网络存储ipsan基础知识

网络存储ipsan基础知识

提纲网络存储概述存储体系架构RAID技术传输协议引言信息系统中的数据是人类“最为重要的财富

”“以计算为中心”向“以数据为中心”发生转变数据存储、管理方式从以服务器为中心向以网络为中心发生转变积累的数据越来越多，呈现“爆炸性的增长

”孤立、分散、难以管理的海量数据是“巨大灾难”关键业务的数据丢失对企业带来“毁灭性打击”业务连续性、数据共享、数据备份恢复、信息生命周期管理等需求推动存储技术巨大发展信息数据是人类“最为重要的财富”

对数据安全性要求很高的企业

典型行业:电信、金融和证券

典型业务:计费对数据存储性能要求高的企业

典型行业:电视台、交通部门和测绘部门

典型业务:音频/视频、石油测绘和地理信息系统等

在系统级方面具有很强的容量(动态)可扩展性和灵活性的企业

典型行业:各中大型企业

典型业务:ERP系统、CRM系统和决策支持系统具有超大型海量存储特性的企业

典型行业:图书馆、博物馆、税务和石油

典型业务:资料中心和历史资料库

网络存储行业应用

具有本质上物理集中、逻辑上又彼此独立的数据管理特点的企业

典型行业:银行、证券和电信

典型业务:银行的业务集中和电信的运营支撑系统(BOSS)集中实现对分散数据高速集中备份的企业

典型行业:各行各业

典型业务:企业各分支机构数据的集中处理数据在线性要求高的企业

典型行业:商业网站和金融

典型业务:电子商务实现与主机无关的容灾的企业

典型行业:大型企业

典型业务:数据中心网络存储行业应用提纲网络存储概述存储体系架构RAID技术传输协议宇视存储产品介绍磁盘硬件结构主轴马达(SpindleMotor)音圈马达(VoiceCoilMotor)磁头基座(BasePlate)磁头停放区(ParkingZone)盘片(Media)传动部件接口硬盘磁头技术

磁头(Head)磁道(Track)柱面(Cylinder)扇区(Sector)

扇区1磁道n磁道0磁道格式化容量=柱面数X每磁道扇区数X磁头数X扇区字节数磁头与柱面S.M.A.R.T.技术Self-Monitoring,AnalysisandReportingTechnology最早由Compaq和IBM推动,目的是尽可能预测硬盘的可靠性，在硬盘损坏之前给用户警告很多由硬盘部件功能性衰减的问题是可以预测的磁头飞行高度信息输出效率旋转启动时间寻道失败率寻道时间的效率

硬盘接口及发展ATA接口SATA接口

SCSI接口

SAS接口

FC接口WhatareATA？ATA：Advanced

Technology

Attachment高级技术附加装置7个版本：ATA-1----ATA-7（ATA

133）速率基本上走到了极限WhatareSATA？SATA：SerialAdvanced

Technology

Attachment

串行ATA这是一种完全不同于并行ATA的新型硬盘接口类型，由于采用串行方式传输数据而得名。具有结构简单、支持热插拔、传输速率快的优点2000年Intel联合IBM、Maxtor、Seagate等厂商合作开发SATAI

(版本1.x)接口，正式名称为SATA1.5Gb/s,是第一代SATA接口，运行速度为1.5Gb/s。这个接口支持高达150MB/s带宽吞吐量。

SATAII

(版本2.x)接口，正式名称为SATA3Gb/s，是第二代SATA接口，运行速度为3.0Gb/s。这个接口支持高达300MB/s带宽吞吐量。

SATAIII

(版本3.x)接口，正式名称为SATA6Gb/s，是第三代SATA接口，运行速度为6.0Gb/s。这个接口支持高达600MB/s带宽吞吐量WhatareSCSI？SCSI:Small

Computer

System

Interface小型计算机系统接口特点：应用范围广、多任务、带宽大、CPU占用率低，以及热插拔SCSI必须要有专门的SCSI控制器，也就是一块SCSI控制卡，才能支持SCSI设备WhatareSAS？SAS接口是SCSI的升级，为串行传输模式。SAS是一种点对点、全双工、双端口的接口，支持在SATA兼容的电缆和连接器上传输SCSI协议性能：能够提供3.0Gbit/s的传输率，规划到12.0Gbit/sWhatisSAS?串联SCSI(SAS)是并口SCSI的终结者新的工业标准提供了非凡的性能提升3-GbpsSASx4“宽”端口提供累计高达12-Gbps的带宽主机连接以及扩展理解SAS“宽”端口44123132每SAS线缆是3-Gbps到驱动器是独立线缆“x4宽”在一个接口中包括4根线缆2,3,4线缆仅在当前I/Os超出1号线缆通道性能情况下使用LogicalUnitNumber逻辑单元号(LUN)LUN是一种被SAS和SCSI支持的子地址编码LUNs是通过编码确认信息来选择HostAdapterID7ControllerID1DiskDriveLUN0DiskDriveLUN1ControllerID2DiskDriveLUN0DiskDriveLUN1WhatareFC？FC-AL(光纤通道仲裁环FibreChannelArbitratedLoop)，是一种双端口的串行存储接口，支持全双工工作方式。利用类似于SATA/SAS所用的4芯连接，提供一种单环拓扑结构，一个控制器能访问126个硬盘40-pinMaleFC-SCAIIConnector各种类型应用

接口应用说明FC适用于在线、高可用性、随机读适用于大型企业的关键数据，价格昂贵SAS适用于在线、高可用性、随机读适用于中型企业的关键数据，高性能，高可扩展性，比FC价格低，并可兼容SATASATA适用于近线、一般可用性，连续读低价格、高容量磁带适用于离线高容量，可离线保存数据与磁盘数据可以从磁盘写入或则读取典型地通过一个本地应用或是服务器应用应用/文件系统采用数据块级别的I/O数据的收发是通过I/O块用户采用的是文件级别的I/O收发的是数据文件0110100101011101010001DAS：DirectAttachedStorage，直接连接存储NAS：NetworkAttachedStorage，网络附加存储SAN：StorageAreaNetwork，存储区域网络存储体系架构未使用的存储容量可以简单地分配给那些需要的服务器.集中的信息=价值分布式存储集中存储文档和块数据用户在文档上工作(如.Word文件,excel图表.等等)而我们所使用的应用需要转换成块级别的数据直接通过读写存储空间中的一个或者一段地址来存取数据通过IDE、SCSI以及光纤（FC）接口与服务器直接相连，以服务器为中心每个服务器都需要独立的存储设备（磁盘），且连接距离短，连接数量有限数据分散，共享、管理困难单位成本高－存储空间浪费存储体系架构---DASDirectAttachedStorage（DAS）我们需要网络连接模式以提高存储系统利用率DAS缺点每台服务器都有其自己的存储部件($$)管理困难降低了生产效率备份很昂贵浪费的存储空间难于共享数据什么是NAS?网络附加存储一个专用于网络文件共享的设备.NAS不是一个网络!NAS使用LAN或WAN协议如.TCP/IP一个NAS设备可以在一个LAN或WAN任一点存在.支持的协议包括CIFS,NFS和HTTPNAS并不提供任何由服务器系统的服务器所提供的活动,如.e-mail.QuickReferenceLocalAreaNetwork(LAN)WideAreaNetwork(WAN)CommonInternetFileSystem(CIFS)NetworkFileSystem(NFS)HyperTextTransferProtocol(HTTP)文件级别的访问–NAS当在网络上的一个应用请求信息时,NAS设备提供文件级别的访问或索引到块层存储体系架构-NASNetworkAttachedStorage（NAS）基于NFS、CIFS文件级共享存取，支持HTTP存储设备功能上独立于网络中的主服务器，不占用服务器资源扩展较容易，广泛支持操作系统及应用，安装简单方便数据备份及恢复占用网络带宽NAS的优点提升目前的网络基础架构适用异构的数据共享环境安装与维护相对比较简单本身OS许可和文件锁维护

良好的性能NAS的缺点一个单独的NAS服务器会导致I/O瓶颈文件级访问局限什么是存储区域网络(SAN)?块级别访问–SAN和DAS当网络上的一个应用请求信息时,请求将会被服务器进行处理而正确的数据块将会被返回给客户.数据库可能是目前数据中心块数据访问最多的例子SAN的存储方式

Externalstorage

systemconnected

toSANController-based

RAIDControllersBlock-levelaccessApplicationServerApplicationServerApplicationServerSwitchSAN的优点高带宽适应快速的增长传输非常大的数据块在无需对局域网性能造成影响即可提供存储的应用例如备份和远程镜像非常优秀的性能,可靠性和灵活的连接方式存储体系架构－SAN存储体系架构----SANFCSAN：采用FibreChannel等存储专用协议，通过光纤通道交换机等连接设备，使网络服务器与多种存储设备连接在一个高速专用独立于以太网的网络中，数据采用FCP协议以块方式存取，不占用服务器运算处理的网络带宽。IPSAN：使用以太网代替光纤通道（FibreChannel）网和使用iSCSI协议代替FCP协议，进行块状数据存储访问的SAN。

FCSAN、IPSAN都要有存储管理软件（如卷管理、数据的快照、镜像、备份、恢复、归档等等）。存储网络的体系结构存储网关设备需要支持物理层是光纤通道物理接口及以太网的技术体系。提纲网络存储概述存储体系架构RAID技术传输协议宇视存储产品介绍RAID条带化是RAID中的一个基本概念是一种将多个驱动器划归到一个逻辑存储单元的组合方式多种级别每种级别都具备不同的成本/性能/容错优势可以通过硬件或软件进行实施硬件对于整个系统的性能是最佳的方案RAIDLevel0–条带化优点高数据传输速率低成本缺点当磁盘失效时无冗余数据会丢失

RAIDLevel1–镜像优点

可靠性

可用性

当出现错误时无需数据重建缺点额外磁盘所带来的高成本

RAID技术——XOR校验运算特性1：相同为0，相异为1

A(1)⊕B(0)=P(1)A(0)⊕B(0)=P(0)A(1)⊕B(1)=P(0)A(1)⊕P(0)=B(1)，B(1)⊕P(0)=A(1)特性2：等效性，下面5个等式是等价的(A⊕B)⊕C=P(A⊕B)⊕C⊕C=P⊕CA⊕B⊕0=P⊕CA⊕B=P⊕C(A⊕B)⊕P=C

RAIDLevel3–校验盘优点高数据传输速率

适用长的顺序数据

可靠性

可用性缺点对短数据不适合对随机I/O不适合RAIDLevel5–

分布校验盘优点短数据记录或随机I/O众多并发I/O可靠性可用性缺点不适用于大记录D1D2D4D4D2D7D8D8D10D11D11D1D1D2D3D4D5D6D7D8D9D10D11D12D13D14D15逻辑磁盘物理磁盘0物理磁盘1物理磁盘2物理磁盘3stripe0stripe1stripe2stripe3D13D14D13stripe4D5D7D10D5D14D3D3D9D9D12D12D15D6D6D15物理磁盘4物理磁盘5RAID级别——RAID10定义：将镜像和条带组合起来的组合RAID级别，最低一级是RAID1镜像对，第二级为RAID0。冗余阵列的运行状态Normal：正常冗余阵列中所有磁盘都处于正常运行状态，此时可允许一个或多个磁盘失效。Degrade/Critical：降级冗余阵列中有一个（比如RAID5阵列）或多个（比如RAID6阵列）磁盘失效后的状态，但仍然可以向外界提供正常的读写服务，此时如果再有一个磁盘失效，则整个阵列处于不可用的状态。Recover/Rebuild：重建从降级到正常之间的过渡状态，此时有一个正常的磁盘顶替了失效磁盘，冗余数据正在重建。Failed：失效此时失效磁盘数量已经超过阵列所允许冗余的数量，整个阵列处于不可用状态。其他RAID级别RAID1+0:implementedasstripedsubsystemwhosesegmentsareRAID1subsystemsRAID总结RAID0:最快和最有效的级别但不提供容错RAID1:性能至上,容错的环境下,但需要2倍存储空间RAID3:Dataintensiveenvironmentswhichaccesslongsequentialrecords,doesnotallowmultipleI/OoperationstobeoverlappedRAID5:对于多用户大量读取少量写入环境下的最佳选择.RAID1+0:高性能但需要2倍的磁盘以用于数据镜象提纲网络存储概述存储体系架构RAID技术传输协议宇视存储产品介绍IPSAN标准、技术的支持IP存储技术包含：iSCSI、FCIP、iFCP等，光纤通道技术包含FC-PH、FCP、FC-SW、FC-FS、FC-FG等。FCIP（FibreChanneloverIP）是IETF与ANSI共同提出的基于IP的光纤通道方案，采用这种模式，光数据帧被压缩为IP帧传输,在两个SAN之间通过IP网络建立点到点的隧道，构成一个统一的SAN环境。

iFCP在FC与IP之间建立网关到网关的连接，使FC帧可以路由到正确的目的地址。它可以允许每一个互联的SAN都拥有自己独立的命名空间。实现起来也比FCIP复杂。

iSCSI概述由IBM，CISIO，HP发起；2000-2为IETF草案，2004-4作为正式的IETF标准现在的iSCSI协议对应SAM2，而最新的SAM是SAM4，SAM5主要由RFC3720描述涉及的RFC还有：3721（iSNS），3722（命令规范），3723（安全），3347（设计），3783（IP上的有序命令传送），3385（错误估计）用TCP/IP作为SAN的基础设施iSCSI构建在TCP之上，不是IP；是面向连接的，不是无连接的。（一个iSCSI命令可能分在几个IP报文中）iSCSI的主要功能是在TCP/IP上封装，并可靠的传输SCSI命令及数据涉及到的SCSI的概念1启动设备和目标设备启动设备(initiator)：发起I/O请求的设备目标设备(target):响应请求执行实际I/O操作的设备在启动设备和目标设备建立连接后，目标设备在操作中作为主设备控制整个工作过程典型的SCSI系统涉及到的SCSI的概念2CDB：命令描述块。SCSI的命令及参数是填充在一定长度的数据块内传输的SCSI技术简介－常见SCSIOpcode表Opcode

含义0x00 TESTUNITREADY查询设备是否已经准备好进行传输0x1a MODESENSE(6)请求模式页面（设备参数）0x12 INQUIRY请求设备基本信息0x25 READCAPACITY请求存储容量信息0xa0 REPORTLUNS报告逻辑单元数量0x28 READ(10)读0x2a WRITE(10)写ReadCapacity(10)的SCSIOpcode为0x25SCSI的缺点SCSI是点对点的、直接相连的计算机到存储器的设备接口，不适用于主机到存储器的存储网络通讯

SCSI总线的长度被限制在25米以内，对于UltraSCSI长度限制为12米，不适于构造各种网络拓扑结构

SCSI总线上设备数限制为15，不适用于多服务器对多存储设备的网络结构

iSCSI协议概述－iSCSI协议栈应用层SCSI层iSCSI层传输层网络层链路层EthernetIPTCPiSCSISCSIApplicationInitiatorLogicalUnitSCSIiSCSITCPIPEthernetTarget连接randomport3260RJ45RJ45会话I/O请求SCSI接口传输层接口应用层SCSI层iSCSI层传输层网络层链路层Thewell-knownuserTCPportnumberforiSCSIconnectionsassignedbyIANAis3260andthisisthedefaultiSCSIport.iSCSI协议概述－iSCSI报文封装如上图所示：iSCSI节点间交互报文均是以iSCSIPDU的形式封装在TCP/IP/Ethernet内以太网帧以太网帧头14BytesIP数据报IP头部20BytesiSCSI头部—BHS48BytesTCP头部20BytesTCP段以太网尾部4BytesiSCSI协议概述－iSCSIPDU定义PDU（ProtocolDataUnit，协议数据单元）包括基本头（BasicHeaderSegment，BHS，48字节）多个附加头（AdditionalHeaderSegments，AHSs）可选头部校验位（BHS的循环冗余校验值，CRC）可选数据段可选数据段校验位（数据段的循环冗余校验值，CRC）可选必选4.iSCSI协议概述－iSCSIPDU格式BasicHeaderSegment(BHS)AdditionalHeaderSegment1(AHS)(optional)AdditionalHeaderSegment2(AHS)(optional)AdditionalHeaderSegmentn(AHS)(optional)Header-Digest(optional)DataSegment(optional)Data-Digest(optional)iSCSI响应报文不能带AHSBHS必须包含在PDU中基本头0012345670123456701234567012345670123ByteBitByte04.iSCSI协议概述－iSCSIPDU的基本头.|I|Opcode4F|OpcodeSpecificFieldsTotalAHSLength8DataSegmentLengthLUNorOpcode-specificfields16InitiatorTaskTag20Opcode-specificfields480012345670123456701234567012345670123ByteBitByte0BHS（BasicHeaderUnit），是每个iSCSIPDU必须包含的内容，它的长度也是固定的，永远是48个字节iSCSI协议概述－iSCSIOpcode表InitiatorOpcode0x00NOPIn0x01SCSICommand0x02SCSITaskManagementRequest0x03LoginRequest0x04TextRequest0x05SCSIDataOut）（forwrite）0x06LogoutRequest0x10SNACKRequest0x1c-0x1eVendorspecificcodesInitiatorTargetTargetO