存儲區域網路

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存儲區域網路(Storage Area Network，SAN)

　　存儲區域網路是一種面向網路的存儲結構，是以數據存儲為中心的。SAN採用可擴展的網路拓撲結構連接伺服器和存儲設備，並將數據的存儲和管理集中在相對獨立的專用網路中，面向伺服器提供數據存儲服務。伺服器和存儲設備之間的多路、可選擇的數據交換消除了以往存儲結構在可擴展性和數據共用方面的局限性。

　　通過協議映射，SAN中存儲設備的磁碟或磁帶表現為伺服器節點上的“網路磁碟”。在伺服器操作系統看來，這些網路盤與本地盤一樣，伺服器節點就像操作本地SCSI硬碟一樣對其發送SCSI命令。SCSI命令通過FCP、iSCSI、SEP等協議的封裝後，由伺服器發送到SAN網路，然後由存儲設備接收並執行。伺服器節點可以對“網路磁碟”進行各種塊操作，包括FDISK、FORMAT等，也可以進行文件操作，如複製文件、創建目錄等。

　　採用SAN的存儲解決方案的優點有以下幾個方面。

　　1.解決了存儲網路和應用網路爭用網路帶寬的問題。通過將所有的存儲設備單獨構建一個存儲網路，實現伺服器通過SAN訪問數據，而客戶端不能直接訪問存儲設備。

　　2.提高了存儲性能。由於SAN採用了光纖通道技術，所以它具有更高的存儲帶寬。SAN的光纖通道使用全雙工串列通信原理傳輸數據，傳輸速率高達100Mbit／s，並且支持200Mbit／s的光纖通道交換機也已經出現。

　　3.平滑增加存儲容量。在SAN環境下，存儲設備可以動態加到磁碟池內，並且根據需要隨時分配給與SAN相連的伺服器。

　　4.數據移動解決方案。SAN的出現使不使用伺服器(ServerFree)和不使用網路(LANFree)的數據拷貝成為可能，減輕了伺服器的處理負擔和對網路帶寬的爭用。

　　5.備份和恢復解決方案。傳統的本地備份和恢覆成本高、設備利用率低、管理複雜，網路備份和恢復是一種高性價比的方法，但是要占用大量的網路帶寬。SAN將一到多台磁帶設備分配給每個伺服器，使用光纖通道協議將數據直接從磁碟設備傳遞給磁帶設備。

　　6.容災和恢復。使用SAN基礎結構，可以實現遠程的容災和恢復。當需要更長距離的備份時，SAN可以使用網關和WAN進行連接，因此SAN也適合於複雜網路應用。

　　SAN在很大程度上滿足了存儲系統在可用性和伸縮性方面的需求，但傳統的SAN受限於現有的光纖傳輸方式，價格昂貴，而且缺少遠距離的支持。同時，SAN方案不是採用傳統的IP技術，所以一般管理員並不熟悉，需要進行有專門的培訓，因此增加了相應的運行維護成本。

　　DAS、NAS、SAN3種存儲方式目前基本滿足了企業信息系統在單伺服器擴容、伺服器雙機高可用性集群以及網路文件共用等的需求。同時，NAS和SAN逐漸成為企業首選的存儲解決方案。3種存儲方式的比較如圖所示。

　　從圖中可以看出，在DAS方式下應用系統、文件系統和磁碟存儲系統之間的連接是直接進行的；在NAS方式下磁碟存儲和文件系統是在一起的，然後通過網路與應用系統連接；而SAN方式則把磁碟存儲系統獨立出來，通過網路將它與應用程式和文件系統相連接。

　　FC SAN存在互操作性問題，儘管不同廠商都採用光纖通道協議，但協議的具體實現在各個廠商之間有所不同，因而各個廠商的設備之間的互操作性問題不能得到很好地解決。同時，FC光纖通道理論上最長的傳輸距離為10km左右，雖然較本地連接中的傳統乙太網擴展了很多，但在互聯網存儲應用中仍會形成信息孤島。為了提高SAN的應用範圍，充分利用SAN本身所具有的架構優勢，許多存儲和網路設備商開始考慮摒棄“陌生”的FC。與此同時，在基於IP的互聯協議取得了巨大成功的背景下，人們開始考慮在熟悉的、廉價的IP網路上構建SAN。這就導致了“Storage over IP”(簡稱“SoIP”)即IP存儲的誕生。

　　1.採用SAN的歷史原因

　　SAN的最初目標，是將備份流量從區域網的網路流量中分離出來，並且為多台電腦提供對備份磁帶庫和集中化的數據存儲的共用訪問。在區域網的初期，區域網上產生和傳輸的數據量並不是一個顯著的問題。用戶產生的所有數據可以保存到區域網伺服器的磁碟驅動器上並備份到軟盤上。在早期，隨著數據量的膨脹，可以將額外的驅動器添加到伺服器中以進行數據存儲，磁帶備份設備也可以直接連接到伺服器上或者直接將磁帶備份設備連接到區域網以提供足夠的備份容量，並且對區域網或伺服器的性能不會帶來很大的影響。即便隨著數據量和數據流量的持續增加，這些備份設備也可以整晚運行以防止白天對網路造成阻塞，而且能夠在正常的業務時間內確保為用戶提供足夠的網路性能。

　　隨著組織機構開始實施能夠保存幾百GB甚至TB級有價值數據的大型資料庫伺服器時，所有的情況都發生了改變。如今，備份操作再也不能在夜間完成。結果會導致備份操作必須整天持續不斷地運行，這樣就對網路性能造成了顯著的影響。

　　SAN的引入，減輕了區域網中由於進行數據備份而引起額外的網路流量所帶來的性能損失。採用SAN，數據備份和數據存儲可以從區域網上移開，同時仍然提供集中式數據應用並且為區域網上的用戶提供數據的共用式訪問。

　　2.採用SAN的當前原因

　　採用SAN的許多當前原因來自於要求數據在所有的時間內，每周7天，每天24小時，並且全年365天都可用，甚至不允許有一刻停機的需求。將數據的不可用歸結於硬體失效是不可接受的，並且在數據不可用的情況下而繼續組織機構的運轉也是無法想象的。由於這些標準，提供SAN解決方案的公司引入了軟硬體來提供高可用性、災難恢復以及業務的持續運行。

　　高可用性(HA，High Availability)意味著即使硬體或軟體失效時，數據也總是可用。通常，HA包含多個存儲設備，每個存儲設備都有組織機構的一份數據副本。如果保存某份副本的硬體失效了，則另一存儲設備是立刻可用的。另外，通常將多個伺服器配置成共同進行數據訪問。如果一臺伺服器失效了，則另一伺服器即刻可用以完成數據請求。

　　災難恢復是將數據從災難性丟失中進行恢復的過程。這個過程包括將數據備份到SAN上的高端磁帶庫中，在遠離工作場所的地點保存多份數據副本。這些遠離工作場所的數據存儲的地點，通常由負責運行和維護數據的另一組織機構指定。現代SAN能夠滿足將數據傳輸至磁帶庫上，而且高速的電信服務使得SAN之間的數據傳輸和複製成為一種有效的災難恢復機制。在災難性數據丟失事件中，數據既可以從保存在遠離工作場所的數據存儲設施(即磁帶)上得到還原，也可以通過高速載波線路將數據還原到首要工作地點。

　　業務的持續運行是現代SAN支持的另一種數據可用性策略(同時它也是一個時髦用語)。一個位置的SAN同另一位置的SAN通過高速載波服務連接在一起，數據就可以持續地複製到遠端的SAN上。如果有災難性的數據丟失，比如說，第一工作地點的物理結構受損，但業務操作仍可以立即傳輸至遠端。業務的持續運行是可能的，因為在遠端維護了一份所有數據的相同副本。

　　拋開歷史的和當前的原因，所有這些SAN的數據存儲和數據可用性策略，只有通過不斷發展的SCSI協議才有可能。

　　SAN主要面向企業級存儲。當前企業存儲方案所遇到的問題是：數據與應用系統緊密結合所產生的結構性限制，以及目前小型電腦系統接N(scsr)標準的限制。SAN之所以被認為是適合企業級存儲的方案，是由於SAN便於集成，並且能夠改善數據可用性及網路性能，而且還可以減輕管理作業。

　　SAN主要用於存儲量大的工作環境，如ISP、銀行等，但現在由於需求量不大、成本高、標準尚未確定等問題影響了SAN的市場，不過，隨著這些用戶業務量的增大，SAN也有著廣泛的應用前景。

　　SAN解決方案的優點包括：

　　(1)SAN提供了一種與現有LAN連接的簡易方法，並且通過統一物理通道支持廣泛使用的SCSI和IP協議。SAN不受現今主流的、基於SCSI存儲結構的佈局限制。特別重要的是，隨著存儲容量的爆炸性增長，SAN允許企業獨立地增加它們的存儲容量。

　　(2)SAN的結構允許任何伺服器連接到任何存儲陣列，這樣不管數據放置在哪裡，伺服器都可直接存儲所需的數據。

　　因為採用了光纖介面，SAN還具有更高的帶寬。因為SAN解決方案是從基本功能剝離出存儲功能的，所以運行備份操作就無需考慮他們對網路總體性能的影響。SAN方案也使得管理及集中控制實現簡化，特別是對於全部存儲設備都集群在一起的時候。最後一點，光纖介面提供了10km的連接長度，這使得實現物理上分離的、不在機房的存儲變得非常容易。

　　要在企業環境中成功實施SAN的應用，基本建設至關重要。此處根據業務的數據特征，展示一個典型的成功案例。通過關鍵技術的實現，來瞭解如何構建SAN存儲環境。

　　1．業務的主要數據特性

　　對數據安全性、存儲性能、線上連接性和文件系統級的靈活性要求高，並對分散數據需要備份，又具有超大型海量存儲。

　　2．用戶狀況

　　某大型企業通信部門主要從事接收、處理、存檔和分發各類全球性衛星數據，以及衛星接收技術和數據處理方法的研究。衛星的觀測信息以圖形方式顯示，通過地面接收轉換成數字格式保存，但每條信息所占用的存儲空間都很大，每天的數據量在幾百MB到2GB之問。由於線上數據存儲空間有限，特別是用戶要通過HDDT磁帶方式對數據進行存檔管理，並需要以人工方式管理磁帶，從而使得數據查找效率低下，大量珍貴數據得不到有效利用。

　　3．需求分析

　　由於線上數據存儲量大約在1～2TB，併在包括Sun、SGI、IBM的小型機和PC伺服器在內的主機環境中還要增加曙光超級電腦，而且多台主機不僅集中存儲，還要能夠共用數據。另外，衛星下載資料以文件格式保存，單個文件可達GB級。針對這些需求，進行方案設計時首要考慮的因素是設備的容量和性能，以及系統的線上連接性和數據的共用。在此基礎之上，還要擴大線上系統容量，建立自動化的數據備份系統，實現離線存儲數據的自動管理。

　　4．系統設計

　　如前所述，原環境中已存在一些網路設備，在構建SAN時增加一臺光纖通道交換機和一臺光纖通道磁碟陣列。由於用戶的應用需要不同平臺的多台主機共用數據，因此還要配備文件共用軟體和網路文件系統轉換的軟體。本方案採用HDS公司的Thunder9200和IBM公司的光纖交換機2109—S08或S16組建存儲區域網路，其拓撲結構如下圖所示。

　　由於同一文件要被多台主機編輯、處理與訪問，而且文件非常大，無論在SAN還是在LAN上傳輸都很浪費資源，因此要採取文件共用的方式，讓所有主機訪問文件的同一個拷貝。在多主機混合平臺的情況下，採用IBM Tivoli SANergy軟體，配以支持在Windows NT上實現NFS共用的軟體NFS Maestro。

　　在此方案成功實施運轉一個時期後，由於業務發展迅猛，系統的數據量快速增長，用戶又提出增加線上存儲容量和建立自動數據備份系統的需求。事實上，富有經驗的集成商在系統設計初期已考慮到未來的擴展問題，當需要增加線上容量時，用戶只需購買一臺新的HDS Thunder 9200，將其連接到SAN上，它提供的存儲空間即可分配給SAN上的任意主機，還能集中管理數據。當用戶需要做自動數據備份時，根據對容量和備份視窗的要求來選擇IBMSAN解決方案中的自動磁帶庫(如LTO系列)，將其與備份伺服器連接到SAN上，即可進行集中，且自動進行數據備份。擴容後的存儲區域網拓撲結構如下圖所示。當設備數量增加較多時，可以通過交換機堆疊或級聯來增加SAN的連接能力。

　　該方案在性能、可靠性、擴展性和功能上滿足了以下要求：

• 性能。高性能的光纖通道交換機和光纖通道協議可以確保設備連接可靠且有效。
• 可靠性。磁碟陣列通過寫緩存鏡像、多RAID等級和全局熱備份盤等技術提供不同的保護特性，並通過線上數據校驗，保證數據完整性。
• 擴展性。使存儲與直接主機連接相分離，確保動態存儲分區。
• 功能。基於SAN結構的文件級共用是本方案的關鍵。

• 網路附加存儲
• 統一虛擬存儲
• 直接連接存儲