（计算机应用技术专业论文）基于san的远程镜像系统的设计与研究.pdf

摘要 摘要 当代企事业单位的运营越来越依赖数据，一旦数据丢失，企事业单位的损失 可能会无法估量。怎样才能预防大规模的灾难事件带来的巨大损失是一个十分令 人关注的课题，从现在的技术发展情况来看，建立一整套远程容灾系统是可行性 相当高的方案之一。由于国内尚不能制造具备远程容灾能力的存储阵列，大多数 中小型企事业单位在价格昂贵的进口存储产品面前只能望而却步。所以，研究并 开发出实用、优质、性价比高的具备容灾能力的存储阵列有着较高的科研价值和 经济价值。 本文在研究和分析容灾技术、网络存储技术、备份技术、磁盘阵列技术的基 础上，设计并实现了一种基于s a n 的远程镜像系统。这个系统支持远程容灾功能， 并提供同步远程镜像和异步远程镜像两种模式，为用户不同的容灾需求提供相应 的解决方案。在详细描述了远程镜像系统的整体构架、读写处理原理、用户管理 机制、应用场景、功能特点和性能特点之后，本文又对系统各个模块的实现方式 和原理进行了深入的剖析。最后，本文给出了远程镜像系统的功能和性能测试报 告，在横向对比了国外同类产品的基础上，得出了远程镜像系统既拥有高可靠的 容灾能力又不会导致存储阵列性能下降的结论。 本文的结构为：第一章，讲述论文课题的背景、来源，分析国内外的研究现 状及本文的工作；第二章，介绍存储基本知识和主流技术；第三章，详细介绍m a x 8 0 0 0 存储系统；第四章，设计并实现基于s a n 的远程镜像系统；第五章，对远程 镜像系统进行功能测试和性能测试；第六章，总结全文。 具体来说，本文的工作主要有： 1 ) 设计并实现了基于s a n 远程镜像容灾系统。它不仅是一个数据级容灾系 统，保障数据的一致性和安全性，而且是一个应用级容灾系统，保证用户 业务的不间断性。 2 ) 研究并分析了各种存储技术，包括：远程容灾技术、网络存储技术、数据 备份技术、磁盘阵列技术、快照技术、双控制器技术等等。 3 ) 本文分别介绍了同步远程镜像和异步远程镜像的应用场景，为用户选择适 合自己需求的镜像模式提供了思路。 总而言之，该系统功能强大、性能卓越，作为国内自主研发并产品化的远程 摘要 镜像系统，拥有非同寻常的理论意义和实践意义。 关键词：存储域网络，容灾，远程镜像，快照技术 l i a b s t r a c t t h eo p e r a t i o no f m o d e mc o r p o r a t i o n sd e p e n d so nd a t aa st i m eg o e so i lt h el o s so f t h ei n f o r m a t i o nd a t aw i l ll e a dt oi m m e a s u r a b l ed a m a g ef o rt h e s ec o r p o r a t i o n s m o r ea n d m o r ep e o p l et a k ef o c u s0 1 1h o wt or e s i s tal a r g e s c a l ed i s a s t e re m e r g e n c y s of a r , b a s e o nc u r r e n ts i t u a t i o no f t e c h n o l o g i c a ld e v e l o p m e n t , t h eo n l yd o a b l es o l u t i o ni st os e t u pa s e to f r e m o t ed i s a s t e rr e c o v e r ys y s t e m s i n c ed o m e s t i cm a n u f a c t u r e r sa l en o ta b l et o p r o d u c es t o r a g ea r r a y sw i t hs u c hr e m o t ed i s a s t e rr e c o v e r yf u n c t i o n , m o s to f t h e m , e s p e c i a l l yf o rt h eo r d i n a r yo n e sd o n th a v et h ec o n f i d e n c e , w h e nf a c i n gi m p o r t e d s t o r a g ep r o d u c t s ，b e c a u s eo f i t sh i 出c o s t s o ，i th a sb o t hs c i e n t i f i ca n de c o n o m i cv a l u e t od e v e l o pas t o r a g ea r r a yw i t hp r a c t i c a l i t y , h i g l l - q u a l i t y , c o s t - e f f e c t i v ea n dd i s 嬲t c r r e c o v e r yc a p a b i l i t i e s b a s e do nr e s e a r c ha n da n a l y s i so fd i s a s t e rr e c o v e r y , n e t w o r ks t o r a g e s ，b a c k u pa n d d i s ka r r a yt e c h n o l o g i e s ，t h i st h e t i sd e s i g n sa n di m p l e m e n t so fas a n o r i e n t e dr e m o t e m i r r o r i n gs y s t e m t h es y s t e ms u p p o r t sr e m o t ed i s a s t e rr e c o v e r yf u n c t i o n , p r o v i d e sb o t h s y n c h r o n o u sa n da s y n c h r o n o u sm o d e so fr e m o t em i r r o r i n g i ta l s op r o v i d e st h eu s e r s 谢ma p p r o p r i a t ed i s a s t e rr e c o v e r ys o l u t i o n sf o rd i f f e r e n tr e q u i m e n t s a f t e rad e t a i l e d d e s c r i p t i o no fr e m o t em i r r o r i n gs y s t e m ，o v e r a l la r c h i t e c t u r e ，i op r o c e s s i n gp r i n c i p l e , m e c h a n i s mo fu s e rm a n a g e m e n t ，a p p l i c a t i o ns c e n a r i o s ，f u n c t i o n a la n dp e r f o r m a n c e f e a t u r e s ，t h et h e s i sg i v e sad e e pa n a l y s i st ot h ei m p l e m e n t i n gm e t h o da n dp r i n c i p l eo f e a c hc o m p o n e n ti n v o l v e di nt h es y s t e m f i n a l l y ，t h et h e s i sd e d i c a t e sar e p o r to n f u n c t i o n a l i t ya n dp e r f o r m a n c et e s t i n go f t h er e m o t em i r r o r i n gs y s t e m a f t e rah o r i z o n t a l c o m p a r i s o no fs i m i l a rp r o d u c t sa b r o a d ，t h et h e s i sm a k e sac o n c l u s i o n t h a tt h es y s t e m h a sh i 曲r e l i a b l ec a p a c i t yo fd i s a s t e rr e c o v e r y , a n dw i l ln o tr e s u l ti np e r f o r m a n c ed o w n o ns t o r a g ea r r a y s i nt h i sp a p e r , t h es t r u c t u r ea sf o l l o w s ：t h ef i r s tc h a p t e ra b o u tt h eb a c k g r o u n do f t h e s i st o p i c s ，s o u r c e s ，a n a l y s i sa n dr e s e a r c ha th o m ea n da b r o a dt h ew o r ko ft h i sp a p e r ； t h es e c o n dc h a p t e r , t h eb a s i ck n o w l e d g ea n di n t r o d u c et h em a i n s t r e a ms t o r a g e t e c h n o l o g y ；c h a p t e ri i i ，ad e t a i l e di n t r o d u c t i o nm a x 8 0 0 0s t o r a g es y s t e m s ；a r t i c l ef o u r c h a p t e r s ，t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h es a n - o r i e n t e dr e m o t em i r r o r i n gs y s t e m ； i i i 一一一 一 !望!兰!星!二一一 _ l _ _ _ - - - _ _ - l - _ _ - - _ - - _ _ l _ - - - _ _ _ - _ _ - _ _ - _ - _ _ _ l _ _ _ _ _ - - _ _ - - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ 一 c h a p t e rv o f t h er e m o t ei i 心o rs y s t e mf o rf u n c t i o n a lt e s t i n ga n dp e r f o r m a n c et e s t i n g ； t h es i x t hc h a p t e r , s u mu pt h ef u l lt e x t s p e c i f i c a l l y , t h ew o r ko f t h i st h e s i si sa sf o l l o w s ： 1 ) d e s i g na n di m p l e m e n t sar e m o t em i r r o r i n gs y s t e mw i t hc o n s u m m a t e d i s a s t e r r e c o v e r yf u n c t i o n i tc o u l db e c o n s i d e r e da sad a t ad i s a s t e rr e c o v e r ys y s t e m , e n s u r i n gd a t ac o n s i s t e n c ya n ds e c u r i t y i ta l s oc o u l da c ta sa na p p l i c a t i o n d i s a s t e rr e c o v e r ys y s t e m ，p r o t e c t i n gt h ed a t aw h i l ee n s u r i n gt h ec o n t i n u i t yo f a p p l i c a t i o ns e r v i c e s 2 ) r e s e a r c ha n da n a l y s i so fav a r i e t yo fs t o r a g et e c h n o l o g i e s ，i n c l u d i n g ：r e m o t e d i s a s t e rr e c o v e r y ，n e t w o r ks t o r a g ed a t ab a c k u p ，d i s ka r r a y , s n a p s h o t ，a n d d u a l - c o n t r o l l e rt e c h n o l o g y , e t c 3 ) i n t h i sp a p e r , i n t r o d u c t i o no fs y n c h r o n o u sa n da s y n c h r o n o u sr e m o t em i r r o r i n g a p p l i c a t i o no f r e m o t e m i r r o rs c 2 n e , i no r d e rt of i tt h e i rn e e d st h eu s e rt oc h o o s e am i r r o rm o d et op r o v i d eal i n eo ft h o u g h t i ns h o r t , t h es y s t e n lb o t hh a sp o w e r f u lf u n c t i o na n de x c e l l e n tp e r f o r m a n c e a sa o n s a l e sr e m o t em i r r o r i n gp r o d u c tw i t hi n d e p e n d e n tr & d i nc h i n a , i th a se x t r a o r d i n a r y t h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e k e y w o r d s ：s t o r a g e a r e an e t w o r k , d i s a s t e rr e c o v e r y , r e m o t em i r r o r i n g , s n a p s h o t t e c h n o l o g y i v 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：j l 日期：伽7 年舌月辞日 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：鞋导师签名：二盖泣 醐也。气钆月斗日 第一章引言 1 1 背景 第一章引言 随着各行业数字化进程的推进，数据逐渐成为企事业单位的运营核心，并起 着不可替代的作用。早在2 0 0 1 年的一份调查报告表明，商业数据失效的平均代价 为2 5 万美元，j 、时，其中有8 更高达1 0 0 万美元小时。因此，如何才能使数据不 受地震、洪水、台风等自然灾害的威胁，不受恐怖袭击以及存储设备自身故障的 影响，是一个十分重要的研究课题。在这样的应用背景下，容灾技术和使用这些 技术的容灾系统应运而生。 容灾系统通过特定的容灾机制，能够在各种灾难损害发生之后，最大限度地 保障数据的可恢复性、高可用性和安全性。其中，运用远程镜像机制的容灾系统 又q 做远程镜像系统，这种系统凭借较高的容灾级别广泛应用于各大企事业的存 储解决方案中。 由于国内存储技术起步晚、投入少，目前远程镜像系统的研究和产品还主要 集中在国外，如e m c 、m m 、l s i 等国际知名的大公司都有自己研制的支持远程 镜像功能的存储产品。这些产品还融合了s a n 、n a s 、r a i d 、虚拟快照、卷拷贝 等技术，其强大的功能为用户提供了一整套存储解决方案。但是购买、使用和维 护国外产品的费用十分昂贵，对于国内的大多数中小企事业单位来说都是承受不 起的。为了从根本上解决这个矛盾，我国需要拥有自主研发的、适合我国国情的 存储产品。 1 2 课题来源 本课题借助x x 公司( 注：应公司要求，在此以“x x 代替，后面的“m a x 8 0 0 0 ”也是化名) 的存储研发平台，深度剖析其m a x8 0 0 0 系列中端存储产品的 远程镜像技术，全方位介绍我国自主研发的基于s a n 的远程镜像系统。 笔者有幸于2 0 0 8 年加入了x x 公司与电子科技大学的合作项目，以实习生的 身份参与到x x 公司m a x8 0 0 0 系列中端存储产品的研发工作中，负责产品的远 程镜像模块的设计与实现。在远程镜像的五个子模块中，我主要负责读写处理模 电子科技大学硕士学位论文 块和消息处理模块，完成了以下工作：设计并实现了同步远程镜像和异步远程镜 像的读写处理流程；承担了读写处理模块的单元测试和集成测试的工作；实现了 消息处理模块的t a s k 解析部分功能；参与了远程镜像系统级流程的设计。 1 3 国内外研究应用现状 远程镜像系统除了需要多种存储、备份和传输技术的支持，还有独特的事务 及i o 控制机制，是一个十分复杂的庞大系统。 目前，国外几家知名的存储产品及解决方案提供商已经掌握了较为成熟的远 程镜像技术。如e m c 公司的c l a r i i o n 系列产品使用同步远程镜像和异步远程镜 像应用于不同的容灾场景；m m 的e s s 系列产品借助远程拷贝和扩展远程拷贝技 术实现有效容灾；l s i 公司e n g e n i o 系列产品采用s v m 存储虚拟化技术实现低成 本的远程容灾需求。 目光回到国内：虽然国内i t 业对远程镜像系统的研究和开发水平比较落后， 但是x x 公司m a x8 0 0 0 系列中端存储产品的出现，改变了我国缺乏自主开发研 制的远程镜像系统的尴尬局面。m a x8 0 0 0 系列中端存储产品不仅拥有远程镜像的 同步模式和异步模式，而且其性能与国外同类型的产品相比有过之而无不及，价 格更是只有国外同类产品的几分之一，在存储中端市场向国外产品发起了强劲的 挑战。当然，存储高端市场仍然是国外产品一统天下的局面，我国存储人肩负的 使命任重而道远。 1 4 论文的主要工作 本文设计并实现了一种基于s a n 的远程镜像系统，具体工作如下： 1 ) 在分析现有学术资料和国外存储公司技术白皮书的基础上，介绍了远程镜 像系统几个关键技术的背景； 2 ) 详细介绍和分析x x 公司m a x8 0 0 0 系列中端存储产品的系统结构，并指 出了远程镜像系统在这个产品中的位置和地位； 3 ) 提出并设计了一种基于s a n 的远程镜像系统，并对其子模块的设计思路 进行详细讲解： 4 ) 借助x x 公司的存储研发平台实现了远程镜像系统，并对其关键技术的实 现细节进行了剖析； 2 第一章引言 5 ) 测试了远程镜像系统的功能和性能，并将实验结果与国外同类型产品进行 了横向比较，从而得出了系统的优势和不足。 1 5 论文结构 本文主要论述远程镜像系统的设计与具体实现，并介绍了相关理论和技术。 论文结构如下： 第一章，讲述论文课题的背景、来源，分析国内外的研究现状及本文的工作。 第二章，介绍存储基本知识和主流技术。 第三章，详细介绍m a x8 0 0 0 存储系统。 第四章，设计并实现基于s a n 的远程镜像系统。 第五章，对远程镜像系统进行功能测试和性能测试。 第六章，总结全文。 1 6 本章小结 在当今信息化的社会里，体现一切信息形式的数据已经成为企事业拥有的最 有价值的资产之一。可是，一旦这些海量的数据遭到破坏，就会给人们带来难以 估量的损失。购置存储产品，建立远程镜像容灾系统是保护数据完整性、可用性 和可恢复性的有效解决方案。在存储市场被国外知名厂商统治的今天，x x 公司异 军突起，推出国内自主研发的、拥有远程镜像功能的存储产品m a x8 0 0 0 系列 中端存储阵列。本文设计实现的基于s a n 的远程镜像系统，就是m a x8 0 0 0 系列 中端存储产品中一个不可或缺的组成部分。该系统不仅能够满足用户远程备灾的 需求，而且被成功地运用到商业和产品中，实现了理论知识向实际应用的质的飞 跃。 电子科技大学硕士学位论文 第二章存储技术的研究与分析 本文研究并设计了一种基于s a n 的远程镜像容灾系统，在介绍系统之前，需 要先了解一些主流的存储技术。要了解什么叫做s a n ，就需要先了解网络存储技 术；要了解远程镜像系统的容灾机制，就需要先了解容灾技术与网络存储备份技 术；要了解支持远程镜像系统的存储设备，就需要先了解磁盘阵列( r a m ) 技术。 本章介绍了有关远程镜像容灾系统相关的技术，包括网络存储技术、容灾系 统与容灾技术、传统的数据备份技术、网络存储备份技术以及磁盘阵列技术。 2 1 网络存储技术 2 1 1 网络存储基本概念 网络存储是通过高速的网络把存储系统和主机系统连接起来，由网络存储设 备把数据的存储和使用分离，从而改进存储利用率，降低存储空间的浪费，提高 系统的可扩展和数据的可用性【。其主要特征体现在超大存储容量、高数据传输率 以及高可用性等。网络存储技术能够为网络上的应用系统提供多样、便捷的信息 存取和资源共享，它具有灵活的寻址能力，远距离的传输能力和i o 高效的性能等， 可以对数据实施集中式的管理，适用于远程备份、灾难恢复等应用。通过网络存 储数据，彻底消除了信息数据和用户之间的“距离”，真正实现对信息数据的有效 传输和管理，是现今理想的存储管理和应用模式。 2 1 2 网络存储的分类 传统的存储系统采用的d a s 结构( d i r e c ta t t a c h e ds t o r a g e ，直接连接存储) 。 在d a s 结构中，存储系统附属于服务器，各种存储设备通过主机的总线与服务器 相连，其模型如图2 1 所示。 受服务器总线技术的限制，d a s 结构在许多方面都存在严重的局限性，具体 表现在：存储容量的扩展受到限制，各个服务器相互无法连接，形成数据孤岛现 象，还有就是连接距离有限，而且资源不易共享和管理。因此，以服务器为中心 的d a s 结构难以满足应用对存储系统大容量、高可靠、高可用、高性能、动态可 4 第二章存储技术的研究与分析 扩展、易维护和开放性等多方面的需求 2 1 。 工作站数据 图2 - 1d a s 结构拓扑图 网络存储技术把服务器与存储设备分离开来，存储设备转向独立的存储网络， 进而使服务器从繁忙的数据管理任务中解脱出来，避免了总线瓶颈的产生和存储 系统的崩溃。作为一种新技术，网络存储利用传统存储设备和网络设备实现网络 存储功能，构造出能直接被网络访问的网络存储设备。 按照网络存储设备与计算机系统的连接方式，可将网络存储系统分为三类【3 】： 1 ) 网络连接存储n a s ( n e t w o r ka t t a c h e ds t o r a g e ，也称为附网存储) 。n a s 是一种相对较新的网络存储技术，通常由特殊定制的网络文件服务器和局 域网构成。 2 ) 存储域网络s a n ( s t o r a g e a r e an e t w o r k ) 。s a n 是一种独立于服务器系统之 外、专门用于提供数据块存取服务的高速存储网络。它通过光纤通道进行 数据传输，具有高传输率、大容量、高扩展性等特点。 3 ) i p 存储i p s ( i ps t o r a g e ) 。i p s 是基于t c p 1 p 协议和以太网的网络存储方式， 提供了基于数据块级的数据传输，是目前发展最快的网络存储技术。 2 1 2 1 网络连接存储n a s n a s 是一种以数据为中心的存储结构，其模型如图2 2 所示。按照存储网络 工业协会( s n i a ) 的定义：n a s 是可以直接连接到网络上向用户提供文件级服务的 存储设备。n a s 基于现有的局域网，通过u n i x 环境下的网络文件系统n f s ( n e t w o k f i l es y s t e m ) 或者w i n d o w s 环境下的公用i n t e m e t 文件系统c i f s ( c o m m o ni n t e m e t 电子科技大学硕士学位论文 f i l es y s t e m ) 等标准化协议，在存储设备端提供基于网络访问的文件级服务。实际 上，b i a s 存储设备就是一个独立的服务器，类似于一个专用的文件服务器，不过 这种专用文件服务器去掉了通用服务器原有的大多数计算功能，仅向客户端提供 文件存取服务，从而实现操作系统和文件服务器功能的专门化，在价格水平较低 的前提下提供最佳的存储性能。 n a s 将存储设备通过标准的网络拓扑结构直接连接到局域网l a n ( l o c a la r e a n e t w o r k ) 上，而且最常使用的是t c p i p 协议。通过设定n a s 系统口地址的方式， 可以使n a s 系统连接到网络上，并实现任意位置上的数据访问。在有n a s 存储 设备的网络中，计算机系统是通过文件重定向器从一个n a s 存储设备中得到数据 的。具体的过程是：当一个用户或应用试图通过网络访问n a s 存储设备中的数据 时，文件重定向器把对本地文件i o 路径重定向到使用t c p i p 协议的网络操作， 从而连接到某个远程的服务器，该服务器上运行着支持多个客户访问的文件系统。 该远程服务器和与它相连的存储设备就构成了n a s 的存储系统。对于用户的访问， n a s 比d a s 更为迅捷，n a s 的操作系统被优化设计为专门用于文件i o 操作和文 件服务活动，其性能优于通用操作系统。若n a s 出现故障，客户端计算机系统的 其他操作不会受到影响；同样，若客户端计算机系统出现故障，其他用户仍能向 n a s 发起存取文件的请求。 工作站数据 图2 - 2 n a s 结构拓扑图 n a s 几乎继承了磁盘列阵的所有优点，可以将设备通过标准的网络拓扑结构 连接，摆脱t h t 务器和异构化构架的束缚。具体的优点如下： 1 ) 特殊的存储系统结构。n a s 系统采用提供存储功能的微核操作系统或应 6 第二章存储技术的研究与分析 用系统，一般只有通信和存储功能，从而优化了存储设备的性能和功能。 2 ) 拥有即插即用的网络集成功能。n a s 可以快速地安装到一个局域网络上， 无需用户系统进行太多的配置工作。 3 ) 客户端的多样性。n a s 系统适用于多种平台，它与其他网络设备相连只 取决于标准的协议接口，无需弄清个个用户和服务器系统内部的实现细 节。 4 ) 文件级的共享性。n a s 可以在异构的操作系统之间实现文件级共享，从 而快速、安全地存取文件及数据。 5 _ ) 较低的成本。n a s 系统使用现有局域网及相应的设备，所以配置的总费 用较低。此外，还可以充分利用现有的l a n 网络结构，保护现有投资。 但是，n a s 存储系统也存在着一些固有的局限性： 1 ) 文件访问速度低。由于普通的局域网不是针对存储应用设计的专用网络， 加上局域网上又有大量的计算机，因此，n a s 存储设备从有限的网络带 宽中所能分到的带宽必然有限。这就是n a s 系统的最大缺点转输速 率慢而且不稳定，不适合对访问速度要求高的应用场合。同时，由于受到 带宽消耗的限制，n a s 无法完成大容量的存储应用。 2 ) 对数据库的i o 操作能力有限。n a s 系统是采用基于文件的方式来存储数 据的，主要针对文件共享和文件备份等应用，不适合事务处理和数据库等 基于数据块存储方式的应用。 3 ) 可扩展性差。n a s 系统是一种专用的存储设备，不能通过公用的、流行 的软硬件进行升级或者改变产品的功能。 4 ) 不容易实现数据备份和数据恢复。n a s 系统很难与现有的备份系统集成， 所以只能采取一些补救措施，如开发自己的专用备份软件，采用映射驱动 器进行备份等。 5 ) n a s 系统难以满足开放性的要求。 2 1 2 2 存储域网络s a n s a n 是一种以网络为中心的存储结构，如图1 3 所示。按照s n i a 的定义； s a n 是一种利用f c ( f i b r ec h a n n e l ，光纤通道) 等高速互联协议连接起来的，可 以在服务器和存储系统之间，或者在存储系统之间直接传送数据的网络【4 1 。换句话 说，s a n 是一种由服务器、存储设备、交换机及光纤通道连接而成，面向数据块 存取操作的专用存储网络。s a n 使用专用的存储协议，在资源共享的环境下连接 7 电子科技大学硕士学位论文 多个存储设备和服务器，并以多点对多点的方式对他们进行管理。它独立于服务 器系统之外，专门提供高度的数据存取服务。 s a n 将存储设备作为网络上的一个“区域 ，建立一个单独的网络系统，用户 可以把s a n 看作是负责存储传输的“后端 网络，而把数据网络看作是负责正常 t c p i p 传输的“前端网络。s a n 采用适合数据传输和管理的物理、链路、网络 传输等专用的存储协议，如s c s i 协议，它把各种不同平台上的服务器、工作站、 客户机以及存储设备( 磁盘阵列、磁带等) 方便地连接在一起。s a n 允许在主机 和存储设备之间快速地进行信息交换而没有带宽的限制，解决了海量数据的存取 问题，专门用于大容量存储设备和服务器之间的存储管理和数据交换【5 1 。 器组 磁盘阵列r a i d 图2 - 3s a n 结构拓扑图 在s a n 系统中，存储设备不再限制于服务器，而表现为服务器节点上的“网 络磁盘”，在服务器操作系统看来，就像本地磁盘一样。通过将存储系统与计算机 相隔离，使得计算机系统可以更方便地共享存储设备，提高存储系统的可用性。 同时，存储系统的扩展性也得到极大的改善，每台主机可以扩大更多的可控存储 的容量，还可以通过级联交换机或者集线器连接多个存储设备来扩展容量。 第二章存储技术的研究与分析 目前的s a n 主要采用f c 协议和s c s i 应用协议作为存储访问协议，数据通过 光纤通道在服务器与存储设备之间传输。由于f cs a n 只用于存储，不会有其他 服务的数据流在上面传输，可以做到独享带宽。光纤通道本身的高传输速率，帮 助s a n 真正实现高速共享存储资源的目标，而且还保证了数据传输的可靠性。 s a n 技术的现有架构主要包括物理架构和逻辑架构： 从物理的角度上来看，典型的s a n 系统应包括4 个主要组成部分，即最终用 户平台、服务器、存储子系统和互连设备。在s a n 中，最终用户平台可与光纤连 接并可直接访问存储设备。其中s a n 的存储子系统采用s a n 方案除了需要具有 f c 连接性以外，还有一些对存储子系统的特别要求。 1 ) 高容错性。由于存储是集中式的，这些存储系统必须具备极高的可靠性和 容错性。虽然系统可以设计得具有很高可靠性，但是部件仍然可能发生故 障，冗余部件则可确保高容错性。系统设计也应该允许故障部件的热插拔， 这样在进行维护的时候就不会影响系统的正常运行。 2 ) 远程管理性。理想情况下，通过支持标准网络管理协议如s n m p 以及可 以提供运行在网络上的管理工具，设备应可以提供远程管理。有一种专用 管理端口称为“带外管理，是大多数网络设备比较倾向的方法。利用带 外管理，在存储系统运行的同时与其通信不会产生问题，数据接口的故障 也不会影响管理工具访问该系统。 3 ) 可扩张性。s a n 存储子系统应在容量和性能方面具有可扩张性以配合网 络上日益增加的数据量。 从逻辑角度上来看，s a n 是由软件而非硬件拓扑结构来定义的。一个s a n 的 逻辑运行要求有应用程序和管理工具共同参与，这些工具能够对许多主机系统中 的存储资源进行管理。这种逻辑管理体系结构包括从数据管理应用程序到设备管 理在内的几个层次，还必须包括每一层中的管理控制。 s a n 需要通过网络进行集中或远程管理，即需要管理工具或一整套工具软件。 通常每个可生产f c 设备的厂商都会提供各自专用的软件来管理其特有的设备，理 想的方案是单一的端对端管理应用程序来管理s a n 上所有的设备，这样的一个工 具应该基于业界标准协议如s n m p 。 s a n 应用软件根据存储类型( r a i d 、磁带库、光盘库等) 使用不同的应用软 件。以磁带库为例，最常用的应用是数据备份和恢复。当今大多数主要应用软件 供应商都在致力于对s a n 进行支持，但是，对应用软件而言仍没有业界标准，所 以很重要的一点是确保存储子系统和网络硬件全部兼容。 9 电子科技大学硕士学位论文 独特的体系结构和构建技术使得s a n 具有如下优点： 1 ) 灵活性。存储设备不受网络环境的制约，可以灵活地通过网络连接。 2 ) 可实现高性能和高速存取。光纤通道技术提供了较高的传输带宽，使s a n 具有高速传输率。目前光纤通道可提供4 g b p s 的带宽，新的1 0 g b p s 的标 准也已制定。此外，备份恢复、文件迁移等服务都不必通过局域网络传输 数据，不占用局域网带宽，实现了大容量的集中存储。 3 ) 高扩展性。存储设备与服务器不再是一对一脆弱地连在一起，它们可以动 态地任意添加而互不影响，而且添加之后可以立即访问。能连接到一个 s a n 上的设备数目取决于所使用的技术，以光纤路径的使用为例，光纤 路径环网能支持多达1 2 6 个设备。除此之外，s a n 还能够通过网络交换 机和集线器级联的方法来达到扩展容量的效果。 4 ) 可实现集中存储和管理。s a n 可以把异构环境下不同的存储设备整合在 一起形成统一的存储池，对网络上的存储资源进行集中管理，减少了管理 的工作量和复杂度。 5 ) 高可用性。存储设备在s a n 系统中可以被多台服务器共享，不属于任何 一台特定的服务器，设备可用性大大提高。 6 ) 高可靠性。s a n 使用光纤通道构建专用的存储网络，是数据安全性和可 靠性大大提高，通过冗余交换机连接传输，避免了单点故障对整个网络的 影响，进一步提高了存储的可靠性。 刀良好的升级优势。s a n 允许存储系统和设备在不中断服务器工作情况下 连接到已有的存储网络，这是s a n 存储技术的关键优势。在s a n 中的设 备和子系统，不属于任何一个特定的服务器系统，所以允许存储升级的很 大一部分工作在不中断现存工作服务器的情况下被完成。 8 ) s a n 使得存储数据不再依赖于某个具体的多功能服务器，消除了传统的 附属于服务器存储方式中的i o 瓶颈。 不过，s a n 存储系统也存在一些局限性，主要表现在以下几个方面【6 】： 1 ) 构建s a n 网络的费用十分昂贵。s a n 使用专用网络，一般为光纤通道网 络，相应的设备价格昂贵。同时，作为一种新型网络技术也存在许多系统 管理上的困难，因此构建和维护s a n 需要有经验丰富的、并接受过专门 训练的专业人员，这大大增加了构建和维护费用。总而言之，s a n 网络 的总体实现费用较高，局限于大型应用。 2 1 设备的互操作性差。对于不同的制造商，f c 协议的具体实现是不同的， 1 0 第二章存储技术的研究与分析 这在客观上造成不同厂商的产品之间难以互相操作。 3 ) 共享存在局限性。s a n 使用专用的网络拓扑结构，不能直接使用普及的 t c p i p 网络连接各个分散的s a n 存储网络，且难以实现异构环境下的数 据文件共享，这导致各个s a n 网络形成了一个个数据孤岛，无法实现数 据的广泛共享。 4 ) 传输距离受限。目前基于f c 协议的连接距离为1 0 k m ，虽然远远的大于 传统i o 总线的连接距离，但仍然无法满足远程数据容灾等应用对连接距 离的要求。 2 1 2 3p 存储i p s 近年来，随着基于i n t e r n e t 应用的高速发展( 如数据仓库、e r p 客户关系管理、 业务核算等) ，企业中数据存储的容量和复杂性急剧增加，对存储系统提出了越来 越高的要求吼 1 ) 高可用性。存储系统必须提供不问断服务，一旦数据存取出现失败，会使 企业失去业务交易、客户及潜在的业务机会，给企业造成巨大的损失。 2 ) 可伸缩性。存储系统必须提供便捷的手段，应付数据容量的指数级增长。 3 ) 可扩展性。存储系统必须具备远距离传输能力，用于灾难恢复、数据库复 制和远程备份等应用。 传统的d a s 和n a s 存储系统已经不能满足上述需求，虽然近年来飞速发展 的基于f c 技术的s a n 存储系统能够在很大程度上满足高可用性和可伸缩性方面 的需求，但是缺少在远距离传输的支持。在此背景下，基于t c p 口协议和以太网 的网络存储技术口网络存储应运而生。 m 存储是指在i p 网络中实现类似s a n 的块级数据传输，如通过i p 网络进行 f c s a n 之间的互连，或者构建基于口网络的纯粹的i p s a n 。i e t f 己经制定标 准的i p 存储协议有f c i p ( f i b r ec h a r r e do v e ri p ) 、i f c p ( i n t e r n e tf i b r ec h a n n e l ) 、 i s c s i ( i n t e m e ts c s d - - 种。f c i p 和i f c p 都是利用i p 网络将f c s a n 进行互连的协 议，在f c s a n 和i p 网络边界上都需要进行协议转换，增加了网络互连的复杂度。 而i s c s i 协议没有这方面的问题，i s c s i s a n 可以无缝地连接到i p 网络上。从 层的角度来看，是无法分辨i s c s i s a n 和m 网络的，因此i s c s i 协议更适合于通 过网络进行远程的数据传输。 i s c s i 技术重要的贡献在于其对传统技术的继承和发展上：首先，s c s i ( s m a l l c 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) 技术是被磁盘、磁带等设备广 电子科技大学硕士学位论文 泛采用的存储标准，从1 9 8 6 年诞生起到现在仍然保持着良好的发展势头；其次， 沿用在网络方面是最通用、最成熟的t c p 疋协议。这两点为i s c s i 的无限扩展提 供了坚实的基础。 i s c s i 存储系统结构如图2 4 所示，从存储系统管理层次上看，i s c s i 主要由 三大部分组成【8 】： 1 ) i s c s i 服务器及存储管理软件，在系统和应用级上，实现多服务器间的共 享存储、防灾备份等存储管理任务； 2 ) i p 网络，包括口交换机或m 路由器，实现一个或多个i s c s i 服务器与一 个或多个i s c s i 服务器间的互连与数据传输； 3 ) i s c s i 磁盘阵列等i s c s i 存储设备，它是存储系统的基础，完成数据的存 储。 图2 4 i s c s i 结构拓扑图 、 基于i s c s i 技术的i p s 具有如下的优点【9 】： 1 ) 传输速率高，有利于大容量的数据通信； 2 ) 使用集中式管理，防止备份文件的拷贝耗尽磁盘空间和多版本文件产生的 1 2 第二章存储技术的研究与分析 一致性问题； 3 ) 以数据块的方式传输数据，因此它可以很好地支持数据库数据的容灾与备 份； 钔具有虚拟的无限寻址能力，没有最大连接数目的限制； 5 ) 不受地域限制，存储设备可与主机进行远距离连接； 国可以在远程连接的前提下随时扩容，以应付不断增加的存储需求； 刀以成熟的网络技术为基础，能大大减少总体拥有成本； 8 ) 为解决数据远程复制( d a t ar e p l i c a f i o n ) , 及灾难恢复的难题打下了较好的基 础； 9 ) 备份数据流不经过局域网，减小了局域网的压力。 不过，作为一个新兴技术，基于口网络存储仍然有一些需要解决的问题，如 数据完整性、数据安全性等问题。但随着深入研究和技术进步，这些问题必将得 到解决。此外，网络基础设施的不断完善和市场需求的不断增加，必然促使存 储成为存储领域内的主流技术。 2 1 3 网络存储的发展趋势 网络存储目前的发展趋势主要有以下几点【1 0 1 ： 1 ) 融合成为大趋势。用户的应用环境和需求往往是复杂的，他们对网络存储 架构的要求也不是那么单一的，i p s 、s a n 、n a s 各自的优势和局限性决 定了它们