融合NAS和SAN的存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

引言
　　

IT技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷三次浪潮:第一次浪潮以處理技術(shù)為中心,以處理器的發(fā)展為核心動(dòng)力,產(chǎn)生了計(jì)算機(jī)工業(yè),促進(jìn)了計(jì)算機(jī)的迅速普及和應(yīng)用;第二次浪潮以傳輸技術(shù)為中心,以網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展為核心動(dòng)力。這兩次浪潮極大地加速了信息數(shù)字化進(jìn)程,使得越來(lái)越多的人類信息活動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字形式,從而導(dǎo)致數(shù)字化信息爆炸性地增長(zhǎng),進(jìn)而引發(fā)IT技術(shù)的第三次發(fā)展浪潮:存儲(chǔ)技術(shù)浪潮。

存儲(chǔ)技術(shù)浪潮的核心是基于網(wǎng)絡(luò)的存儲(chǔ)技術(shù)。目前,流行的網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)系統(tǒng)主要有兩種:附網(wǎng)存儲(chǔ)(NAS) 和存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)(SAN)。按照存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)工業(yè)協(xié)會(huì)(SNIA) 的定義:NAS 是可以直接聯(lián)到網(wǎng)絡(luò)上向用戶提供文件級(jí)服務(wù)的存儲(chǔ)設(shè)備,而SAN 是一種利用Fibre Channel 等互聯(lián)協(xié)議連接起來(lái)的可以在服務(wù)器和存儲(chǔ)系統(tǒng)之間直接傳送數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)。NAS 是一種存儲(chǔ)設(shè)備,有其自己簡(jiǎn)化的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),它將硬件和軟件有效地集成在一起,用以提供文件服務(wù),具有良好的共享性、開放性、可擴(kuò)展性。SAN 技術(shù)的存儲(chǔ)設(shè)備是用專用網(wǎng)絡(luò)相連的,這個(gè)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)基于光纖通道協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)。 由于光纖通道的存儲(chǔ)網(wǎng)和LAN 分開,性能就很高。在SAN 中,容量擴(kuò)展、數(shù)據(jù)遷移、數(shù)據(jù)本地備份和遠(yuǎn)程容災(zāi)數(shù)據(jù)備份都比較方便,整個(gè)SAN 成為一個(gè)統(tǒng)一管理的存儲(chǔ)池( storage pool) 。由于具有這些優(yōu)異的性能,SAN 已成為企業(yè)存儲(chǔ)的重要技術(shù)。

但在實(shí)際應(yīng)用中NAS 和SAN 也存在很多缺陷,越來(lái)越不能滿足IT技術(shù)的快速發(fā)展和數(shù)字化信息爆炸性地增長(zhǎng)的需求。如NAS 設(shè)備存在如下缺陷: (1) 數(shù)據(jù)的傳輸速度慢,因?yàn)镹AS只能提供文件級(jí)而不能提供塊級(jí)的數(shù)據(jù)傳輸; (2) 數(shù)據(jù)備份時(shí)性能較低,NAS 在數(shù)據(jù)備份時(shí)要占用其大部分網(wǎng)絡(luò)帶寬,其它I/O 性能受到影響; (3) 只能管理單個(gè)NAS ,很難將位于同一局域網(wǎng)中的多個(gè)NAS 集中管理。SAN 也存在以下缺陷: (1) 設(shè)備的互操作性較差,不同廠家的設(shè)備很難互操作; (2) 構(gòu)建SAN成本高,目前只有實(shí)力較大的企業(yè)構(gòu)建自己的SAN; (3) 管理和維護(hù)成本高,企業(yè)需要花錢培訓(xùn)專門的管理和維護(hù)人員;(4) SAN 只能提供存儲(chǔ)空間共享而不能提供異構(gòu)環(huán)境下的文件共享。

針對(duì)NAS 和SAN 的優(yōu)缺點(diǎn),目前出現(xiàn)了多種新的網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)技術(shù), 如: NAS Gateway (NAS head) 、基于IP 的SAN 技術(shù)、對(duì)象存儲(chǔ)技術(shù)。NAS 網(wǎng)關(guān)能將SAN 連結(jié)到IP 網(wǎng)絡(luò),使IP 網(wǎng)絡(luò)用戶能通過(guò)NAS 網(wǎng)關(guān)直接訪問(wèn)SAN 中的存儲(chǔ)設(shè)備,所以NAS 網(wǎng)關(guān)具有以下優(yōu)點(diǎn):能使NAS 和SAN 互連在同一LAN中,突破了FC 拓?fù)涞南拗?允許FC 設(shè)備在IP 網(wǎng)絡(luò)使用;減少了光纖設(shè)備的訪問(wèn)成本,允許訪問(wèn)未有充分利用的SAN 存儲(chǔ)空間?；贗P 的SAN 互連技術(shù)主要包括: FCIP( IP tunneling) 、iFCP、iSCSI、Infiniband、mFCP ,其代表技術(shù)是iSCSI 技術(shù)。iSCSI技術(shù)原理是將SCSI 協(xié)議映射到TCP/ IP之上,即將主機(jī)的SCSI 命令封裝成TCP/ IP 數(shù)據(jù)包,在IP 網(wǎng)絡(luò)上傳輸,到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)后,再恢復(fù)成封裝前的SCSI 命令,從而實(shí)現(xiàn)SCSI 命令在IP網(wǎng)絡(luò)上的直接、透明傳輸,使訪問(wèn)遠(yuǎn)程的SCSI 盤可以像本地的硬盤一樣方便。 存儲(chǔ)對(duì)象具有文件和塊二者的優(yōu)點(diǎn):象數(shù)據(jù)塊一樣在存儲(chǔ)設(shè)備上被直接訪問(wèn);通過(guò)一個(gè)對(duì)象接口,能象文件一樣,在不同操作系統(tǒng)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。NAS Gateway 雖實(shí)現(xiàn)了NAS 和SAN 在IP 的融合,但不是真正的融合,因?yàn)樗荒軐AS 設(shè)備和SAN 設(shè)備融合起來(lái)向用戶提供統(tǒng)一的存儲(chǔ)池,用戶也只能以文件I/O的方式訪問(wèn)存儲(chǔ)設(shè)備。對(duì)象存儲(chǔ)雖具有NAS 和SAN 的優(yōu)點(diǎn),但需要設(shè)計(jì)專門的對(duì)象存儲(chǔ)接口,需要對(duì)現(xiàn)有的文件系統(tǒng)進(jìn)行修改,這阻礙了它的進(jìn)一步普及推廣。

本文提出并實(shí)現(xiàn)了一種在IP 協(xié)議下融合iSCSI、NAS、SAN 的統(tǒng)一存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)(簡(jiǎn)稱USN) 。在USN 中,NAS 設(shè)備、iSCSI設(shè)備和SAN 設(shè)備并存,用戶可以塊I/O 的方式訪問(wèn)USN 中的iSCSI 設(shè)備和SAN 存儲(chǔ)設(shè)備,也可以文件I/O 方式訪問(wèn)USN 中的NAS 存儲(chǔ)設(shè)備和SAN 存儲(chǔ)設(shè)備,整個(gè)USN 是一個(gè)統(tǒng)一的存儲(chǔ)池。并且,USN 能同時(shí)提供服務(wù)器通道和附網(wǎng)高速通道向客戶機(jī)提供數(shù)據(jù),減少了服務(wù)器瓶頸,提高系統(tǒng)的I/O 速度。USN 既有NAS 的優(yōu)點(diǎn)(低成本、開放性、文件共享) ,又有SAN 的優(yōu)點(diǎn)(高性能、高擴(kuò)展性) 。USN 同NAS Gateway(NAS head) 技術(shù)、基于IP 的SAN 技術(shù)、對(duì)象存儲(chǔ)技術(shù)相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

　USN總體結(jié)構(gòu)
　　

USN 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。USN 由NAS 設(shè)備、iSCSI設(shè)備和SAN 設(shè)備,以及元數(shù)據(jù)服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器組成。用戶可以文件I/O 的方式訪問(wèn)USN 中的NAS 設(shè)備和經(jīng)過(guò)NAS頭訪問(wèn)SAN 中的存儲(chǔ)設(shè)備,也可以塊I/O 的方式訪問(wèn)USN 中的iSCSI 設(shè)備和SAN 中的存儲(chǔ)設(shè)備。USN 同時(shí)向用戶提供服務(wù)器通道和附網(wǎng)高速通道,對(duì)于元數(shù)據(jù)和小數(shù)據(jù)請(qǐng)求都經(jīng)過(guò)服務(wù)器通道完成,對(duì)于大數(shù)據(jù)請(qǐng)求則經(jīng)過(guò)附網(wǎng)高速通道完成,這樣大大提高整個(gè)系統(tǒng)的I/O 速度,減少服務(wù)器瓶頸。整個(gè)USN 是用基于IP 的技術(shù)構(gòu)建,可以兼容現(xiàn)有的存儲(chǔ)系統(tǒng),添加和刪除存儲(chǔ)設(shè)備都很方便。所以,整個(gè)系統(tǒng)的性能、擴(kuò)展性都很好。USN 真正實(shí)現(xiàn)了NAS 和SAN 的統(tǒng)一,即同一存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)中既有NAS 設(shè)備,又有SAN 結(jié)構(gòu);實(shí)現(xiàn)文件I/ O 和塊I/O 的統(tǒng)一,即用戶可以文件I/O 方式(文件為單位) 也可以塊I/O方式(塊為單位) 訪問(wèn)USN 中的設(shè)備;實(shí)現(xiàn)了文件協(xié)議和塊協(xié)議在TCP/ IP 協(xié)議上的統(tǒng)一,用戶可以NFS(Unix 用戶) 和CIFS(Windows 用戶) 訪問(wèn)USN ,也可以SCSI(iSCSI 用戶) 訪問(wèn)USN。

圖2 是USN 的軟件結(jié)構(gòu)圖,其中GMPFS 是全局多協(xié)議文件系統(tǒng),位于USN 系統(tǒng)中的各個(gè)應(yīng)用服務(wù)器上,它支持使用CIFS 協(xié)議的Windows 用戶對(duì)USN 的訪問(wèn),支持使用NFS 協(xié)議的UNIX用戶對(duì)USN 的訪問(wèn),也支持使用iSCSI 協(xié)議的塊協(xié)議用戶對(duì)USN 的訪問(wèn)。GMPFS 通過(guò)對(duì)目前存儲(chǔ)系統(tǒng)所使用的元 數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)展,采用啟發(fā)式的方法,收集用戶應(yīng)用信息,為用戶提供統(tǒng)一、方便、快捷的存儲(chǔ)訪問(wèn)接口以及合理的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案。ASA 是自主存儲(chǔ)代理模塊,它能夠自動(dòng)地發(fā)現(xiàn)海量存儲(chǔ)系統(tǒng)中存儲(chǔ)設(shè)備的種類和可利用的各種資源,自主地對(duì)這些存儲(chǔ)設(shè)備和資源進(jìn)行有效的統(tǒng)一管理和優(yōu)化。ASA 根據(jù)應(yīng)用的不同和應(yīng)用的具體需求,安排與應(yīng)用相適應(yīng)的存儲(chǔ)設(shè)備種類、性能以及可靠性和可用性等級(jí)等,并為I/ O 請(qǐng)求選擇合適的數(shù)據(jù)通道,使應(yīng)用得到最優(yōu)的存儲(chǔ)資源分配,從而使整個(gè)系統(tǒng)的性能達(dá)到最佳。