（计算机系统结构专业论文）网络存储系统中的io调度方法.pdf

哈尔滨t 程大学硕十学位论文 摘要 随着互联网的迅猛发展，近两年来企业数据存储能力在迅速增长。随着时 间的推移，人们需要存储具有越来越多的性能、能力和易管理性。所以与计算 机系统中墓他部件相比例女i c p u ，网络带宽等，发展相对缓慢的存储已经成为 了r r 业的瓶颈。目前，s a n ( 存储区域网络) 是解决这些问题的一种流行技术。 它能确保存储的可靠性、服务能力、可扩展性和可用性。但是目前它显然已经 不能满足逐渐增加的市场需求，所以很多研究人员都在致力于改善s a n 技术。 s a n 技术使用成熟的网络互联代替1 0 总线来连接主机和存储设备。在网络 连接中，经常要使用交换机，尤其是i s c s i 存储系统一般都使用普通的以太网交 换机。因为普通的交换机对其使用的环境未知，所以不可能针对网络存储进行 特别的优化。 在s a n 中有三个主要的部件：服务器系统、存储设备和互联设备。改善s a n 性能的方法主要都集中在这三个部件上。大多数的研究都集中在如何改善s a n 的服务器和存储设备这两个部件上，而本文集中研究连接服务器和存储设备的 交换机中传输的i o 命令。 本文详细分析了i s c s i 协议中i o 命令的处理过程，将启动端和目标端之 间传输的i s c s ip d u 分为两种：一种为包含读写数据的命令；另一种为与资源 等待相关的命令，称之为短命令。通过使短命令赋予高优先级在交换机中传输， 以达到改善整个存储系统的性能和资源利用率的目的。 理论证明部分利用排队论理论，证明优化算法缩短了系统的平均延迟时 间。模拟实验的结果表明，优化算法缩短了请求的平均处理时间，增大了系统 吞吐量并改善了系统资源利用率。系统测试实验对i s c s i 协议进行了修改，通 过改变己知p d u 加载到命令列表的位置达到了基于优先级传输数据的目的。 利用测试工具得出了优化算法对系统平均响应时间和系统吞吐量这两个性能 参数的改善。 关键词：存储区域网络；网络存储；i o 调度算法；i s c s i 技术 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 葺i i 宣j 宣；宣宣暑置墨i i 暑宣暑暑宣置i 暑暑i i 暑宣宣| 暑暑宣置置一i | i i 宣宣i 宣暑i | 宣萱i 暑置宣置暑毫葺宣i i 暑暑嗣置萱宣冒 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p i n go f t h ei n t e m e t ，ad r a m a t i cg r o w t ho fe n t e r p r i s ed a t as t o r a g e c a p a c i t yc a nb eo b s e r v e di nt h el a s tc o u p l eo fy e a r s p e o p l er e q u i r em o r ea n dm o r e p e r f o r m a n c e ，c a p a c i t ya n dm a n a g e a b i l i t yo ft h es t o r a g ew i t ht h et i m eg o e sb y s ot h e r e l a t i v es l o wd e v e l o p i n gs p e e do ft h es t o r a g ec o m p a r e dt ot h eo t h e rp a r t so ft h e c o m p u t e rs y s t e ms u c ha sc p u ，n e t w o r kb a n d w i d t ha n ds oo na r eb e c o m i n gt h e b o t t l e n e c ko fi t sp r o g r e s s n o w ，t h es a n ( s t o r a g ea r e an e t w o r k ) i sap o p u l a r t e c h n o l o g yt o s o l v et h e s ep r o b l e m s i tc a ne n s u r et h er e l i a b i l i t y , s e r v i c e a b i l i t y , s c a l a b i l i t ya n da v a i l a b i l i t yo ft h es t o r a g e b u tn o wi to b v i o u s l yc a nn o ts a t i s f yt h e i n c r e a s i n gn e e do fm a r k e t ，s om a n yr e s e a r c h e r s a r ew o r k i n go ni m p r o v i n gt h e t e c h n o l o g yo fs a n i ns a n ，t h em a t u r en e t w o r kt e c h n o l o g yi su s e dt os u b s t i t u t ef o rt h e1 0b u s u s u a l l y , t h ec o m m o ns w i t c hi su s e di nt h es t o r a g en e t w o r ke s p e c i a l l yi nt h ei s c s i s t o r a g es y s t e m b e c a u s et h ec o m m o ns w i t c h e sa r en o ta w a r eo f t h ee n v i r o n m e n ti ti s u s e di n , i tc a nn o tm a k eo p t i m i z a t i o nf o rt h es t o r a g en e t w o r k i nt h i sd i s s e r t a t i o n , a no p t i m i z a t i o no fs t o r a g en e t w o r ki sp r e s e n t e d t h e r ea r et h r e em a i nc o m p o n e n t si na i ls a ne n v i r o n m e n ts u c ha ss e r v e r s y s t e m s ，s t o r a g ed e v i c e sa n di n t e r c o n n e c td e v i c e s s om e t h o d st oi m p r o v et h es a n a r em a i n l yf o c u s e do nt h e s et h r e ec o m p o n e n t s m o s to f t h er e s e a r c h e sa r ef o c u s e do n t h es e r v e rs y s t e m so rs t o r a g ed e v i c e s ，b u tt h i sp a p e rf o c u so nt h e1 0c o m m a n d s t r a n s f e r r e di nt h es w i t c hw h i c hi su s e dt oc o n n e c tt h es e r v e r sa n ds t o r a g ed e v i c e s i nt h i sp a p e r ，t h ep r o g r e s so f t h e1 0c o m m a n d st r a n s f e r r e di nt h ei s c s ip r o t o c o l a r ec o n s i d e r e dp a r t i c u l a r l y t h ei s c s ip d u st r a n s f e r r e db e t w e e nt h ei n i t i a t o ra n dt h e t a r g e ta r ed i v i d e di nt w ok i n d s ：o n ei st h ec o m m a n d s 、加t l lt h er e a do rw r i t ed a t a ；t h e o t h e ri st h ec o m m a n d sr e l a t e dw i t ht h ew a i t i n gf o rt h er e s o u r c e s ，w h i c ha r ec a l l e d s h o r tc o m m a n d s t h e s es h o r tc o m m a n d sp a s s i n gt h es w i t c hu s e di ns t o r a g en e t w o r k a r et r a n s f e r r e di nh i g h e s tp r i o r i t y , i nw h i c ha i mt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c ea n d r e s o u r c ee f f i c i e n c yo f t h ew h o l es t o r a g es y s t e m 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 - | i 皇宣宣宣i 宣暑置冒皇暑暑i i 暑置昌宣宣 t h e o r i c a lt e s t i f yu s i n gt h eq u e u e i n gt h e o r ys h o w e dt h a tt h eo p t i m i z a t i o nr e d u c e t h ea v e r a g ed e l a yt i m eo ft h es t o r a g en e t w o r k t h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o nt e s t s s h o w e dt h a tt h e o p t i m i z a t i o nr e d u c et h ea v e r a g ed i s p o s a lt i m e ，i m p r o v et h e t h r o u g h p u ta n dt h e r e s o u r c eu t i l i z a t i o no ft h e s t o r a g en e t w o r k i nt h et e s t i n g e x p e r i m e n t ，t h el i n u xp r o g r e s si sm o d i f i e d i no r d e rt ot r a n s f e rt h ec o m m a n d sw i t h t h ep d 谢t y , t h ep o s i t i o no ft h ei oa c k n o w l e d g m e n tc o m m a n d sa d dt ot h ec o m m a n d s l i s th a sb e e nc h a n g e d u s i n gt h et e s t i n gt o o lg a i n e dt h er e s u l t st h a tt h eo p t i m i z a t i o n c a ni m p r o v et h ea v e r a g er e s p o n s et i m ea n dt h et h r o u g h t p u to ft h es t o r a g en e t w o r k k e y w o r d s ：s t o r a g ea r e an e t w o r k ，n e t w o r ks t o r a g e ，i os c h e d u l i n ga l g o r i t h m ，i s c s i t e c h n o l o g y 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用己在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 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。 作者( 签字) ： 女霭角 日期：翮年3 月纾日 哈尔滨t 稗大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 网络存储技术的发展现状和未来 随着互联网络的发展和计算机技术的广泛应用，存储技术产品受到业界及 专家们的高度重视。对大多数依靠计算机运行关键商务程序的现代企业来说， 信息已经成为一种超越其竞争对手的战略资产，数据的有效使用和管理越来越 成为企业i t 部门的首要任务。企业在存储设备和存储管理软件上的开销占据了 整个网络成本越来越大的比重，并将逐步超过5 0 。据i d c 统计，企业的数据 量每六个月就会增长一倍，到2 0 0 2 年，企业每年要使用1 4 百万t b 的存储容 量，这是1 9 9 8 年的1 2 倍。存储已不再是附属于服务器的辅助设备，而成为了 i t 业最主要的投资花费所在。未来的发展重点将放在存储。 由于近年来客户机朋艮务器计算模型的广泛采用，企业中存在很多服务器， 而且每个服务器都带有自己的存储系统，企业的信息分散到各个服务器上，形 成所谓的“信息孤岛”，不利于企业的信息整合。企业正面临着前所未有的存 储挑战，单一的存储技术，如磁盘、光盘、r a i d 技术等已经很难满足需求， 他们需要一个全新的存储体系结构。 网络存储将网络技术与新兴的存储领域有机地结合起来，能够彻底地解决 传统存储方案的弱势，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，网络存储非常适合数据量增长迅速、拥有潜在升级数据大的企 业。 网络数据和信息的急剧增加也自然带来了网络存储市场的迅速增长。从产 品角度来说，国外产品一统天下。在非整机制造厂商中，专业网络存储设备商 e m c 公司的网络存储产品发展迅猛。在整机制造厂商中，包括惠普、m m 、s u n 公司也都有自己的网络存储解决方案，其中包括c i s c o 、i n t e l 等国际大公司在 网络存储方面也已经推出相关产品f j 】。国内网络存储产品还处于空白阶段，但 是在科研方面，国内包括华中科技大学和上海交通大学等科研院校在网络存储 技术领域已经获得实质性突破。 哈尔滨一i ：程大学硕十学位论文 当前，服务器与存储设备的连接主要有三种形式：直接网络存储( 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( n a s ，n e t w o r ka t t a c h e ds t o r a g e ) 以及存 储区域网络( s a n ，s t o r a g ea r e an e t w o r k ) 。这几种网络存储方式特点各异，应 用在不同的领域。 在传统的存储结构中，主机与存储系统通过s c s i 总线连接起来，同时又 通过网络接口连接到网络中，这种结构称为d a s ( d i r e c ta t t a c h e ds t o r a g e ) 。其 结构如图1 1 所示。它完全以服务器为中心，本身只是硬件的堆叠，不带有任 何存储操作系统【2 】。外部数据存储设备采用s c s i 技术，或者f c ( f i b e rc h a n n e l ) 技术，直接挂接在内部总线上，数据存储是整个服务器结构的一部分，数据和 操作系统都未分离，存储器与服务器之间通过传统的i o 总线通信。这种连接 方式主要应用于单机或两台主机的集群环境中，主要优点是存储容量扩展的实 施简单，投入成本少，见效快；但是由于没有网络结构，扩充能力差。 客户机 存储设备 图1 1d a s 存储结构 存储设备 n a s ( n e t w o r ka t t a c h e ds t o r a g e ，网络附加存储1 是一种可以直接连到网络上 向用户提供文件级服务的专用存储设备。它有自己简化的实时操作系统，将硬 件和软件有机地集成在一起，用以提供文件服务。n a s 的数据处理是“文件 级”的，主服务器和客户端可以非常方便地在n a s 上存取任意格式的文件， 2 以太 交换 客户机 图1 2n a s 存储结构 n a s 设备完全以数据为中心，将存储设备与服务器彻底分离，集中存储和 管理数据【3 】。n a s 设备的安装、调试、使用和管理都很方便，而且进行网络数 据在线扩容时也无需停顿，保证了数据流畅存储。n a s 设备内置优化的独立存 储操作系统，全力支持i o 存储，从而有效释放带宽，大大提高了网络整体性 能，节省了系统整合和中央控制方面的存储管理费用。同时n a s 设备一般集 成本地的备份软件，可以不经过服务器将n a s 设备中的重要数据进行本地备 份，而且n a s 设备提供硬盘r a i d 、冗余的电源和风扇以及冗余的控制器，可 以满足保证n a s 的稳定应用。n a s 提供了跨平台的公用存储空间，不同操作 系统平台下的多个客户端可以很容易地共享n a s 中的同一个文件。它基于 i p e t h e m c t 以及标准的n f s 和c 正s ，可以适应复杂的网络环境。另外，用户无 需改造现有网络，就可以通过不同的网络协议把n a s 存储设备附加在已经存 在的以太网上，无缝混合应用在多种操作系统平台下，充分利用现有l a n 网 络结构，既保护了现有投资，增强存储资源的利用率，有效降低了总的拥有成 3 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 本，又将整个网络的性能提高到一个新的层次。而且，不同于应用服务器所用 的客户许可，所有的n a s 服务器用的是设备软件许可的概念，降低了软件方 面的投资成本。 s a n 是独立于l a b l ，统一的、扩展性很好的存储架构。它把大型数据存 储技术与高速数据访问技术结合在一起，服务器与存储设备隔离，服务器与存 储子系统之间的数据在光纤上传输，并允许用户把二级存储器与三级存储器合 并为一个集中管理的基础设施，即公用共享磁盘。同时，s a n 利用网络及存储 管理技术创造了一个多平台的开发环境。 s a n 通常是由服务器、存储设备( 磁带机、磁盘阵列) 、交换机及光纤通道 连接而成的存储网络，可看成是交换式或共享式的存储网络 4 1 。它具有高带宽， 模块化的可伸缩性，高可用性，容错及故障恢复，存储合并，方便的集中管理， 支持异构服务器，扩展灵活，总体拥有成本低等优点。因此，它将被广泛的应 用于图形密集的数据处理、大数据块的快速网络备份、数据仓库和决策支持。 s a n 管理软件通过网络对s a n 上所有设备进行集中式远程管理，是基于标准 协议( s n m p 等) 的，不仅包括从数据管理程序到设备管理在内的几个层次，还 包括每一层次中的管理机制，它能对许多主机系统的不同资源( r a i d 、磁带库、 光盘库等) 进行有效管理。尽管目前存储管理工具还不够完备，还不能用统一的 管理工具管理控制所有s a n 中的设备和应用，操作系统还停留在服务器端， 文件共享一般通过多服务器接入和私用轻型协议实现。但是，在多种光通道传 输协议逐渐走向标准化并且跨平台群集文件系统投入使用后，s a n 最终将实现 在多种操作系统下最大限度的数据共享和数据优化管理以及系统的无缝扩充。 其结构如图1 3 所示。 4 哈尔滨下程大学硕十学伶论文 图1 3s a n 存储结构 d a s 是最早提出的，技术发展也最为成熟。普通的d a s 结构简单，价格便 宜，数据存储的范围也最集中。而且，高端d a s 产品也将不断出现，比如外 部使用光纤接口、内部使用两层r a i d 功能的高端d a s 系统，其速度和安全性 都远远超过普通d a s 。因此，d a s 系统依然是许多小型企事业单位的首选。 但是，随着网络存储技术的发展，d a s 的生存空间会越来越小。 n a s 和s a n 有许多共同的特点。它们都提供集中化的数据存储和整合优 化，有效地存取文件，允许在众多的主机间共享并支持多种操作系统，允许从 应用服务器上分离存储。而且，都提供数据的高可用性，都能通过冗余部件和 r a i d 保证数据的完整性。但是，n a s 和s a n 也有着一些不同点： 第一，二者在性能上有所不同。n a s 的最大弱点是性能的瓶颈。n a s 是 使用i p 技术，基于以太网络的存取设备，虽然减轻了服务器所承担的压力，但 势必严重增加网络的负荷。而且无论存储磁盘的速度有多快，存取速度只可能 哈尔滨j r 稃人学硕十学位论文 与网络带宽所允许的速度一样快。即n a s 达到高性能的自订提条件是网络带宽 足够，否则其性能将急剧下降。而如果为了解决带宽问题而增设宽带网段，就 势必丧失n a s 价格较低、安装设置容易的优势。与n a s 相比，s a n 最明显的 优点是与l a n 分离，是基于f c 技术的专用数据网络，可以提供极高的带宽( 新 的f c 标准可使带宽达到4 g b ) ，不必担心由于带宽不足而引起的性能下降。s a n 将l a n 从繁重的数据备份工作中解脱了出来，从而优化了l a n 的性能。 第二，二者跨平台共享能力不同。n a s 是在r a i d 的基础上增加了存储操 作系统，专门为客户系统提供i o 服务的产品。而s a n 是独立出一个数据存储 网络，是在服务器和存储器之间作用i o 路径的专用网络。网络内部的数据传 输率很快，但操作系统仍停留在服务器端，用户不是在直接访问s a n 的网络， 因此这就造成s a n 在异构环境下不能实现文件共享。s a n 是只能独享的数据 存储池，n a s 是共享与独享兼顾的数据存储池，n a s 与s a n 的关系也可以表 述为：n a s 是n e t w o r k a t t a c h e d ，而s a n 是c h a n n e l a t t a c h e d 。 第三，实施和维护的难易程度不同。n a s 的存储设备与众多访问客户的连 接是通过标准的l a n 进行的，直接将n a s 存储设备接入l a n 中就可以使用 了，管理者所要做的只是来定义网络存取权限或为每个用户定义磁盘限额。而 且由于n a s 采用了热插拔和即插即用技术，所以在新设备接入时无需关闭数 据服务器或进行重新配置，新增的存储空间可以立即为众多的应用服务器和客 户机所共享。而s a n 的存储设备与客户之间的联系是通过专用f c 集线器和交 换机来进行的，如果客户端增加，就要对交换机进行级联，这就大大增大了安 装与设置难度。 第四，二者的设备管理难易成度不同。由于n a s 中每一个i o 节点都有自 己的存储设备，而这些设备又没有一个统一的管理的界面，所以管理人员就必 须逐一管理每个n a s 设备，从而使管理成本随着网络上n a s 设备的增多而线 性增加。而s a n 对整个网络中的存储设备的管理，是采用s a n 专用管理软件 来进行集中式管理的，用户可以通过简单的图形界面来管理不同平台和介质上 的数据，也就是说，在s a n 中，其整个存储网络成为了一个集中化的存储池。 这样，管理人员管理起来就非常简单了。 第五，n a s 和s a n 的管理对象也不相同。s a n 管理的是磁盘空间，而 n a s 管理的是文件，也就是说，s a n 是个磁盘工厂，而n a s 只是一个文件服 6 哈尔滨t 稗大学硕十学位论文 务器。 n a s 与s a n 都是在d a s 的基础上发展起来的新型数据存储模式，比常规 的存储技术具有更大的可伸缩性和灵活性。n a s 系统是建立在现有l a n 和文 件系统协议之上的，技术相对成熟，因此，在跨平台应用中的应用性和可靠性 上“领先s a n 技术，应用更注重于实现异构环境下的文件共享。s a n 是一 个独立的数据存储网，可以向一个存储网络的任意空间上分配数据，应用更注 重于实现数据资源的存储、合并、转移和服务器中的数据共享。 同s a n 相比，n a s 的优势是架构简单、成本较低，技术相对成熟，可以 应用到多平台的区域 5 】。对于经济实力不足，有传统以太网络，要求为许多客 户提供文件共享接入，或急需扩充存储空间，对性能要求不是很高的企业，n a s 无疑是一种便宜、快速的方案。 s a n 的优势在于它的速度和可扩展性。对于拥有强大经济后盾，数据增长 快、对系统可用性、扩展性、数据访问速度等要求较高的企业，可以考虑选择 s a n 。s a n 多部署于大量的数据备份和其它业务需要在网上频繁地存储和传输 的电子商务应用中，如电信、银行、电子政务的信息中心等。但是，s a n 的最 大的问题是不成熟性、成本高、标准尚未确定。所以在s a n 的设计中系统风 险性相当大，选择时应考虑数据存储方案提供商的技术实力。 1 2s a n 概述 s a n ( s t o r a g ea r e an e t w o r k 存储区域网络) 是一个由存储设备和系统部件构 成的网络，所有的通信都在一个与应用网络隔离的单独的网络上完成，可以被 用来集中和共享存储资源。s a n 不但提供了对数据设备的高性能连接，提高了 数据备份速度，还增加了对存储系统的冗余连接，提供了对高可用群集系统的 支持。简单地说，s a n 是关联存储设备和服务器的网络。它和以太网有类似的 架构。以太网由服务器、以太网卡、以太网集线器交换机及工作站所组成，s a n 则由服务器、h b a 卡、集线器交换机和存储装置所组成。 在上个世纪8 0 年代，连接主机和存储设备的标准方法是通过像 d e 或并 行s c s i 这样的接口实现的点对点的d a s ( 直接连接存储) 方式。并行s c s i 提供 了相对快速的访问s c s i 硬盘的速度( 5 m b p s 或1 0 m b p s ) ，并且几个硬盘可以通 7 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 过同一个接口连接到计算机上。 但是，随着存储子系统变得越来越大，计算机变得越来越快，一个新问题 出现了，外部存储设备丌始变得庞大起来。磁带库、r a i d ( 廉价冗余磁盘阵列) 和其他s c s i 设备开始需要越来越多的空间，这就要求并行s c s i 连接从主机延 伸出来得越来越远；同时，主机系统要求更高的v o ( 输输出) 速率。另外，应 用系统希望采用同一个存储系统，s c s i 带来的连接数目的限制也摆在了人们面 1 ，一 刖。 为了满足这些新的需求，人们开发了为存储设备提供千兆串行网络访问能 力的光纤通道( f i b r ec h a n n e l ) 协议。光纤通道协议综合了许多优点，如单模光纤 最远距离可达到1 0 公里，通过连接设备可达1 0 0 公里，可以使用多种介质的 简单串行线缆( 光缆、铜缆) 、千兆网络速率以及可以在同一线缆上同时使用多 种协议。这些特点使得光纤通道协议作为并行s c s i 协议的替代者在整个9 0 年 代都得到了人们的认可，现在光纤通道协议被用在绝大多数高容量、高端的直 连存储设备上。 随着光纤通道协议作为并行s c s i 的点对点方式替代者的出现，并随着其 逐渐被市场所接受，一种组合单纯的存储应用与网络技术于一身的新技术出现 了。这就是存储区域网络( s t o r a g ea r e an e t w o r k ，s a n ) 。 以光纤网络搭建的s a n ，具有三个主要元素：接1 2 ( f c ) 、连接设备( 光纤交 换机、h u b 等) 、协议【6 】。加上附加光纤接口存储设备以及服务器就构成了s a n 系统。在i s c s i 诞生以前，搭建s a n 只能选择光纤通道，这也是s a n 曾经成 为光纤存储网络代名词的原因。 s a n 由以下几部分组成： 1 服务器的操作系统和h b a 从理想角度来考虑，不同的服务器的操作系统最好能有相当的协同工作能 力，然而，服务器的o s 通常是硬件平台相关而无法改变的。所以，对于服务 器来说，我们只要求能够将服务器的i o 重新定向到光纤通道卡以采用s a n 的 存储。在服务器端，可以通过一定的协议进行光纤通道卡的管理，而s a n 的 存储管理对于服务器来说应该是透明的。 每台服务器中，首先需要安装光纤通道卡连接光纤路径，同时实现 s c s i 3 ( f c p ) 协议；需要将不同操作系统的i o 命令转换为s c s i 块命令，交给 哈尔滨i i 程大学硕十学位论文 光纤路径卡。在这之上，需要安装管理软件对s a n 进行服务器方的管理。每 个服务器上需要3 个软件：f c p 驱动程序( o s 驱动) 、s c s i 驱动程序( o s 驱动) 、 应用程序即服务器代理软件。 2 光纤路径组件 光纤路径组件构成了s a n 的通道。可以通过不同的联接方式实现光纤路 径。网络连接设备包括h u b 、s w i t c h 、b r i d g e 、h o s t 舢t e r 等。 在光纤路径网络中，n 、l 和n l 端口被用于终端结点。f 、f l 、e 和g 端 口在交换机中实现。最基本的是n 和f 端口，一对一连接。n 端口是访问光纤 路径网络的存储设备系统和计算机；f 端口在光纤路径交换机中实现，以代表 n 端口提供管理和连接服务。l 端口用于环网中。e 端口用于交换机的级连。g 端口是万能端口。 交换机除了连接网络中的各个设备之外，还有一些其他的功能。集线器仿 真：很多存储设备只有l 端口，无法实现交换式光纤网登录过程，需要仿真l 端口。交换机还有分区功能。这里的分区是指服务器用户只能看到指定的端口， 只能对授权端口进行操作。通过交换机可以实现软分区，即交换机过滤、屏蔽 那些不属于该区域的端口。但是这种方法并不十分安全，因为用户虽然看不到 其他端口，但是如果用户误操作，可能对未知地址进行操作。 3 存储子系统 存储子系统是s a n 的最终存储提供者，它是构成s a n 存储子系统核心最 基本的、最重要的部分。每个s a n 存储子系统可以支持多个i o 处理节点，i o 处理节点的功能是数据存储、光纤通道协议处理、s c s i 协议处理。实际上i o 处理节点就是小型的s a n 存储设备，完全可以独立应用。 在存储子系统上需要实现以下软件： i x o s 嵌入式操作系统：支持以下的各驱动，并为管理接口软件等提供平 台； h b a 驱动程序； s c s i r a i d 卡和光纤r a i d 卡的驱动程序； i s c s i 驱动程序( 可选) ：以实现i p s a n ( 基于以太网的s a n ) ； 虚拟卷管理器( 可选) ； 块转换器：将s c s i 协议驱动解开所得的用户命令发往r a i d 驱动； 9 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 s c s i 驱动程序； s c i 接口驱动； 用户层软件： 管理接口软件 s e r n l 接口软件 存储管理软件的接口软件 t e l n e t 接口软件 i o 节点通信软件 用户层的软件主要起管理i o 节点机的功用，提供s a n 管理软件监测存储 子系统运行状况的接口等。主机节点可以采用多种连接方式与i o 节点进行通 信，例如s e r i a l 接口、t e l n e t 接口、s c i 接口等。 4 s a n 管理软件 s a n 系统中包含有光纤交换机，前端多个服务器和多个存储节点。其中的 网络资源，存储空间资源都需要s a n 管理员能够按照所需进行灵活的分配。 达到这个功能，存储管理软件是必需的，它是对整个系统管理的一个接口。 存储管理软件一般在中央存储系统上面独立运行，通过各种网络管理协议 对整个系统进行各个方面的统一的管理，协调整个系统的运行。一般来讲，通 过存储管理实现共享存储技术，它保证用户对所有连接的服务器进行高效的容 量规划，最快和最灵活性的配置以及无缝扩展。较好的存储管理软件可以在服 务器的需求发生变化的时候，对内部存储容量进行进一步的规划以满足新近增 加的各种需求。诸如在线增加驱动器，磁盘更新，数据备份，安全报警等等都 是管理软件需要考虑和实现的功能。 5 提升s a n 性能的软件 在实现了基本的网络存储功能之外，s a n 还包括了一些可以提供额外功能 的软件，例如u 蝌f l e e 和s e r v e r - f r e e 的备份以及第三方拷贝。 在i s c s i 出现以后，用以p 技术搭建的存储区域网络应运而生。这时候 s a n 就不再作为光纤存储网络的代名词了。以光纤搭建的存储网络是f cs a n ， 以i s c s i 技术搭建的存储网络叫做i ps a n 。 两种存储网络最大的区别是作为网络的核心连接设备不同，导致了连接线 缆的不同：f cs a n 使用光纤交换机，通过光纤( 或者铜缆) 连接主机和存储设备， 1 0 哈尔滨1 j 程大学硕十学何论文 网络中的协议是f c ；i ps a n 使用以太网交换机，通过心连接主机和存储设备， 网络中的协议是t c p 口。 当然，还有一种特殊情况是，网络中采用i s c s i 技术的交换机( 例如c i s c o 的s n 5 4 2 0 以及s a n r a d 的vs w i t c h ) ，和主机连接使用t c p i p ，和存储设备 连接采用f c 或者s c s i 。 f cs a n 和i ps a n 都将整个系统规划出两张网：一张是面对应用网( 或 c l i e n t s e r v e r 架构或b r o w z e r w e bs e r v e r 架构) ；另一张是存储网( 由主机中的 h b a 卡、交换机及存储设备三层结构组成的s k r q ) ，它专门解决主机系统对磁 盘的块级( b l o c k - l e v e l ) 存储数据调用。这也是使用s a n 的原因之一。因为n a s 除了未建立独立的存储网外，另一个重要原因是它只能解决对文件级的调用， 只有s a n 才能支持数据库的块级调用。 以网络起家的网络厂商巨头c i s c o 及主机厂商巨头m m 认为，应该寻 求一种新的方式，以与应用网相同的体系架构、技术标准去构造存储网，这不 论从技术构造上，还是从经济成本分析角度看，无疑都是理想的。为此，两家 联手，于2 0 0 1 年1 月发起成立i e t f 工作组，专门研究与开发i s c s i 技术标准， 以此统一应用与存储分开的两种网络类型。几十家专业化r r 公司的共同努力， i e t f 的i s c s ir f c 标准终于在2 0 0 3 年2 月1 1 日通过。至此，产生了与应用 网完全同构的存储区域网，即i e t fi s c s i 标准支持的i ps a n 。 对各行各业的i t 技术人员而言，网络技术是基于e t h e m e t 及t c p i p 构筑 的，它们的许多应用己建立在i n t e m e t 的架构之上，并期待着存储网络化最终 会向这个方向迈进。过去r r 发展的历史已经说明，包括t o k e n r i n g 、f d d i 、 a t m 以及b e l l 发明了一百余年的、面向连接的语音交换技术，都将统一融合 到t c p i p 为基本架构的i n t e m e t 上去。s a n 也将向基于口网络方向发展。 1 3 基于ip 的存储 在m 网上存储是建立基于以太网技术和t c p i p 协议的存储局域网，即p s a n 。而且i ps a n 的实现应该利用一个已有的或计划中的口主干网，在不影 响局域网流量的情况下移动存储数据问。如何改造f cs a n ，或者说如何使存储 设备接入到网络中成为问题的关键。为了解决这一问题，i e t f 提出两种方 哈尔滨l i 稃大学硕十学何论文 案：一个是管道化的光纤通道技术，即f ci p 协议。f ci p 用t c p i p 封装f c 帧，即光纤通道( f c ) 控制信息和数据放入p 包，然后通过连接基于口的网络 把包传送到另一个远程的s a n 或者请求数据的客户。口包在m 网上是在一个 通道内移动的，这就需要建立连接存储资源和网络的高架桥。高架桥是一种 设备，它管理存储设备之间数据传送连接。高架桥将数据帧转换成口包，然后 放入口网中传输，它还为远地的存储、备份或镜像提供将接收到口包转换成 数据帧的服务。f c1 t 技术提供了f cs a n 层上的p 服务，但是在存储局域网 内部仍然要求使用f c 技术。 f ci p 技术并没有实现全部的m 化，我们希望在s a n 内部也能采用口网 络。i e t f 提出了另一个方案即i s c s i 技术来实现服务器和存储设备间的数据也 通过了p 传送，实现真正的口化的存储局域网。利用i s c s i 技术可以在口层 上传输本地s c s i ，这样可以把s c s i 控制信息和数据存储在访问w a n 的任何 地方，或者如果数据在i n t e r n e t 传输，就可以存储在能访问i n t e m e t 的地方 s l 。 此方案使存储局域网内部也可以使用我们所熟悉的网络架构，降低了成本和复 杂性，增加了可管理性，可扩展性也大大提高。 i s c s i ，即i n t e m e ts c s i ，作为一种新的联网标准，有着巨大的应用潜力。 s c s i 是一个普通使用存储的设备的工业标准协议，通常用来连接存储设备和开 发系统的计算机，数据传输以块方式进行。i s c s i 最初由m m 和c i s c o 共同 起草，后来为了使其标准化，t f 成立了i p s ( i ps t o m g e ) d x 组专门负责通过口 传输存储信息的技术【9 】。i s c s i 是一个供硬件设备使用的可以在口协议上层运 行的s c s i 指令集。简单地说，i s c s i 可以实现在d 网络上运行s c s i 协议，使 其能够在诸如高速千兆以太网上进行路由选择，这就使行通过标准t c p 网 络从全球的任何地方都可以访问存储设备和局域网可成为可能。 基于i s c s i 的存储网络结构如图1 4 所示。在存储系统中，既有基于光冠 通道的f cs a n ，也有直接到网络上的i s c s i 存储设备。值得注意的是，在这 样一个网络中，客户机和服务器都需要是i s c s i 的，或者说需要有s c s i 控制 器并且有打包和拆分s c s i 命令和数据的能力。 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 i s c s i 服务器 图1 4 基于i s c s i 的存储网络 妒存储的另一个方面是实现存储设备的p 化，即一个存储设备可以直接 挂到网络的任何一个地方上并被服务器和客户所用，它甚至远离服务器千里之 外。这样存储网络就不仅局限于局域网，也可以在广域网上得到延伸。利用 i s c s i 技术，就可以做到这一点。 f cs a n 是在i s c s i 标准产生的前4 年出现的存储区域网架构，并且随着 光纤交换机价格的下调，f cs a n 开始应用于低端。因为采用的是2 g b 的光纤 连接方式，在整个系统性能方面超越i ps a n ，在用户访问时非常快捷。光纤网 络存储的组建也非常灵活，只要有通光纤的地方，都可以将其应用的服务器通 过光纤进行连接，做到真正的数据大集中。由于光纤性能较高，在其运行过程 中稳定性较好。f cs a n 也存在很多缺点。成本高是f cs a n 最大的缺点。光 纤交换机、h b a 光纤卡、光纤硬盘等设备都比较昂贵。另一个问题是它与应用 网络的异构性，这种异构性使得占市场大多数的中低端客户，因面对相对陌生 复杂的f c 技术望而却步。f cs a n 多半需要特定的工具软件来操作管理，所以 需要对人员进行一定时间的教育训练，而且费用不低。由予f cs a n 受它的物 理机理决定，它无法使存储设备随它在i n t e m e t 上运行，从而无法满足应用前 端对存储数据“无时不有、无处不在 的要求。f cs a n 的物理覆盖有限，不 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 超过5 0 公里，这样容易形成存储孤岛。由于标准的不统一，f cs a n 还存在设 备的兼容性问题。 f cs a n 是目前采用最广泛的一种存储技术，而i s c s i 存储技术实际上是 针对f cs a n 存储技术的缺点进行改进，它主要具有以下几方面明显的特征及 优势。 i s c s i 所使用的适配卡、交换机和缆线这些产品的价格比f cs a n 所选用 的硬件产品价格要低，并且i s c s i 可以在现有的网络上直接安装，并不需要更 改企业的网络体系，这样就大量节约资金投入。i s c s is a n 透过口网络来传输 数据及分配存储资源，所以只要使用网络现有的管理功能即可，比较起来，管 理门坎及维护成本更低。由于i s c s is a n 是一种基于p 网络的存储技术，它 会随着p 网络的延生而将存储距离不断扩大，因此i s c s is a n 是无距离限制 的。由于i s c s is a n 存储系统可以直接在现有的网络系统中进行组建，并不需 要改变网络体系，加上运用交换机来连接存储设备，对于需要增加存储空间的 用户来说，只需要增加存储设备就可完全满足，因此，i s c s is a n 存储系统的 可扩展性高。理论上i s c s is a n 的速度可达1 g b ，虽然速度仍比不上f cs a n 的2 g b ，但效能上已超越大部分的n a s 。随着因特网的