（计算机系统结构专业论文）统一存储网中附网存储关键技术的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 4 ，在分析了现有网络存储技术的基础上，设计了一种既有n a s 和s a n 技术优点、 1 又充分体现i p 网络存储技术优势的统一存储网( u s n u n i f i e ds t o r a g en e t w o r k ) 的新技术。其中如何实现s a n 和n a s 的融合是统一存储网中的关键技术。f 而设计 势实现了一个统一存储网中的多功能n a s 是统一存储网项目的一部分。 与存储区域网( s a n ) 相比，n a s 提供文件级而s a n 提供数据块级的服务。i p 存储技术既利用以太网的成熟技术，同时又保留光纤通道或类似存储协议的高效率 和高性能。在深入研究了基于p 的网络存储技术后，针对s a n 和n a s 的优缺点， 设计了种结合n a s 和s a n 优点的新的统一存储网技术。i 集群技术、直接访问文件系统( d a f s ) 、网络数据管理协议( n d m p ) 是现有 的提高n a s 系统性能和可扩展性的几个新技术在深入分析网络存储技术特别是附 网存储技术的原理和结构后，研究了统一存储网下应用集群技术来提高n a s 的高可 用性，以及研究了直接访问文件系统如何实现n a s 的高性能。 硬件优化、文件系统及管理软件、基于w e b 的管理、异构环境数据共享以及数 据备份等问题是多功能附网存储系统设计的关键。研究并设计实现了一个具体的多 功能附网存储服务器，包括硬件设计、软件设计和关键模块的详细设计。最后详细 的给出了网络管理、用户管理、目录共享管理、光盘镜像管理等功能模块的程序设 计和实现。 关键字：计算机存储系统j 体系结构，统一存储网，、存储区域网，附网存储 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t an e wn e t w o r k s t o r a g et e c h n o l o g yi sd e s i g n e dw h i c hi n c l u d e ss t r o n g p o i n to fn a s a n ds a n t e c h n o l o g y b a s e do n a n a l y s i n g m a i n s t r e a mn e t w o r k s t o r a g e t e c h n o l o g i e s r e s e r c hk e yt e c h n o l o g yo fu n i f i e ds t o r a g en e t w o r k s a na n dn a s c o n v e r g e n c e t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f m u l t i f u n c t i o nn e t w o r k a t t a c h e ds t o r a g e s e r v e ri si m p o r t a n t p a r to f u s n n a sa n ds t o r a g ea r e an e t w o r k s ( s a n ) a r et w op r o v e n a p p r o a c h e st on e t w o r k i n g s t o r a g e ，n a sp r o v i d e sf i l el e v e ls e r v i c ea n ds a np r o v i d e sd a t ab l o c kl e v e ls e r v i c e s a n a n dn a sc o n v e r g e n c ei sat r e n d t e c h n i c a l l y ，i n c l u d i n gaf i l e s y s t e m i nas t o r a g e s u b s y s t e md i f f e r e n t i a t e sn a s ，w h i c h h a so n e ，f r o ms a n ，w h i c hd o e s n t c l u s t e r , d a f s ，n d m pa r e s e r v e r a ln e wt e c h n o l o g i e st h a tu s e dt o i m p r o v e p e r f o r m a n c ea n ds t a b i l i t yo fn a s s y s t e m f i r s t - g e n e r a t i o ns o l u t i o n sc o n v e r g es a n a n d n a ss t o r a g eb yu s i n gan a sd e v i c ea sag a t e w a yt oas a n - b a s e ds t o r a g e s y s t e m i m p l e m e n t su n i f i e ds a na n dn a sb yb u i l d i n gb o t hs t y l e so fp r o t o c o l si n t oas i n g l e ， i n t e g r a t e ds t o r a g es o l u t i o n a n a l y s ec l u s t e rh o wt o i m p r o v ep e r f o r m a n c e o fn a s s y s t e m a n dd a f s h o wt 0r e a l i z eh i g h s c a b i i l i t y o p t i m i z e dh a r d w a r e ，o p e r a t i n gs y s t e ma n ds o f t w a r e ，w e b b a s e dm a n a g e m e n t ， c r o s s p l a t f o r md a t as l l a r i n g ，a n dd a t ab a c k u pa r ei s s u e sa b o u tn a s t e c h n o l o g y i t sm o r e i m p o r t a n tt ob u i l ds t o r a g en e t w o r ku s i n gn a st oa n s w e rt h ec h a l l e n g eo fs c a l a b i l i t y ， h i g hp e r f o r m a n c e ，h i g ha v a i l a b l ea n dm a n a g e a b l ef o rh u g ea p p l i c a t i o n s t h ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o no fan a sd e v i c e ，m u l t i f u n c t i o nn e t w o r k - a t t a c h e ds t o r a g es e r v e ri s d i s c u s s e di nd e t a i l s ，a n dt h er e l a t e di s s u e sa r ei n t r o d u c e do ne m p h a s i s ，e s p e c i a l l yt h e t e c h n o l o g yo f n e t w o r k a t t a c h e dc dr e c o r d e ra n dm i r r o r , d i r e c t o r y - s h a r e dm a n a g e m e n t e t c k e yw o r d s ：s t o r a g es y s t e m s ，a r c h i t e c t u r e ，u n i f i e ds t o r a g en e t w o r k ，s t o r a g ea r e a n e t w o r k ( s a n ) , n e t w o r k a t t a c h e ds t o r a g e ( b i a s ) 华中科技大学硕士学位论文 1绪论 本章首先介绍了网络存储技术面临的挑战，网络存储技术的发展现状和趋势 提出了本课题的研究目的和意义。 1 1 网络存储系统面临的挑战 随着信息社会的发展，越来越多的信息被数据化，尤其是伴随着i n t e m e t 的发 展，数据呈爆炸式增长。因而在未来几年内，存储技术将成为令人瞩目的一个市场。 据i d c 预测，1 9 9 9 年，世界范围的存储服务市场为2 1 0 亿美元；而2 0 0 3 年，更将 达到4 0 0 亿美元以上。基于i n t e m e t 的应用比如电子商务、数据库、电子邮件和客 户关系管理等将成为存储服务的主要市场，因为他们都需要对海量数据的快速访问。 对作为信息提供源的海量存储系统而言，现有技术受到空前的挑战。信息内容的 丰富和多媒体化对容量产生巨大的需求；巨大数量的用户群及响应时间的要求对性 能提出苛刻的要求：2 4 小时3 6 5 天不间断的运行要求系统具有极高的可用性；信 息量持续不断的增加要求系统具有良好的可扩展性。 1 2 网络存储技术的发展和趋势 随着计算模式从集中式转变为分布式，特别是客户机服务器模式 ( c 1 i e n t s e r v e r ) 的采用，对共享存储器的要求变得更加迫切。服务器与存储设备 的传统连接方法是服务器到存储设备之间通过总线相连接，比如采用s c s i 总线“。 以发展的眼光来看，这不论对连接密度还是服务器和存储设备之间带宽的扩展都是 一种严重的限制。 传统的存储体系结构是存储设备通过诸如i d e s c s i 等i o 总线与应用服务器 相连，客户机经过服务器i o 总线访问相应的存储设备，所有数据都要通过服务器 进行存储转发b 1 。当客户连接数增多时，i o 总线将会成为一个潜在的瓶颈，并且 影响服务器本身的性能。 网络存储技术越来越受到网络服务提供商和服务器生产商的重视。因为现在千 兆或者千兆以上的网络传输技术已经逐步地得到应用和普及，网络的带宽不再是大 家最担心的问题，如何对网络中的存储设备进行管理，选取何种存储方案，选取何 华中科技大学硕士学位论文 种存储设备才是人们关注的焦点。一些新的存储体系和方案不断出现，存储技术也 日益分化为：直接连接存储，附网存储和存储区域网h 1 。直接连接存储即将存储设 备通过s c s i 接口或光纤通道直接连接到一台计算机上：n a s ( 网络连接存储) 即 将存储设备通过标准的网络拓扑结构( 例如以太网) ，连接到一群计算机上；s a n ( 存储区域网络) 通过光纤通道连接到一群计算机上。在该网络中提供了多主机连 接，但并非通过标准的网络拓扑。图1 1 展示了存在于一个计算机网络中的3 种类型 的存储系统。 图1 1 网络存储的结构 l2 1 直接连接存储( d a s ，d i r e c t a t t a c h e ds t o r a g e ) 存储设备通过一个服务器连接在网络上，存储设备与服务器之间通过传统的i o 总线通信。客户机如需要访问存储器的数据，首先必需给文件服务器发送一个请求 消息，文件服务器解析这个请求并给存储设备发送访问消息，存储器访问数据并发 送至文件服务器的内存，最终由服务器把数据传给客户机。 这种结构扩充存储容量的方法是为服务器增加更新、更快速的磁盘，如服务器 上可供挂接的驱动器接口已满，就只有考虑另买一台昂贵的服务器来扩容了，而随 2 华中科技大学硕士学位论文 之而来的是响应时间变长，复杂性，维护及管理负载增加，以及数据可用性的问题。 这种结构的最大缺点是，客户机访问的所有数据都必须通过通用文件服务器存储转 发，严重占用了服务器的内存，c p u ，i o 总线等系统资源，并产生严重的i o 瓶颈。 1 2 2 附网存储( n a s ，n e t w o r k a t t a c h e ds t o r a g e ) 附网存储服务器( n a s ) 是一种可以直接接到网络上的提供数据和文件服务的存 储设备h 】。n a s 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，它去掉了通用服务器原有的不适用的大多数计算功能， 而仅仅提供文件系统功能，用于存储服务，大大降低了存储设备的成本；专门优化 了系统硬软件体系结构，多线程、多任务的网络操作系统内核特别适合于处理来自 网络的i 0 请求，不仅响应速度快，而且数据传输速率也很高：另外，它具有较好 的协议独立性，支持多操作平台的数据访问，客户端也不需要任何专用的软件，安 装简易，甚至可以充当其它机器的网络驱动器，可以方便的利用现有的管理工具进 行管理。 n a s 设备采用“以数据为中心”的结构模式，大大优予以服务器为中心的模式。 在这种新的存储结构中，存储系统不再通过i 0 总线附属于某个特定的服务器或客 户机，而是通过网络接口与网络直接相连，由用户通过网络访问。与附属于服务器 的存储系统相比，附网存储系统具有非常好的可扩展性，并且由于数据不再通过服 务器内存转发，数据直接在客户机和存储设备间传送，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哺3 。另外，对服务器的要求降低，可大 大降低服务器成本，这样就有利于高性能存储系统在更广的范围内普及应用。 1 2 3 存储区域网( s a n ，s t o r a g ea r e an e t w o r k ) 存储区域网是一种利用f i b r ec h a n n e l 等存储协议连接起来的可以在存储资源和 服务器之间建立直接的数据连接的高速计算机网络n 引。与l a n 不同的是s a n 针 对存储进行了优化，通常使用专用的存储协议，比如s c s i ，而不是l a n 使用的诸 如t c p i p 之类的通信协议。 光纤通道把多个存储设备和和服务器连接在一起形成一个存储区域网，存储设 备可以共同构成一个存储池。存储设备和服务器都可以很方便的添加到网络中去， 华中科技大学硕士学位论文 具有较好的可扩展性凹叫。存储设备从服务器分离出来，与服务器形成一个多对 多的关系，存储设备上的数据容易被其它服务器共享，存储设备之间的数据迁移也 变得很容易。采用存储区域网，数据的备份，恢复，迁移都是通过存储区域网本身 来完成，而不需要借助于服务器和现有的l a n w a n ，大大减少了现有服务器和网 络的工作负载。由于采用的是具有高带宽的光纤通道，所以整个存储网络具有较高 的数传率，数据访问性能较好，另外存储设备都集中在一个网络上，便于管理，节 省了管理开销。适用s a n 的关键应用包括：备份、存储池、数据共享、数据迁移、 远程存储等“”。 12 4i p 存储( i ps t o r a g e ) i p 存储技术是最引人注目的网络存储新技术之一。它的目的是既利用以太网的 成熟技术，同时又保留光纤通道或类似存储协议的高效率和高性能 。随着s a n 和n a s 技术的发展和成熟。许多业内专家都在考虑如何将两种技术的优势融合，在 技术上，s a n 的缺陷主要在成本商，系统复杂度高，这些都是由于采用光纤通道技 术造成的。但是，s a n 的最大优势性能，也得益于光纤通道技术。从另外一个 角度讲，n a s 产品之所以成本低，系统复杂度低，就是因为采用了以太网这种成熟 技术。如何既利用以太网的成熟技术，同时又保留光纤通道或类似存储协议的高效 率和高性能，这就是i p 存储技术的最主要目的。 由于既有的成熟性和开放性，i p 存储技术使企业在制订和实现“安全数据存储” 的策略和方案时，有了更多的选择空间钔。例如远程的数据备份、数据镜像和服 务器集群等领域，口存储的介入都可以大大丰富其内容。同时，i p 存储也消除了企 业i t 部门在设计传统s a n 方案时，必须面对的产品兼容性和连接性方面的问题。 最重要的是，基于口存储技术的新型“s a n ”，兼具了传统s a n 的高性能和传统n a s 的数据共享优势，为新的数据应用方式提供了更加先进的结构平台。 与服务器直接连接的存储设备一般使用s c s 协议，因为s c s i 提供了高性能 ( 1 6 0 m b s ) 、低延迟和低c p u 占用率。使用网络连接存储系统时，除了要具有这些 优点以外，还应该具有网络管理灵活、扩展性、容易使用、长距离的优势，而这正是 t c p i p 的优势，两者的结合便产生了i s c s i 。 4 华中科技大学硕士学位论文 s c s i 由a d a p t e c 、c i s c o 、h p 、i b m 、q u a n t u m 等公司共同倡导，由i b m 下属的 两大研发机构一加利福尼亚a l m a d e n 和以色列h a l f a 研究中心共同开发。它提供 基于t c p 传输、将数据驻留于s c s i 设备的方法。i s c s i 并不改变传统标准通信方案 和网络基础架构的设置，但需要额外的千兆光纤以太网路由器及复杂的相关路由器 软件来支撑。i s c s i 定义了在t c p 层之上的s c s 协议的传输，即将主机的s c s 命 令封装成i p 包，在i p 网络上传输，到达目的节点后，再恢复成封装前的s c s i 命令， 从而实现s c s i 命令在i p 网络上的直接、透明传输“。”。由于t c p i p 网络技术和 应用的飞速发展，i p 网络的重要性越来越突出，有理由相信未来的网络将建立在 t c p i p 网络的基础上，i s c s i 的出现正是应映这一技术趋势。它整合了现有的存储 协议s c s i 和主流网络协议t c p i p 等两种主流协议，实现了存储和网络的无缝融合。 i $ c s i 使用t c p i p 流控制机制和发现机制；i s c s i 的协议栈如图1 2 所示 虚用崖 螺作系统 标准算s 工囱令集 i s c s i 屠 憎层 强 图1 2i s c s i 协议栈 s a n 架构需要高昂的建设成本，远非一般企业所能够承受。与之相对，n a s 技术 虽然成本低廉，但是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。i s c s l 的使用在以上两者之间架设了一道桥梁，基于i p 协议，却拥有s a n 大容量集中开放式存储的品质。i s c s l 的产生解决了开放性、容 量、传输速度、兼容性、安全性等问题，其优越的性能使其自发布之始便受到市场 的关注与青睐。 s 华中科技大学硕士学位论文 1 3 本文研究目的和主要内容 伴随着i n t e r n e t 的发展，数据呈爆炸式增长，对作为信息提供源的海量存储系 统而言，现有网络存储技术受到空前的挑战。作为两种近些年的新兴存储技术，n a s 和s a n 的热度随着市场中呈几何级数增长的信息数据存储需求而日益高涨。虽然它 们可以分别满足用户不同层面的应用需求而有着各自的发展空间，但它们各自的优 点却也恰恰对应了对方的缺陷。于是，n a s 和s a n 的融合是必然趋势。现实需求表 明，单纯采用s a n 或n a s 都难以让人满意。s a n 提供速度，n a s 提供由文件处理带来 的协作性，它们的结合将是非常完美的关键存储系统的解决方案。采用这种方案可 以很方便地扩展文件存储设备和磁带备份设备，众多服务器不需要购买昂贵的专用 文件管理系统，大大降低了整个系统的成本，并保护了用户的原有投资。 针对s a n 和n a s 的优缺点，以及i p 存储的优势，我们提出一种既有n a s 和 s a n 技术优点、又能克服两者缺点的统一存储网( u s n u n i f i e ds t o r a g en e t w o r k j 的新的存储技术。其基本原理是利用i p 互联设备构成s a n ，又通过s a n 中的交换 通道多路接入l a n 回路，形成一种广义的n a s ，存储设备都是商用的n a s 设备， 或通过转换桥将s c s i 和f c 设备转换为球接口，接入基于m 协议的s a n 。用户所 需的数据可不通过服务器而通过附网高速通道直接从存储设备给出，提高了相应性 能( 具有n a s 的优点) ，也可以送到服务器处理后转发给客户机。由于其中又包含 s a n 结构，在数据备份、数据迁移、灾难恢复方面就具有s a n 的优点。另外，由 于采用的是i p 协议，与l a n 和i n t e r n e t 的连接是无缝的，远程备份十分方便。 本论文是基于国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 项目“存储虚拟化及其文 件系统的研究”( 2 0 0 1 a a l l l 0 1 1 ) 和国家自然科学基金项目“统一存储网( u s n ) 理论、结构与实验研究”( 6 0 1 7 3 0 4 3 ) 的研究。 附网存储技术作为网络存储技术的主流之一，显示出越来越强的生命力，得到 了广泛的应用。在统一存储网的架构下如何发展和改进现有的n a s 附网存储技术是 本文的主要内容。集群技术、直接访问文件系统( d a y s ) 、网络数据管理协议( n d m p ) 是现有的提高n a s 系统性能和扩展性的几个新技术本文研究的目的，就是深入分 析网络存储技术特别是附网存储技术的原理和结构，研究统一存储网下n a s 相关应 6 华中科技大学硕士学位论文 用的关键技术。随后本文设计了一种具体的多功能附网存储服务器。 第一章主要介绍了目前国内网络存储技术的发展和现状。第二章对网络存储技 术和统一存储网的体系结构及关键技术进行了详细的研究和分析。第三章深入分析 统一存储网中附网存储部分的的关键技术，研究了d a f s 和集群技术在附网存储中 的应用。第四章分析了附网存储系统设计的关键技术，详细的给出了统一存储网中 的多功能附网存储服务器的体系结构和软硬件设计。第五章详细的给出了这个多功 能附网存储服务器的程序设计和实现。第六章总结了全文，并提出了需要改进的地 方和下一步工作的一些想法。 7 华中科技大学硕士学位论文 2 统一存储网技术研究 存储区域网( s a n ) 和附网存储( n a s ) 技术是发展比较成熟的网络存储技术， 已经得到了广泛的应用，本章在分析和对比了s a n 和n a s 技术的优劣之后，在深 入分析i p s a n 网络存储技术的基础上，给出了一种新的网络存储技术一一统一存 储网( u s n u n i f i e ds t o r a g en e t w o r k ) 的设计。这种技术既有n a s 和s a n 技术 优点、又充分体现i p 网络存储技术优势。其中如何实现s a n 和n a s 的融合是统一 存储网中的关键技术。而设计并实现了一个统一存储网中的多功能n a s 是统一存储 网项目的重要组成部分。其中如何实现s a n 和n a s 的融合是统一存储网中的关键 技术。 2 1 存储区域网( s a n ) 技术分析 存储区域n ( s a n ) 是是一种利用f i b r ec h a n n e l 等存储协议连接起来的可以在存 储资源和服务器之间建立直接的数据连接的高速计算机网络。这种网络采用高速的 光纤通道作为传输媒体，以光纤通道协议和s c s i 协议作为存储访问协议，将存储 子系统网络化，实现真正的高速共享存储。s a n 消除了服务器的许多i o 处理瓶颈， 适合大数据量传输、实时数据处理。s a n 提供了管理企业现存和将来存储需求的突 破性技术，很多企业已经采用这种前沿技术，或者正在从传统的s c s i 技术向s a n 转化。 s a n 是一种类似于l a n 的高速网络，用来在存储单元与客户端之间建立直接 的高速数据连接。与l a n 不同的是s a n 针对存储进行了优化，通常使用专用的存 储决议，比如s c s i ，而不是l a n 使用的各种通信协议。所谓存储局域网首先它是 一个网络，这个网络可以把各种不同平台的服务器、工作站、客户机，不同的存储 设备，比如磁盘阵列、磁带、光盘塔等方便的连接在一起，它改变了传统的附属于 特定服务器的存储中存储设备为某一个服务器专用的模式，这使存储设备从特定的 服务器解脱出来成为自由的存储设备，可以把存储设备通过一些网络设备与网络直 接相连。存储局域网消除了附属于服务器模式中的存储瓶颈，大大提高了存储系统 的访问性能。实际上，存储局域网与其它的网络没有什么太大的区别，它在本质上 8 华中科技大学硕士学位论文 就是一个存储子网，只不过它不象以太网、f d d i 等等使用的是各种网络通信协议， 如t c p 1 p ，它使用的是专门对存储进行了优化的s c s i 协议。 s a n 是一种可扩充的存储总线，存储局域网把传统的i o 总线的概念延伸到了 网络，所以存储局域网又可以看作种扩展存储总线，当然这个总线的速度比传统 的i 0 总线要高几个数量级，与传统的以太网，a t m 一样，存储局域网也可以用 h u b ，s w i t c h e s ，b r i d g e s ，g a t e w a y 等网络设备进行互连，当然这里这些设 备是专门为存储局域网设计的，和以太网上的那些是不一样的，只不过功能差不多 而已。 s a n 由于其极好的灵活性、可扩展性、较好的性能、可用性、以及易于管理、 可靠性强等诸多优势，在动态视频、图形处理等多媒体应用、数据库查询、数据挖 掘、群集构造、数据备份、磁盘镜像、灾难恢复等方面获得了广泛的应用。 通常s a n 的接口采用光纤通道，而不是以往的以太网，令牌环之类的连接技 术。光纤通道的采用使得数据传输具有很高的速度，光纤通道是在s c s i 2 的基础上 发展而来的一种s c s i 协议。由于它的出现，使得原来s c s i 数据传输2 5 m ( 差分方 式) 的限制变为l o 公里，这样用户不仅可以利用它来构造本地的存储局域网，还可 以用来构造更大范围的存储局域网。 2 2n a s 与s a n 的融合 目前网络存储技术的两种主流技术是n a s 和s a n 。n a s 向客户提供的是文件级的 服务，存储设备上的块数据经过n a s 上的文件系统之后被组合成文件，再经过网络 到达客户机。目前采用的协议有两种：n f s 和c i f s 。其中n f s 应用在u n i x 环境下， 而c i f s 应用在n t w i n d o w s 环境下。n a s 的结构及采用的协议使其具有以下优点： 异构平台下的文件共享，充分利用现有的l a n 网络结构，安装、使用、管理都很方 便，可以适应复杂的网络环境，较低的总拥有成本。但n a s 也有其缺陷：由于文件 的读写请求要经过整个t c p i p 协议栈和文件系统，故文件访问的速度较低，需要占 用l a n 的带宽，不易进行资源整合。目前n a s 的主要应用异构环境下的数据访问、 数据迁移、文件共享等场合。 s a n 采用f c 或i p 协议。向应用服务器提供数据块i 0 服务，是一个专用的存储网 9 华中科技大学硕士学位论文 络。s a n 具有如下优点：高性能、高速存取，高可用性，集中存储和管理，有良好的 可扩展性。目前主要用于整合存储和服务器资源、数据库应用、在线事务处理等低 延迟等场合。 要实现将n a s 和s a n 融合起来，可以采用两种方式，一种是基于n a s 网关的方 式，这种方式是采用“n a sg a t e w a y ”的结构。附网存储网关( n a sg a t e w a y ) 提供 了n a s 的功能，但没有集成的磁盘，它主要不是作为存储设备，而是完成i o 的定 向，它是用一个s a n 作为自己后端的存储池，可以提供文件级和块级的i 0 ，其结 构如图2 1 所示。它从网络上接收基于“文件i o ”的请求，转换成基于“块i o ” 的请求，发送到外接的磁盘系统上。相对于n a s ，存储网关提供更多的磁盘存储选 择，更大的可扩展性，更好的磁盘系统投资保护，并在同网络上提供了“文件i o ” 和“块o ”的数据共享，从而将n a s 和s a n 融合在一起。 图2 1 基于n a s 网关的b i a s 和s a n 融合结构 另一种方式则是采用在n a s 服务器中来实现一个存储虚拟化层，在其之上同时 提供文件服务和数据块级服务。s a n 虽然数据存取速度快，但其点到点之间光纤通 道的1 0 公里最大距离限制还是让独立的s a n 网络有了局限性，n a s 的i p 网络正 好可以弥补这种不足。借助于1 0 g 以太网技术，f c i p ( 通过i p 网络发送光纤通道 命令) 的方法已然成为了现实，这与i s c s i 标准的原理相同。网络存储的概念只有 同时涵盖了n a s 和s a n 时，才具备了存储和网络集中化的全部精华。现实需求表 l o 华中科技大学硕士学位论文 眵j ，单纯采用s a n 或n a s 都难以让人满意。s a n 提供速度，n a s 提供由文件处理 带来的协作性，它们的结合将是非常完美的关键存储系统的解决方案。 2 3i p s a n 存储技术 i p 存储技术既利用以太网的成熟技术，同时又保留光纤通道或类似存储协议的 高效率和高性能。它是目前最引人注目的网络存储新技术之一。i p - s a n 存储技术将 s a n 中专用的光纤通道换用i p 网络来实现网路存储。方面它采用t c p f l p 作为网 络协议，具有n a s 易于访问的特点，另一方面它又有s a n 的专用存储网络架构。 基于光纤通道的s a n 和i p - - s a n 的结构对比如图2 2 所示。 图2 2 光纤通道的s a n 和口一s a n 的结构对比 与光纤通道不一样的是，i p 不能确保每个信息包从出发地到目的地的准确传 送。然而s c s i 却需要数据信息包不仅要到达目的地，而且还要精确地按照它们从出 发地发送的次序到达。因此，如果你想要在i p 网络上面发送s c s i 存储信息包，就 必须设计一些方法来确保满足s c s i 协议的数据传输要求。对于大范围的应用，为满 足s c s i 协议的要求并且达到与光纤通道相比拟的性能，其中要做的工作对i p 存储 厂商是一个重大的挑战。例如，为了实现i s c s i 的商性能要求，大部分的协议处理 代码需要采用专用的硬件，这可不是一项轻松的任务。而且，与光纤通道一样，厂 华中科技大学硕士学位论文 商还必须确立i p 存储传输编码和解码的标准方法，并且还要避免那些已经给光纤通 道方案带来无尽烦恼的互操作性问题 。 但是，我们也应当看到它存在着一些先天不足。首先，i s c s i 封装的是s c s i 协 议，与其他的存储协议如f c 协议不兼容，因此与目前流行的f cs a n 的融合问题 还没有解决。其次，从广域网来说，速度仍不理想。如果i s c s i 能够解决在l p 网络 上占用过多带宽的限制，并有效实施差错控制，届时i p 存储将成为存储领域最具希 望的发展方向。此外，i s c s i 相关技术和产品正处于发展阶段，用户可选择的余地 较小。因此，i s c s i 的发展空间很大，只是个时间的问题。但它不会取代光纤通道 技术，i s c s i 对于数据库方面的延时以及速度上还无法保证。而这一点光纤通道技 术很有优势。光纤通道技术相对成熟，它也在向前发展，其实是二者有不同的优势， 不存在谁会取代谁的问题。近一段时间里，存储和网络厂商的注意力主要集中在i p 存储技术的两个方向上存储隧道( s t o r a g et u n n e l i n g ) 和本地i p 存储( n a t i v e i p b a s e ds t o r a g e ) 。 2 3 1 存储隧道技术 存储隧道技术是将m 协议作为连接异地两个光纤s a n 的隧道，用以解决两个 s a n 环境的互联问题。光纤通道协议帧被包裹在i p 数据包中传输。数据包被传输 到远端s a n 后，由专用设备解包，还原成光纤通道协议帧。由于这种技术提供的是 两个s a n 之间点到点的连接通信，从功能上讲，这是一种类似于光纤的专用连接技 术。 f c l p 被提议为通过现有的i p 网络连接光纤通道s a n “孤岛”的一种标准方法。 f c i p 还可用来克服光纤通道目前存在的距离限制因素，能够跨越大于光纤通道支持 的距离连接s a n 孤岛。f c i p 具有实现纠错和检测的优点：即如果p 网络错误率高 的话，它就重试。这是在一条低性能、高错误率的球网络上连接s a n 的理想途径。 f c i p 协议将光纤通道指令压缩为i p 包，f c i p 协议允许独立的s a n 环境通过i p 网络互联在一起。每个s a n 采用标准f c 寻址，在f c i p 的端点之间建立i p 隧道( 或 网关) ，一旦隧道建立，扩展的f c 设备将被视为标准的f c 设备，并予以f c 寻址。 华中科技大学硕士学位论文 典型的应用是在一个f c i p 端点上连接两个或更多架构在标准i p 网络之上的f c 交 换机，通过内部交换链路与先前的s a n 光纤环路相结合。 另一方面，虽然i p 网络技术非常酱及，其管理和控制机制也相对完善，但是， 利用i p 网络传输的存储隧道技术，却无法充分利用这些优势。其原因主要在于，嵌 入i p 数据包中的光纤通道协议帧，i p 网络智能管理工具不能识别这些数据，这使 得一些很好的管理控制机制无法应用于这种技术，如目录服务、流量监控、o o s 等。 因此，企业i t 部门的系统维护人员，几乎不可能对包含存储隧道的网络环境，进行 单一界面的统一集中化管理。 在最新的i p 存储协议中，i f c p 介于前面介绍的两种协议之间，如同f c i p ，i f c p 将f c 帧压缩，采用通用f c 压缩格式，通过i p 架构进行传输，与前两种协议的主 要区别在寻址模式。f c i p 协议是在两个s a n 之间通过以太网建立点到点的隧道， 构成一个统一的s a n 环境。与之相对应的是i f c p 在f c 与i p 之间建立网关到网关 的连接，使f c 帧可以路由到正确的目的地址。与f c i p 协议寻址方式不同的是目前 的i f c p 寻址模式是它可以允许每一个互联的s a n 都拥有自己独立的命名空间。 总之，存储隧道技术，借用了一些i p 网络的成熟性优势，但是并没有摆脱复杂 而昂贵的光纤通道产品。 2 3 2 本地i p 存储技术 这一技术是将现有的存储协议，例如s c s i 和光纤通道，直接集成在i p 协议中， 以使存储和网络可以无缝融合。这是指在传统的s a n 结构中，以i p 协议替代光纤 通道协议，来构建结构上与l a b 隔离，而技术上与l a n 一致的新型s a n 系统i p s a n 。这种i p s a n 中，用户不仅可以在保证性能的同时，有效地降低成本，而且， 以往用户在i p l a n 上获得的维护经验、技巧都可以直接应用在i p s a n 上。 与存储隧道技术相比，本地i p 存储技术具有显著的优势。首先，一体化的管 理界面，使得i p s a n 可以和口网络完全整合。其次，用户在这一技术中，面对的 是非常熟悉的技术内容：职协议和以太网。而且，各种d 通用设备，保证了用户 可以具有非常广泛的选择空间。事实上，由于本地口存储技术的设计目标，就是充 分利用现有设备，传统的s c s i 存储设备和光纤存储设备都可以在i p s a n 中利用起 华中科技大学硕士学位论文 来。 本地i p 存储技术，更进一步地模糊了本地存储和远程存储的界限。在i p s a n 中，只要主机和存储系统都能提供标准接口，任何位置的主机就都可以访问任何位 霞的数据，无论是在同一机房中，相隔几米，还是数公里外的异地。访问的方式可 以是类似n a s 结构中，通过n f s 、c i f s 等共享协议访问，也可以是类似本地连接 和传统s a n 中，本地设备级访问。随着带有i p 标准接口的存储设备的出现，用户 可以单纯使用本地i p 存储技术，来扩展已有的存储网络，或构建新的存储网络。以 千兆以太网甚至万兆以太网为骨干的网络连接，保证了本地i p 存储网络，能够以令 人满意的效率工作。本地i p 存储技术包括i f c p 和i s c s i 技术。 i f c p 是一项在t c p i p 网络上传送光纤通道传输流的标准n 8 _ 如。作为网关的 i f c p 在使用户可以将光纤通道r a i d 阵列、交换机和服务器连接到i p 存储网络上 的同时，保护了基础设施的投资。i f c p 运行时将光纤通道数据封装在i p 包中并将 i p 地址映射到不同的光纤通道设备上。每一台光纤通道设备在i p 网络上都有自己 的身份标识，因此它可以单独地向p 网络中其他节点发送存储流和接收来自其他节 点的存储流。i f c p 在网关终结光纤通道信令，然后在i p 网络上传送存储传输流， 突破了传统光纤通道距离只能达到6 2 英里的限制。当本地设备需要访问远程设备 的时候，它将一个f c 帧发送到远程设备的本地f c 地址中，这个帧到达本地的i f c p 入口，并将其压缩成i p 包，再转发到远程的i f c p 入口。远程入口再解包并发送到 目的设备上。 i s c s i 协议定义了在t c p i p 网络发送、接收b l o c k ( 数据块) 级的存储数据的 规则和方法。发送端将s c s i 命令和数据封装到t c p i p 包中再通过网络转发，接收 端收到t c p i p 包之后，将其还原为s c s i 命令和数据并执行，完成之后将返回的s c s i 命令和数据再封装到t c p i p 包中再传送回发送端旺们。而整个过程在用户看来，使 用远端的存储设备就像访问本地的s c s i 设备一样简单。支持i s c s i 技术的服务器和 存储设备能够直接连接到现有的i p 交换机和路由器上，因此i s c s i 技术具有易于安 装、成本低廉、不受地理限制、良好的互操作性、管理方便等优势旺。2 0 0 多家开 发i s c s i 解决方案的公司的影响以及大量的已有i p 网络，将使i s c s i 能够对s a n 1 4 华中科技大学硕士学位论文 产生真正的影响。 目前可以考虑采用以下三种方式来实现i s c s im 1 2 引：( 1 ) 纯软件方式；采用通 用的以太网卡，如图2 3 ( a ) 所示，i s c s i 和t c p i p 协议栈功能层都由主机c p u 完成。由于采用的是标准的网卡，因此这种方式的硬件成本最低，但由于i s c s i 和 t c p i p 层功能都由主机c p u 完成，通过该网卡的即有网络通信量又有存储通信量， 随着这种通信量的增加，主机的运行开销就会大大增加，从而造成主机系统性能的 下降，严重时还可能使主机成为系统的瓶颈。( 2 ) 智能i s c s i 网卡实现方式：如图 2 3 ( b ) 所示，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娃”。和方式l 相比，部分降低了主机的运行开销。( 3 ) i s c s i h b a 卡实现方式：采用主机总线适配器的方式，i s c s i 层和t c p i p 协议栈功能均由 该主机总线适配器来完成。对主机的c p u 的需求最少，如图2 3 ( c ) 所示：相对主 机而言，就是一个标准的s c s i h b a ，因此可以很容易的移植到其他操作系统中去。 主机 操作幕境+ l v m t c p l p 协议檀 n i c 世鲁驱动层 通用网卡 主机 应用矗序 操作秉鲢4 - l v m s c s l 设鲁疆动层 i s c s l 设鲁曩动屡 i 宴时攥怍系统 t c p i p 协i 望栈 n i c 设鲁囊动屡i 智能i s c s i 网卡 主 机 应用程序 操作系统+ l v m s c s i 设鲁驱动层 实时量作系统 i s c s l 谩鲁驱动屡 t c p i p 协议栈 n i c 搜鲁驱动层 i s c s ih b a 卡 a 软件实现模式 b 智能i s c s i 罔卡实现方式 ci s c s ih b a - 实现方式 图2 3 i s c s i 的三种实现方式 2 0 0 3 年2 月1 1 日，i e t f ( i n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ，互联网工程任 务组) 通过了i s c s i ( i n t e r n e ts c s i ) 标准。目前。i p 网络的带宽发展相当迅速， 干兆以太网已经逐步普及，万兆网也在开始推动，在局域网范围内，带宽已不再成 为i s c s i 网络存储的瓶颈。i s c s i 还能极大降低构建网络存储系统的成本，企业可 以利用已有的存储设备，以t c p i p 协议建立网络存储环境，可以用i p 交换机取代 s a n 系统中造价昂贵的f c 交换机。基于t c p i p 协议的i s c s i 能很好地利用已有的 华中科技大学硕士学位论文 网络硬件和软件基础，实现开放性互连。i s c s i 具有低廉、开放、安全等诸多优点， 随着新技术标准的通过，必将成为网络存储领域内的核心技术之一。 2 , 4 统一存储网u s n 2 4 1 统一存储网的原理 n a s 技术直接将存储设备挂在网上，