SAN技术简析

Storage Area Network（SAN）是针对大容量服务应用环境下的存储解决方案，它是位于服务器后面的存储网络，所有的服务器可以通过这个网络对任意的存贮介质进行读取和写入，而且通过采用特定的网络传输介质使得SAN可以扩展到广域，实现异地备份和恢复。由于SAN技术是建立在1Gb/s的光纤通道上面的，因此可以消除原来采用SCSI线连接服务器和存储设备时的NFS和I/O瓶颈，可以说，SAN是存储技术上一次巨大的进步。
什么是Storage Area Network
Storage Area Network（SAN）与通常所说的LAN和WAN有些类似，也是利用交换机、集线器等设备进行连接和组网；不同之处在于LAN采用的是以太网、令牌环、FDDI等协议，WAN采用的是帧中继、DDN等协议，而在SAN上采用的是光纤通道的协议如FC_AL等等。SAN是位于服务器的后台的一个网络，与服务器通过光纤通道结构连接，为服务器对存储设备的访问提供了巨大的灵活性和良好的性能。
存储方式的的演进
存储设备和服务器之间常见的连接方式有三种，第一种方式是将磁盘阵列或磁带库直接挂在服务器上面；第二种是将存储设备作为文件服务器的附属设备挂在局域网上，用户通过网络访问此设备；第三种是存储设备挂在Storage Area Network上，服务器通过光纤通道访问它。
图1 第一种连接方式示意图
在第一种方式中，磁盘阵列或磁带机与服务器通过SCSI线或光纤通道连接，与某磁盘阵列1相连接的服务器B如果要访问磁盘阵列1上的内容，必须间接地通过与该磁盘阵列相连接的服务器A来进行，此过程中数据必须经过局域网，然后经过服务器B进行处理。
这种连接方式的优点是结构简单，投资少，维护方便，但存在有一定的局限性，首先是当服务器之间需要协同工作，并且经常有大量的数据交换时，将会对局域网和服务器造成较大的压力，甚至会造成瓶颈；其次是此磁盘阵列的可用性完全取决于与之相连的服务器的可用性，如果服务器发生故障，用户将无法访问它所连接的磁盘阵列；另外如果需要在远端进行大数据量的备份，所备份的数据必须通过局域网和广域网才能备份到远端，效率较低。这种结构主要面向中小规模的应用，在大规模集群应用时将难以满足要求。
图2 第二种连接的示意图
第二种方式是采用文件服务器的方式共享存储空间，各种平台的服务器都可以通过局域网访问文件服务器，从而得到需要的数据。这种连接方式的优点是使用灵活方便，对服务器平台无特定的要求，可同时访问文件服务器内的相同内容，通过使用高可用性的文件服务器使整个网络的可用性得到提高，数据读写的速度也有了一定的改善（阵列自带的处理和操作系统进行了一些优化）。局限性是由于采用以太网等局域网作为数据的传输载体，对网络造成更大的压力，如果文件服务器本身效率不够高，则会影响其它所有服务器的服务质量。
第三种方式采用Storage Area Network（SAN），它是一个存储设备的网络，一台连接在SAN上的服务器可以直接访问到位于同一网络上的任一台存储设备，而且是通过100MB/s的光纤通道进行，大大缓解了对局域网和服务器的压力，提高了网络和服务器的工作效率。特别是对于大容量、高负荷的服务器来说，存储问题通常是限制其运行效率的主要因素，采用SAN后将会消除此瓶颈，使服务的质量得到明显改善。
SAN的结构
图3 Storage Area Network 的结构
一、硬件
1. 磁盘阵列
磁盘阵列通常由位于阵列机架上的多块磁盘组成，不同的磁盘之间通常是通过SCSI连接，整个阵列带有一个阵列控制器，并且带有一个或多个光纤通道接口。
此外SAN中的盘阵也可以仅仅是一些磁盘的组合，不带有磁盘控制器，这种结构称为JBOD（Just a Bunch of Disks）。它需要服务器上的软件对其进行RAID控制，整个阵列也是带有一个或多个光纤通道接口。
2. 磁带库
磁带库用于备份重要的数据以便在网络或系统出现故障的时候进行数据恢复以免造成不必要的损失。通常磁带库都是带有SCSI接口的，与光纤通道网络连接应当采用SCSI to Fiber Channel的Bridge进行转换，使之能够与SAN中的服务器进行通信。
3. Fiber Switch和Fiber Hub
Fiber Switch和Fiber Hub是SAN中的关键设备，正是通过这两种设备才使得不同的服务器和存储设备连接成一个存储网络，其作用与局域网中的交换机和集线器基本相似，区别在于所采用的协议和传输媒质有所不同。作为Fiber Switch和Fiber Hub来说，其交换和共享并非真正由纯光的结构实现，而是先将光信号转换成电信号，在电上进行处理，然后再转换成光信号输出。
光纤的交换机集线器系列分为几种，第一种是普通的集线器；第二种是交换式集线器；第三种是交换机；
光纤通道集线器的特点是将连在其上的所有设备如服务器和磁盘阵列等串成一个光纤通道仲裁环(Fiber Channel Arbitrated Loop)，在光纤中采用FC_AL协议，在集线器中内置了定时调整、自动故障监测和自动旁路有故障设备等功能，并支持SNMP网管等。它克服了传统的FCAL环中如果一个设备出现故障则整个环无法正常工作的缺点，而且造价较低，安装配置比较简便。但FC_AL Hub也有一些不足，首先光纤通道的带宽可以达到1Gb/s，但由于采用Hub进行联接，所有的设备共享1Gb/s的带宽，级联的设备越多，平均速率就越低，因此级联Hub的数量不能够太多，否则将降低存储的速率。特别是当Hub联接了远端（10km）的存储设备时，就更加影响速度。解决此问题的方法可以是将Hub分成几个不同的Loop，Switch Hub就可以实现Loop的划分。
图 4 Fiber Hub的内部结构
Switch Hub 可以将所联接的设备划分为多个环路，这样可以解决一个环路上服务器和存储设备太多而影响速度的问题，每一个环的速率都是1Gb/s。
Fiber Switch 与Hub和Switch Hub相比具有更强大的功能，在其背板上是全无阻塞的交换矩阵，可以真正为每个端口提供1Gb/s的带宽，N个端口的Switch就具有N?1Gb/s的带宽。当需要组成一个设备较多的SAN网时通常应当使用Fiber Switch，在其上加挂多个Fiber Hub。如图3所示。
4. GBIC
前面已经提到过Fiber Switch和Fiber Hub是通过电路来实现交换和组环的设备，每个端口接入光纤通道网络必须将电信号转换成为光信号，并且将从光纤来的信号转换成电信号进行处理，这个接口就叫做千兆接口转换器（Gigabit Interface Converter）。
5. 光纤接口卡
光纤接口卡是指联接光纤通道与服务器和磁盘阵列的设备，与以太网卡的功能比较类似。
6. Bridge
很多设备只带有SCSI接口，如果要联入Fiber Channel的SAN，必须经过一个转换设备，这种设备就叫作Bridge。
二、软件
1. 存储管理工具
存储管理工具包括与磁盘阵列控制器相配合的软件和对磁盘阵列提供RAID的软件。主要目的是为磁盘阵列提供一定的冗余，以便提高其可靠性。
2. 高可用性工具
SAN的应用环境不同与原有的磁盘阵列与服务器直接相连的方式。在原有的应用环境下可以采用双机备份的HA（High Availability）方式；在SAN情况下，服务器所能够访问的存储设备将变得很多，系统高可用性的就比原来的情况复杂得多，HA软件应当能够支持尽量多的服务器直接进行冗余备份和故障恢复，以及具有非常灵活的故障切换方式。
在大容量，多服务器负载分担完成特定服务的情况下，为保证服务的可靠性和连续性采用高可用性工具是非常必要的，也只有在SAN结构出现之后才使多节点的高可用性成为可能。
亚信的SAN解决方案
作为电信级Internet提供商，亚信公司基于对SAN技术的深刻理解和深入研究，能够根据不同用户的具体要求提供全面的SAN解决方案，以及完整的售前和售后技术服务，解决用户当前面临的存储方案中的瓶颈问题。亚信的SAN解决方案已在某种名的广东视聆通站点得到应用。
亚信的SAN解决方案具有以下几个特点。
高性能
亚信的解决方案中充分发挥了SAN本身的高效性，根据用户的实际要求采用不同的Fiber Channel设备如Fiber Switch等，在充分考虑用户经济承受能力的情况下尽量统一地采用高效的设备，避免SAN网络中的瓶颈。另外考虑到采用SAN方案时不可避免地涉及局域网的具体情况，在方案中将SAN与千兆以太网技术紧密地结合起来，使整个网络的效率得到整体的提升。
另外值得一提的是亚信的解决方案中采用了第四层交换的设备实现负载分担，不同的服务器之间可以平均地承担用户访问的处理，从而从另一个方面保证了系统整体上的高效性。
高可用性
为保证系统的高可用性，亚信的方案中采取了以下几个措施：
阵列本身的RAID冗余；
全冗余的Fiber Channel连接方式，在拓扑上每个设备都位于两个互为备份的FC_AL Loop中，不会因为一个Loop出现故障而影响正常工作。
Cluster Server的使用。采用Cluster Server后系统的高可用性得到进一步的保障，任何一台服务器出现故障都可以将服务切换到预先设定的其它服务器上，保证服务的连续性。
局域网部分的负载分担和全冗余是亚信解决方案中为保证高可用性所采取的重要措施。
可扩展性
为保护用户的投资，尽量适应未来的网络发展趋势，必须在方案中提供足够的可扩展性。在亚信的方案中将根据用户的实际情况以及未来几年的发展策略为用户最大限度地提供良好的可扩展性，使得用户在必要的时候能够方便和平滑地进行扩容和升级。
可管理性
亚信的SAN解决方案中为尽量减轻系统管理员的负担，提供了良好的系统可管理性，系统中的软件和硬件基本上都可以通过SNMP或Web Browser进行集中管理，使用起来非常方便。