运而生，它们是千兆位网络技术和s c s i 技术的结合，是当前存储局域网上主要 的块存储管理协议。 i s c s i 全称是i n t e r n e ts m a l lc o m p u t e rs y s t e mi n t e r f a c e ，即i n t e r n e t 小型计算机 系统接口，是一种基于t c p i p 的协议，用来建立和管理p 存储设备、主机和客户 机等之间的相互连接，并创建存储区域网络s a n 。i s c s i 协议由c i s c o 和m 两 家发起，并且得到了各大存储厂商的大力支持。该技术将现有s c s i 接口与以太网 技术结合，可以实现在p 网络上运行s c s i 协议，使服务器可在诸如高速千兆以 太网上与存储设备互相交换信息，进行数据存取备份等操作。 i s c s i 直接使用了t c p 的流量控制、拥塞控制和分段( s e g m e n t a t i o n ) 机制，并 在d 的基础上实现它的寻址和设备发现操作。i s c s i 协议的实现方式总的说来有 两种：一种是i s c s i 作为软件层与含有t c p f l p 的商业千兆以太网卡结合；另一种 方法是制造一种集成以太网、t c p i p 和i s c s i 多层协议的网卡。 i s c s i 协议继承了两大最传统技术：s c s i 和t c p i p 协议，这为i s c s i 协议的 发展奠定了坚实的基础。这几年来，i s c s i 存储技术得到了快速发展。i s c s i 的最 大好处是能提供快速的网络环境，只需要不多的投资便可实现s a n 存储功能，甚 至可以直接利用现有的t c p i p 网络。相对于以往的网络存储技术，它解决了开放 性、容量、传输速度、兼容性、安全性等问题，虽然目前其性能和带宽跟光纤网 络还有一些差距，但其低廉的成本，较强的扩充性，使其备受关注与青睐。 ( 3 ) f c 协议 f c p 全称是f i b r ec h a n n e lp r o t o c o l ，即光纤通道协议，f c p 与i s c s i 一样，都 是一种数据传输协议和接口协议。f c ( 光纤通道) 本质上是s c s i 标准的串行化，f c p 则包含了s c s i 在光纤通道上的定义，是一种工业标准互联和高性能串行i o 协议， 独立于介质，并同时支持多种传输协议。 光纤通道协议采用了网络习惯的分层模式：将协议分层实现，各层之间相互 独立，n 1 层向n 层提供服务。光纤通道协议包括5 个功能( f c 0 到f c - 4 ) ，其功能 如下：f c 0 定义了接口和传输介质的物理特性；f c 1 定义了编码解码和传输协议； f c 2 定义了帧格式和信令协议；f c 3 提供公共服务，如数据分离和多点广播操作； f c - 4 规定了高层协议到光纤通道低层协议的映射。 s a n 通过光纤通道技术取代了传统的s c s i 总线，将s c s i 协议映射到f c - 4 电子科技大学硕士学位论文 层，实现了s c s ii o 协议的串行转换。在s a n 中，主机通过f c p 协议与存储设 备通信，完成数据的读写操作。光纤通道提供多种服务，包括有确认的面向连接 服务、有确认的无连接服务和无确认的无连接服务。光纤通道是一种二级网络协 议( 计算机内部的协议如p c i 是一级网络协议) 。帧、序列和交换是光纤通道内3 种 主要的数据传榆格式。其中，帧( f r a m e ) 是最基本的数据传输单元；多个帧单向传 输称为序y l j ( s e q u e n c e ) ；多个序列的双向传输称为交换( e x c h a n g e ) 。 f c p 具有高带宽、低延迟、适宜远距离传输等特点，用于构造高性能、高可 用性的存储区域网。f c p 也有两个比较明显的劣势：是扩展性差，采用光纤通 道的f c p 目前传输距离最多只能达到1 0 公里，如果要扩展，则需要使用其他相关 协议；二是f c p 需要构建专门的存储网络和专门的光纤通道交换机，其安装和维 护成本均非常高。目前，f c 受到的挑战越来越大，s a s2 0 和1 0 g b 以太网虽然是 两种不同的技术，但它们对f c 在存储网络中的统治地位构成了威胁。 ( 4 ) f c i p 协议 在上述内容中可以看出，i s c s i 和f c 两种协议各有利弊。f c 的稳定性和性能 高，但是昂贵，扩展性相对较差。i s c s i 便宜，扩充性好。但在实际的环境中有时 候需要高性能和高扩展性。这个时候就很难取舍。 解决这个困境的答案也许在于p o p ( 协议中的协议) ，即将一个协议打包到另外 一个协议中。f c i p ( f i b r ec h a n n e lo v e rt c p i p ) ，是基于t c p i p 的光纤通道，它将 f c 协议封装到t c p i p 包中，从而使f c 通过网络进行传输。f c i p 解决了f c 的传 输距离问题，即解决了s a n 之间的互连互通。 f c i p 的机制允许光纤通道在口网络上的s a n 设备之间，进行更简单的数据 传输。这能力也促使在一个地理位置较为分散的企业中数据分享变得简单。f c i p 协议是通过口网络进行存储数据传输的一种方式，这个协议提升了存储数据的传 输能力和性能，被认为是有助于快速地开发s a n 市场的关键技术之一。 f c i p 的缺点在于：首先，f c i p 只能在f c i p 设备之间建立点到点连接，即f c i p 设备一端( 母端) 和另外一个f c i p 设备的p 端进行连接，f c i p 设备的另外一端( f c 端) 和f c 光纤通道交换机进行连接，f c i p 设备无法在两个独立存储设备之间提供 本地口连接；其次，由于f c i p 是一种不透明的传输协议，即一个s a n 向另一个 s a n 发送的信息在f c 层没有错误检测，容易将一个s a n 上的错误蔓延到各个 s a n ；再次是f c 和p 网络之间线速的不匹配，或者f c i p 引擎的低效实现，都有 可能使得f c i p 设备成为一个瓶颈。最关键的是，如果f c i p 通道崩溃，两个远程 f c 交换机之间的连接也不会自动恢复，这对商业应用来说显然是难以接受的。 1 4 第二章存储与测试理论 ( 5 ) i f c p 协议 i f c p ( i n t e m e tf i b r ec h a n n e lp r o t o c o l ，i n t o - n e t 光纤通道协议) 是是基于t c p i p 网络运行光纤信道通信标准的扩展协议，i f c p 具备网关功能，它能将光纤信道 r a i d 阵列、交换机以及服务器连接到口存储网，而不需要额外的基础架构投资。 i f c p 的工作原理是：将光纤通道数据以d 包的形式封装，并将口地址映射 到分离的光纤通道设备。由于在p 网中每类光纤通道设备都有其独特标识，因而 能够与位于d 网其它节点的设备单独进行存储数据收发。f i b r ec h a n n e l 信号在 i f c p 网关处终止，信号转换后存储通信在p 网中进行，这样i f c p 就打破了传统 f i b r ec h a n n e l 网的距离( 约为1 0 公里) 限制。 i f c p 的优势在于在建立连接的同时能够建立网关分区，它可以将出现问题的 区域隔离起来，并克服了点到点隧道的限制。基于i f c p 实现了s a n 的路由故障 隔离、安全及灵活管理，具有比f c i p 更高的可靠性。i f c p 的典型应用是用于s a n 对s a n 互连。这时f i b r ec h a n n e l 网