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分类: 服务器与存储

2008-07-31 10:18:02

前言 技术发展及未来展望

企业存储技术发展日新月异,早期大型服务器的 DAS 技术(Direct Attached Storage, 直接附加存储,又称直连存储),后来为了提高存储空间的利用及管理安装上的效率,因而 有了 (Storage Area Network,存储局域网络)技术的诞生, 可说是 DAS 网络化发 展趋势下的产物。早先的 采用的是光纤通道(FC,Fiber Channel)技术,所以在 出现以前, 多半单指 FC 而言。一直到 问世,为了方便区别,业界才分别以 FC- 及 - 的称呼加以分辨。

紧接着,为了能在多用户网络环境中,做好档案集中化分享管理的工作,采用全然不同 于以往的文件协议(File Protocol)数据存取方式的 NAS(Network Attached Storage;网络附加存储)方案也应运而生。它的出现,为以太网络的成熟及重要,做了最佳脚注。

日益发展及成熟的因特网,更进一步成为了 IP 存储方案成长壮大的最佳腹地及平台, 现成的架构、协议、标准、基础设施及管理工具,莫不吸引着寻求最佳存储方案者的目光。 此背景,加上 FC- 高不可攀的成本及管理门坎的障碍,另一存储成员 (Internet SCSI)也来报到了。 的出现,标志着低价化 方案的问世。

IP

所谓 亦即通过 IP 网络,将 SCSI 区块数据转换成网络封包的一种传输标准,它和 NAS 一样通过 IP 网络来传输数据,但在数据存取方式上,则采用与 NAS 不同的,而与 FC- 相同的 Block Protocol 协议。 最早是由 IBM 和 Cisco 于 2001 年制定的。 事实上,为了解决 FC- 在价格及管理上的诸多门坎,各家早有不同协议的 IP 的研究开发。这些 IP 的架构,其实与 大同小异,只不过并非走标准化的协议(事 实上,在 标准化之前,也没有什么标准不标准的问题),而是各家自行研发的协议,

所以基本上各家 IP 是不兼容的。 两大推波助澜的关键促因

在 尚未标准化之前,只有少数厂商投入 IP 的开发,因为每一家厂商皆开发 专属封闭协议的解决方案,所以这些方案之间无法完全兼容。在当时的市场上,由于发展 的厂商很少,所以支持的平台及软硬件等基础设施相当贫乏,这可说是 发展之 初的最大阻碍及瓶颈。

但接下来的两大事件,却被视为促进 发展与成熟的关键因素,那就是 标准 的正式通过,以及微软的正式支持。

SNIA(存储网络产业协会;The Storage Networking Industry Associate)于 2003 年 2 月 正式制定通过了 标准。业界莫将此标准化视为 发展历程中的最关键因素,自此 开始,有愈来愈多的厂商开始进一步开发合乎业界标准的相关产品。

在 的发展过程中,除了正式标准化具有重大意义外,微软紧接着在 2003 年 5 月 宣布在 WinServer 2003 中,正式支持 技术,并提供 驱动程序的下载。 微软这项作法,带动了整个 业界的发展。

之所以被看好,首先它根植于 IP 网络上,所以可以采用现有已经非常成熟的管理 工具及基础建设,可为企业节省大笔建设、管理的成本。更重要的是,IP 的人才资源非常 充沛。此外, 在数据传输距离上,几乎没有限制的优点,更吸引无数企业的目光。

10G 以太网会是 iSCSI 技术成长的基石

对于 的未来发展,诸多厂商都认为 与 NAS 的整合会是一大趋势。此外随着

10G Ethernet 的到来, 的理论带宽将会攀升到 10Gb 的极速,那么即使未来 FC 提升到

4Gb,速度上也仍然不是 的对手。

第一章 技术背景介绍

2003 年 2 月 11 日,IETF(Internet Engineering Task Force,互联网工程任务组)通过了 (Internet SCSI)标准,这项由 IBM、Cisco 共同发起的技术标准,经过三年 20 个版本 的不断完善,终于得到了 IETF 认可。这吸引了很多的厂商参与到相关产品的开发中来,也 推动了更多的用户采用 的解决方案。作为早已被广泛传播的网络存储技术,很多读者 都对这项技术耳熟能详。而 技术最重要的贡献在于其对传统技术的继承和发展上:其 一,SCSI(Small Computer Systems Interface,小型计算机系统接口)技术是被磁盘、磁带 等设备广泛采用的存储标准,从 1986 年诞生起到现在仍然保持着良好的发展势头;其二, 沿用 TCP/IP 协议,TCP/IP 在网络方面是最通用、最成熟的协议,且 IP 网络的基础建设非 常完善。这两点为 的无限扩展提供了夯实的基础。

协议定义了在 TCP/IP 网络发送、接收 block(数据块)级的存储数据的规则和方 法。发送端将 SCSI 命令和数据封装到 TCP/IP 包中再通过网络转发,接收端收到 TCP/IP 包 之后,将其还原为 SCSI 命令和数据并执行,完成之后将返回的 SCSI 命令和数据再封装到 TCP/IP 包中再传送回发送端。而整个过程在用户看来,使用远端的存储设备就象访问本地 的 SCSI 设备一样简单。支持 技术的服务器和存储设备能够直接连接到现有的 IP 交换 机和路由器上,因此 技术具有易于安装、成本低廉、不受地理限制、良好的互操作性、 管理方便等优势。早在 2001 年上半年,IBM 就推出了 IP Storage 200i,是市场上公认的第 一款基于 协议的产品,这款产品的出现,对于身处信息爆炸时代却无法承担光纤通道 环境高成本的中小型用户来说,具有巨大的吸引力;2001 年 10 月,Cisco 也推出了 SN5420 存储路由器,基于 IP 标准和 (Storage Area Network,存储区域网络)标准, 可以提供与现有 LAN(Local Area Network,局域网)、WAN(Wide Area Network,广域网)、 光纤和 设备之间的互操作,率先建立了 IP 网络与 之间的桥梁。现在,有更多的 厂商参与到 产品的开发中,如 Intel 已经推出了存储网卡 IP Storage PRO/1000 T, 将协议转化也就是封装、还原 TCP/IP 包的步骤转移到网卡上来执行,大大降低了服务器处 理器的占用率。同时,还有芯片、板卡制造商加入到 产品的开发中,如 Adaptec、Qlogic 等等。

第二章 技术的应用

在 IP 和 FC 领域的应用

很多用户对 的技术和优势比较了解,但是如何将 技术应用到实际中来,大 多数还不是很清楚,因此本白皮书将在下面的文章中着重阐述 技术的应用,希望能够 促进读者对 的理解,并能够帮助用户在面对 IP 与 FC(Fibre Channel,光纤通道) 的选择时,更多一份把握。

在这里,我们先介绍一个概念,即 IP Storage(IP 存储)。在 技术不断完善的过 程中,这个概念也早已被推向市场。简单的说,IP 存储就是基于 IP 网络来实现数据块级存 储的方式。由于 技术的固有优势,IP 存储更是让很多用户翘首以待,希望能够出现 一种大而统的方式,真正将存储规范化。

A 基于 技术的 IP 应用:

图一 基于 技术的 IP

图一为比较简单的 IP 结构图。例子中使用千兆以太网交换机搭建网络环境,由 如文件服务器、 target 如磁盘阵列及磁带库组成。在这里引入两个概念: 和 target。 即典型的主机系统,发出读、写数据请求;target 即磁盘 阵列之类的存储资源,响应客户端的请求。这两个概念也就是上文提到的发送端及接受端。 图中使用 (Host Bus Adapter,主机总线适配卡)连接服务器和交换机, 包括网卡的功能,还需要支持 OSI 网络协议堆栈以实现协议转换的功能。在 IP 中还可 以将基于 技术的磁带库直接连接到交换机上,通过存储管理软件实现简单、快速的数 据备份。

由图一可以看出,基于 技术,利用现有的 IP 网络搭建 IP 是极其简单的,且 无须对管理人员进行深入培训即可掌握存储网络的管理。基于 1Gb 的 IP 网络搭建 IP , 单通道数据传输速率可以达到 160MB/s 左右,因此 技术为用户提供了更高的性价比。

B 基于 路由器整合 FC 和 IP 应用:

如图二,为基于 路由器整合光纤通道网络和 IP 网络的结构图,将光纤通道存储网 络和 网络整合,提供现有局域网(LAN)、广域网(WAN)、FC 设备之间的互操作 性,特点如下:

通过 、光纤两种方式都可以访问 IP 网络中通用的存储设备; 通过 IP 网络访问 FC 中的存储设备; 改善存储资源的可管理性及可用性;

这种简单的配置可以在保证成本的前提下,满足用户的高可用性及高性能需求。在服务器、存储端,都可以通过高可用集群的方式实现高可用性,同时可以体现出光纤通道在处理 关键数据时的高性能。在数据安全性方面,此类路由器如 CISCO 的 SN 542X 系列,提供在光 纤通道交换机中普遍使用的逻辑单元号(LUN)映射功能,可以控制对特殊 LUN 的 target 的访问,因此,可以定位 target 中的重要数据,保证具有特殊权限的用户访问。如果用户对扩展性及高可用性有需要,存储路由器还可以通过堆叠的方式连接几台路由器,以满足用 户要求。

图二 基于 路由器整合 IP 及 FC

iSCSI 技术在 IP 远程备份中的应用

如图三所示,基于 技术实现 IP ,同时通过 IP 广域网络实现远程备份。由于 传统光纤通道 的操作距离在 10-20km 之间,因此要实现真正的远程备份、异地容灾还是 具备一定的地理局限性。在这个例子中使用通用的 IP 网络合并、扩展 ,具备极高的性 价比配置,可以实现远程备份、数据容灾和镜像等功能,同时还可以对远程存储进行实时操 作并能够通过 IP 网络访问其他 IP 存储。

图三 基于 的 IP 的远程备份 此配置的特点为:

IP 通过 IP 广域网实现与远程存储设备的连接;

服务器(initiators)和存储(targets)通过高性能 连接到 IP 网络;

IP 交换机互联 系统;

图四 整合 IP、FC 的远程备份

如图四所示,通过 IP 存储交换机互联光纤、 设备,构建完全整合的高性能存储网

络。相比于图三中的配置,此类 配置的整合度更高。设备中使用光纤或 连接 到交换机,存储交换机通过堆叠的方式以连接更多的设备。通过 IP 广域网, 能够访问 远程数据中心中所有的服务器和存储设备,这就实现了远程备份及灾难恢复。此类 的典 型特征如下:

基于 IP 网 ,IP络 存储交换机堆叠构建 组织的核心;

服务器和存储设备可以使用 或光纤,具有极高的可扩展性;

可以使用现有的光纤存储设备,以保护用户的前期投资;

基于 IP 网络,提供各种途径下的无缝整合,如果需要,可以转化成如图三中完全基于的

的 IP 存储网络;

在这两个例子中,用户可能会关心到 QoS(Quality of Service,服务质量)甚至安全 方面的问题,通过公用网络传输极其重要的数据资源可能会出现问题。这个问题也是客观存 在的, 协议中通过多种安全方式将这方面的隐患减到最低。第一,TCP/IP 网络连接本 身提供的高级服务及安全特性可以直接应用到 事物处理过程中,就 QoS 来说,IP 网络提供了广泛的解决方案如事物处理优先级、DiffServ(服务区分)、MPLS(Multi-Protocol Label Switching,多协议分类转换)、RSVP(Resource Reservation Protocol,资源预约协议)等,就安全性而言,IP 协议提供 ACLs(Access Control Lists)、VLANs(Virtual LANs)、 IPSec 及高级数据编码规则等方案。第二, 协议本身也提供了 QoS 及安全特性,首先 就是登录操作顺序,可以限制 仅向 target 列表中的目标发登录请求,再由 target 确认并返回响应,之后才允许通信;其次就是通过 IPSec 将数据包加密之后传输,包括数据 完整性、确定性及机密性检测等。第三,也是极为特殊的方式,即用户可以使用专有的网络以保证与其他事物处理分开,通过物理方式将数据传输完全隔离于公用网络之外,且可以保 证不会引起网络阻塞导致性能瓶颈。

技术的综合应用

如图五所示,主要数据中心通过 IP 存储交换机将独立的 存储网络、光纤存储网络、 NAS 设备和 IP 网络系统都整合到通用的 IP 网络平台中的大型应用,成为高度集成的 IP 数 据 。IP 存储交换机可以使用冗余或堆叠方式,通过 IP 网络提供 和 FC 的高可用性及高扩展性的互联。IP 存储交换机同时提供主要数据中心对 IP 广域网络中其他 的远程存储的实时访问,如将数据远程镜像到如图所示的远程数据中心中以达到备份数据的 目的。

图五 主要数据中心、部门级 应用及远程数据中心 主要数据中心的典型特征如下:

数据中心可以使用 FC 、 、NAS、服务器和 DAS 等各种存储方式作为存 储资源;

IP 存储交换机成为 、光纤通道、IP 服务器、NAS 设备互相连接的枢纽,实现了高 端的存储整合,扩展了通用 IP 网络技术的应用。

NAS 设备直接连接到 IP 存储交换机,为存储设备的扩展提供多种选择; 如图五所示,有两个部门级 应用,实际上可以基于 IP 网络扩展更多的部门级应用。

而此类 首要就是具备灵活的架构,能够满足部门级的应用即可。将日常工作产生的数 据通过 IP 广域网备份到远程数据中心,最终实现与主要数据中心、远程数据中心和 IP 系统 的整合。

部门级 的典型特征如下:

IP 通过 IP 广域网实现与主要数据中心的连接,并通过 IP 存储交换机、路由器访问 数据中心的 IP、光纤通道和 存储资源;

服务器(initiators)和存储(targets)通过 连接到 IP 网络;

IP 交换机互联 系统;

这个例子可以应用到数据块级存储要求的存储池构建、 和光纤通道等系统的备份, IP 扩展、镜像,最重要的应用就是提供了存储的数据容灾功能,且可以将不同配置的 应用实现统一的多级备份。

图五的例子即存储的企业级应用,多数用户的应用环境都包含或类似于其中的环境,从 概念上达到了存储相对统一的目的。

技术的应用,将本身协议完全不同的 IP 和 FC 加以整合,促进了存储资

源利用率的增长,并具有创新意义。随着 技术的完善,数据块级的存储应用将变得更 为普遍,存储资源的通用性、数据共享能力都将大大增强,并且更加易于管理。随着万兆以 太网络的成熟,IP 存储必然会以其性价比、通用性、无地理限制等优势飞速发展, 技术将联合 SCSI、TCP/IP,共同开创网络存储的新局面!

虽然目前 技术只是在存储设备的主机连接方面进入了应用阶段,但是这一应用已 经为存储系统的架构及工作模式带来了许多新的变化。 技术在未来将来把传统的 NAS 架构和 架构完全融和。我们可以把 技术看作这样一个结构:具有 NAS 一样的前端 管理部分,同时象 一样提供裸设备给主机使用。这样的结构使 技术比 NAS 技术具 有更广泛的适用范围,比 具有更丰富的管理功能。千万不要小看 的前端管理部分 的作用。由于这样的一个功能部分, 技术比传统的 NAS 或者 技术都更具有吸收其 他先进技术的能力。对虚拟存储技术的迅速吸收和整合就很好的说明了这一点。

目前很多 产品的供应商,都在其产品中集成了或多或少的虚拟存储技术,这其中 尤以 磁盘阵列厂商和 交换设备厂商为代表。例如,可以提供“不同容量磁盘混 用”和“跨阵列划分 LUN”等几种典型的虚拟存储功能。其实现机制也并不复杂,就是将提 供该项功能的软件写入 阵列的管理部分。

第三章 产品的组成

产品从功能上可以分为三个类别:起始端产品、连接件产品和目标端产品。 起始端产品就是指主机中的总线适配器和协议转换软件,这些产品的作用就是提供主机 端的 连接功能。一般情况下, 技术可以通过安装协议转换软件,在主机端实现。 即在主机上安装普通的以太网络适配器,并安装驱动程序,然后再安装协议转换软件,这样 这片普通的以太网络适配器就可以支持 协议了。目前比较流行的此类协议转换软件主 要来自 IBM 公司和 Cisco 公司。当然,纯软件的 协议转换效率比较低,而且占用了 主机的 CPU 资源。所以在一些性能要求比较高的环境中,可以选择带有 协处理功能 的专用 适配器。几乎所有的传统 FC 适配器厂商,都可以提供这种类型的 适配 器。此外,一些传统以太网络适配器的厂商也在进入这个产品领域,Intel 公司就已经推出

了自己的 IP 存储专用适配器,其性能与 FC 适配器厂商的产品已经不相上下了。 连接件产品就是指连接主机到存储设备的设备。这类产品又分做两种:提供 到 连接的设备,以及提供 到 SCSI 或者 FC 的连接设备。目前 到 的连 接设备相对较少,这是因为,毕竟 技术刚刚正式问世,其产品的覆盖范围有限,而且 就基本技术原理而言, 到 的连接,在通常情况下都可以通过普通的以太网络交 换机实现。真正需要专业化的 到 连接设备的,恐怕只有性能和安全性要求非常

高的超大型数据中心了。

到 SCSI 或 FC 的连接设备其意义则完全不同,这种设备提供了新老技术的互通。 一个已经购买了 SCSI 或 FC 存储设备的用户,如果希望能够搭建基于 的 IP-,而 又不浪费现有设备,那么 到 SCSI 或 FC 的连接设备就是其最好的选择。需要留意的 是,连接类产品正处在更新换代的过程中,其更新的内容主要是内嵌的虚拟存储功能。所以 用户在选择这类产品的时候,应该适当注意其中的虚拟存储功能的强弱。

目标端产品是指磁盘阵列、磁带库等存储数据的设备,这部分是存储系统中的核心所在, 通常也是整个存储系统的投资重点。

存储技术的进步并不仅仅只体现在一个 概念上,传统 ATA 技术的发展产生了 SATA,传统 SCSI 技术的发展产生了 SAS,存储管理技术的发展产生了虚拟存储和内容存 储技术。即便是 IP 存储领域本身,也还包括 FCIP、iFCP 和 iSNS 等几个方向, 技术 只是其中较早成熟的一个罢了。 最大的特点就是在于其对成熟的以太网络的借用,这 种借用体现在实施成本和管理维护的难度方面。

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