數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)分析

塊是存儲的基礎(chǔ)架構(gòu)，對塊的管理是簡單的。從全球第一個磁盤存儲技術(shù)50年前誕生到現(xiàn)在，塊的技術(shù)沒有發(fā)生太大變化。磁盤工業(yè)生產(chǎn)遍及全球。最近幾年，存儲行業(yè)興起存儲虛擬化和數(shù)據(jù)整合的新概念，在這些概念和方案中，數(shù)據(jù)還是以塊的形式通過網(wǎng)絡(luò)進行讀寫操作。

塊形式的存儲在滿足數(shù)據(jù)可擴展性和數(shù)據(jù)安全性的增長方面，日益顯現(xiàn)出其局限性和不足。國際上主要有兩類網(wǎng)絡(luò)化存儲架構(gòu)，它們是通過命令集來區(qū)分的。

第一類是SAN(Storage Area Network)結(jié)構(gòu)，它采用SCSI 塊I/O的命令集，通過在磁盤或FC(Fiber Channel)級的數(shù)據(jù)訪問提供高性能的隨機I/O和數(shù)據(jù)吞吐率，它具有高帶寬、低延遲的優(yōu)勢，在高性能計算中占有一席之地，但是由于SAN系統(tǒng)的價格較高，且可擴展性較差，已不能滿足成千上萬個CPU規(guī)模的系統(tǒng)。第二類是NAS(Network Attached Storage)結(jié)構(gòu)，它采用NFS或CIFS命令集訪問數(shù)據(jù)，以文件為傳輸協(xié)議，通過TCP/IP實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化存儲，可擴展性好、價格便宜、用戶易管理，如目前在集群計算中應(yīng)用較多的NFS文件系統(tǒng)，但由于NAS的協(xié)議開銷高、帶寬低、延遲大，不利于在高性能集群中應(yīng)用。

針對Linux集群對存儲系統(tǒng)高性能和數(shù)據(jù)共享的需求，國際上已開始研究全新的存儲架構(gòu)和新型文件系統(tǒng)，希望能有效結(jié)合SAN和NAS系統(tǒng)的優(yōu)點，支持直接訪問磁盤以提高性能，通過共享的文件和元數(shù)據(jù)以簡化管理，目前對象存儲系統(tǒng)已成為Linux集群系統(tǒng)高性能存儲系統(tǒng)的研究熱點，如Panasas公司的Object Base Storage Cluster System系統(tǒng)和Cluster File Systems公司的Lustre等。

基于對象的存儲

在2004年， ANSI 推出了基于對象的存儲設(shè)備(OSD)的1.0版本規(guī)范。它定義了基于對象的存儲設(shè)備的通訊協(xié)議。OSD規(guī)范描述了一個 SCSI 命令集合，由他提供一個高水平的OSD接口。這個接口允許客戶端， 比如文件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫存放和索引數(shù)據(jù)。 SNIA’S 技術(shù)工作組當(dāng)前正在開發(fā)OSD 規(guī)范的2.0版本，這個版本年內(nèi)完成。

一個OSD設(shè)備存放對象，他控制著從對象到物理介質(zhì)的映射圖。設(shè)備同時也跟蹤作為屬性的元數(shù)據(jù)，例如建立時間標(biāo)記，從而允許在客戶端非常容易地共享數(shù)據(jù)。

可以說，OSD最大的賣點在于它結(jié)合了SAN的可擴展性和NAS的數(shù)據(jù)共享。早期的NAS架構(gòu)的擴展性能并不好，因為所有的元數(shù)據(jù)的處理都集中在NAS服務(wù)器上。在有限的NAS頭下擴張更多的存儲受到限制，而且這個時候，NAS上的元數(shù)據(jù)處理變成了瓶頸。如果想擴展，就需要增加更多的NAS服務(wù)器，但是此時的管理成為頭疼的事情，因為數(shù)據(jù)是分散的， 這就是我們常說到的“NAS　孤島”

OSD的能力在于它將客戶端和OSD設(shè)備直接聯(lián)系起來，并不需要中間環(huán)節(jié)管理元數(shù)據(jù)。Panasas 公司，全球第一家提供商用OSD產(chǎn)品的公司，同時提供面向?qū)ο蟮拇鎯筒⑿形募到y(tǒng)。Panasas 公司的 DirectFLOW 的設(shè)計，客戶端從帶外管理的控制刀片得到目標(biāo)的分布和安全屬性。所有的數(shù)據(jù)流都直接從OSD存儲刀片到客戶端。盡管商用的OSD產(chǎn)品還只是鳳毛麟角，但是OSD技術(shù)還是在日新月異?！∥鹘莺虸BM已經(jīng)展示了OSDc產(chǎn)品?！P已經(jīng)和開放源代碼廠家　Lustre 文件系統(tǒng)合作，使用OSD作為他的StorageWork 可擴展文件系統(tǒng)的重要部分。

對于對象存儲來講，不光是解決了數(shù)據(jù)存儲的問題，同時它還解決了數(shù)據(jù)安全性的問題。存儲通常已經(jīng)依賴于客戶端和私有網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)證來保護系統(tǒng)的安全性，不管在文件服務(wù)器內(nèi)用的是FC SAN或SCSI陣列。對象存儲體系結(jié)構(gòu)在每一個級別上都提供了安全性：存儲系統(tǒng)對存儲設(shè)備的認(rèn)證;存儲系統(tǒng)對計算節(jié)點的認(rèn)證;存儲系統(tǒng)對計算節(jié)點命令的認(rèn)證;所有命令都經(jīng)CRC的完整性檢查;數(shù)據(jù)和命令經(jīng)由IP的私有性。這樣的安全水平能給用戶以信心，他們可以用更經(jīng)濟高效，可管理并容易訪問的網(wǎng)絡(luò)，如以太網(wǎng)，作為存儲的傳輸工具，同時還提高了整個存儲體系的安全性。

“對象存儲設(shè)備并不適合所有的用戶。” Panasas公司的CTO Garth Gibson博士說。經(jīng)過幾年的努力，Panasas 在政府，科研，能源，媒體和金融服務(wù)有了很多非常成功的案例。“Panasas 是使用面向?qū)ο蟮拇鎯?，來解決計算集群的并行存儲的問題”。高性能計算和存儲專家胡家鎏教授說。

高性能計算領(lǐng)域

對象存儲體系結(jié)構(gòu)提供了一個帶有NAS系統(tǒng)的傳統(tǒng)的文件共享和管理特征的單系統(tǒng)映象(single-system-image)文件系統(tǒng)，并改進了SAN的資源整合和可擴展的性能。這種性能，可擴展性，可管理性以及安全性的結(jié)合，只能通過在存儲體系結(jié)構(gòu)上的重大革命才能被完成。

第一個支持對象體系結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品現(xiàn)在已經(jīng)問世，它就是Panasas ActiveScale Storage Cluser (存儲集群)。

此產(chǎn)品已經(jīng)被部署在國家實驗室，地震資料處理機構(gòu)，以及生物技術(shù)組織，它們都在用Linux集群去解決關(guān)鍵的科學(xué)問題，這些問題在過去是用巨型超級計算機也不能解決的。它們都期盼能解決需要高性能，可擴展的共享存儲才能解決的新問題，這種存儲在Panasas的存儲體系之前，在市場上是沒有的。Panasas存儲集群及基于對象的存儲體系結(jié)構(gòu)已經(jīng)展示了，它們能迎接由Beowolf/Linux集群計算體系結(jié)構(gòu)提出的挑戰(zhàn)，在那里，傳統(tǒng)的基于SAN和DAS的產(chǎn)品都會敗下陣來。Panasas 在美國能源部(U.S.Department of Energy：DOE)、Lawrence Livermore 國家實驗室，Los Alamos國家實驗室，Sandia 國家實驗室，Pacific Northwest國家實驗室的高性能計算系統(tǒng)中已得到了初步的應(yīng)用。在全球范圍內(nèi)，Panasas 對象存儲集群系統(tǒng)的性能在企業(yè)級HPC集群的關(guān)鍵應(yīng)用中得以淋漓體現(xiàn)和發(fā)揮。

OSD將來會從HPC存儲過渡成主流的企業(yè)級存儲嗎?我們拭目以待。試想，當(dāng)年SUN公司的NFS不就是從最早的技術(shù)環(huán)境走到主流商業(yè)應(yīng)用的最前線的嗎?

對象存儲成為主流

無論OSD是從HPC走到企業(yè)級應(yīng)用中，或是通過其他方式，均面臨需要被企業(yè)級的用戶所接受這樣的事實。從傳統(tǒng)的存儲變成OSD 存儲，需要在多個層面上作改變，這包括，存儲設(shè)備，存儲網(wǎng)絡(luò)，文件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫。

OSD 面臨著巨大的機遇。如Garth Gibson博士所講，大規(guī)模并行數(shù)據(jù)存儲的問題通過數(shù)據(jù)對象，和屬性可以得到解決。在這個時候，對象存儲的特性才得以發(fā)揮。而這些都是基于塊的存儲所不能解決的。

對象存儲可以以這種方式使用而與應(yīng)用無關(guān)。 應(yīng)用系統(tǒng)可以和以前使用文件導(dǎo)向的系統(tǒng)一樣使用，所有的工作通過文件系統(tǒng)實現(xiàn)對文件的存取。這個時候，應(yīng)用直接存儲數(shù)據(jù)對象而不是向文件系統(tǒng)寫數(shù)據(jù)。

對象存儲自誕生的那一天起已經(jīng)表現(xiàn)出其巨大的活力，它可以提供數(shù)據(jù)安全，容易的數(shù)據(jù)共享，強大的可擴展功能，完全具備走向企業(yè)級數(shù)據(jù)中心的能力。我們很高興地看到，對象存儲的國際標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)制定，很多全球一線的存儲廠商和服務(wù)器廠家均加入到此陣營中。各個廠家的對象存儲產(chǎn)品已經(jīng)或即將面世。但是，同時我們也看到，對象存儲全面取代傳統(tǒng)的塊存儲還需時日。