网络存储系统基础介绍

如今的网络时代是资源共享的时代，各类信息资源的积累加剧了其膨胀性，人们对数据审视观念也发生了改变，不单单只是安全存储的数据，更把它们当成竞争优势的战略性资产；而且网络已经成为主要的信息处理模式。对数据传输、管理、维护、虚拟化等等要求，都意识着对数据存储技术的发展提出了全面的挑战，对存储体系结构提出了进一步的要求。
　　不管网络发展到何种阶段，用户最终需要的是数据。网络上大量的数据需要存储，如何才能简便、快速、安全地存储这些数据呢？这对存储系统的容量和速度提出了空前的要求。传统的以服务器为中心的DAS（Direct Attached Storage）方式（这种方式是将RAID硬盘阵列直接安装到网络系统的服务器上），已不能满足用户的需要，越来越多的用户已经从原来的‘服务器中心’模式转换为以‘数据为中心’的NAS和SAN上。
　　我们通过以下几个方面系统了解网络存储系统：
　　（一）直接连网存储（NAS）
　　（二）区域存储网络（SAN）
　　（三）IP SAN
　　（四）NAS与SAN的比较
　　（五）NAS与SAN的统一
　　（六）网络存储系统市场趋势
　　通过下面的讲解，希望可以给大家一个系统性的认识。随着市场对网络存储设备的需求，大量厂商对这块市场早已做大量的工夫，网络技术的发展，产品也是层出不穷。再下篇文章中我会对市场的主流产品进行详细介绍和讲评。
　　（一）直接连网存储（NAS）
　　NAS的全称是Network Attached Storage，中文翻译为直接连网存储。在NAS存储结构中，存储系统不再通过I/O总线附属于某个特定的服务器或客户机，它完全独立于网络中的主服务器，可以看作是一个专用的文件服务器。也就是说，客户机与存储设备之间的数据访问已不再需要文件服务器的干预，允许客户机与存储设备之间进行直接的数据访问。在LAN环境下，NAS已经完全可以实现异构平台之间的数据级共享，比如NT、UNIX等平台之间的共享。
　　NAS基础架构如下图
　　一个NAS包括处理器、文件服务管理模块和多个的硬盘驱动器用于数据的存储。 NAS 可以应用在任何的网络环境当中。主服务器和客户端可以非常方便地在NAS上存取任意格式的文件，包括SMB格式、NFS格式和CIFS格式等等。NAS 系统可以根据服务器或者客户端计算机发出的指令完成对内在文件的管理。
　　此外，与传统的将RAID硬盘阵列安装到通用服务器上的方法相比，NAS系统还具有以下优点：
　　首先，NAS系统简化了通用服务器不适用的计算功能，仅仅为数据存储而设计，降低了成本。并且，NAS系统中还专门优化了系统硬软件体系结构，其多线程、多任务的网络操作内核特别适合于处理来自网络的I/O请求，不仅响应速度快，而且数据传输速率也更高。
　　其次，由于是专用的硬件软件构造的专用服务器，不会占用网络主服务器的系统资源，不需要在服务器上安装任何软件，不用关闭网络上的主服务器，就可以为网络增加存储设备。安装、使用更为方便。并且，NAS系统可以直接通过Hub或交换机连到网络上，是一种即插即用的网络设备。
　　再次，由于独立于主服务器之外，因此对主服务器没有任何需求。如此可以可大大降低主服务器的投资成本。
　　最后，NAS具有更好的扩展性，灵活性。存储设备不会受无地理位置的拘束，在不同地点都可以通过物理连接和网络连接连起来 。
（二）区域存储网络（SAN）
　　SAN——Storage Area Network ，中文翻译为区域存储网络，是一种网络化的基础设施。我们可以通过SAN基础架构，更清晰了解它。
　　SAN基础架构
　　

　　通过互连光纤通道交换机构造的高速网，连接所有的服务器和所有的存储设备，让多个主机访问存储设备跟各主机间互相访问一样方便。
　　这些互连的交换机形成了SAN的核心——光纤通道（Fibre Channel），也就是FC技术，FC是ANSI为网络和通道I/O接口建立的一个标准集成。
　　而光纤通道协议是SAN的另外一个本质特征，SNA就是利用光纤通道协议上加载SCSI协议来达到可靠的快级数据传输，它主要支持HIP PI、IPI、SCSI、IP、ATM等多种高级协议。
　　SNA的最大特性是将网络和设备的通讯协议与传输物理介质隔离开。 这样多种协议可在同一物理连接上同时传送，高性能存储体和宽带网络使用单I/O接口使得系统成本和复杂程度大大降低。如通过将多台大型交换机连接在一起，能够构建可提供数百个端口的SAN，适应增长型企业不断剧增的信息存储容量的需要。
　　并且光纤通道支持多种拓扑结构，主要有：点到点（Link）、仲裁环（FC-AL）、交换式网络结构（FC-XS）。
　　SAN凭借着FC技术的特性决定了它的诸多优势：
　　首先，在一些关键应用中，传输块级数据要求必须使用SAN——尤其是多个服务器共同向大型存储设备进行读取。由于在数据传输时被分成小段，使SAN对服务器处理的依赖较少，可以有效地传送爆发性的块数据，SAN的性能及可靠性就得到了充分的发挥。
　　其次，利用光纤通道速度快的优势通过局域网，SAN可以实现远程灾难恢复。一般地，使用E3信道，SAN可以在不降低性能的同时将部件间的距离增加至150km。
　　再次，SAN采用可伸缩的网络拓扑结构。通过具有较高传输的光纤通道连接方式，提供SAN内部任意节点之间的多路可选择的数据交换，这样将数据存储管理集中在相对独立的存储区域网内。
　　最后，很重要的一点，SAN的管理是集中而且高效的。用户可以在线添加/删除设备、动态调整存储网络以及将异构设备统一成存储氐取?
　　这里重点强调FC SAN一个弱点，这个缺陷主要是它的物理机理决定的，它无法使存储设备随它在网络上运行，从而无法满足应用前端对存储数据“无时不有、无处不在”的要求。FC SAN的物理布线有限，不超过50KM。这样容易形成存储“孤岛”现象。
　　（三）IP SAN
　　数据的急剧倍增，给很多企业带来了压力，并开始将存储系统从直接连接存储（DAS）向区域存储网络（SAN）迁移，SAN无疑是理想的选择，从上文介绍的优势，我们知道它可以提升灵活性、改善资产利用率和加大关键业务数据保护能力来获得更多的利益。但FC SAN基于FC技术，其成本以及管理难度都让众多中小企业望尘莫及。
　　另一方面，由于 SAN本身技术的局限，最主要的问题是它与应用网络的异构性，出现了“孤岛”现象。很多专家就认为，应该寻求一种新的方式，以与应用网络相同的体系架构、技术标准去构造存储网。而从技术构造还是经济成分角度分析，SAN就成了理想的对象。
　　为此，以IP网络起家的网络厂商巨头Cisco和IBM联手，专门研究与开发iSCSI技术标准。于是，一种新兴的、既降低成本又简化管理是IP SAN技术应运而生。
　　IP SAN通过结合iSICI和千兆以太网的优势，不仅提供了FC SAN的强大的稳定性和功能，还省掉了FC不菲的成本，简化了设计、管理与维护，降低了各种费用和总体拥有成本，从而成为数据量高速增长企业的新选择。
　　目前主流的三种IP存储方案包括：互联网小型计算机系统接口（Internet Small Computer Systems Interface，简称iSCSI）、互联网光纤通道协议（Internet Fibre Channel Protocol，简称iFCP）和基于IP的光纤通道（FCIP）方案。
　　虽然三种IP存储方案都有成本低、灵活性强、可管理性好、距离适中、以及对以太网技术熟悉。而基于IP存储技术的SAN，兼具了FC SAN的高性能和NAS的文件共享优势，为新的数据应用方式提供了更加先进的结构平台。在多种SAN孤岛互连技术解决方案中，IP SAN也显现出明显的优势。

（四）NAS与SNA的比较
　　我们看到的SNA和NAS，无非就是字母顺序颠倒，而且随着网络存储的发展和应用，两者之间的界限越来越模糊，在下一节我们会谈谈他们统一的趋势。
　　NAS与SAN的本质区别在于以太网与FC，两者的命运系于TCP/IP协议。这些本质区别是从网络架构来说的。现在主要还是介绍他们之间性能的一些差别，主要从下面几个方面来比较：
　　文件管理系统
　　我们可以看出，NAS和SAN最大的区别就在于NAS有文件操作和管理系统。SAN结构中，文件管理系统（FS）还是分别在每一个应用服务器上；而NAS则是每个应用服务器通过网络共享协议（如：NFS、CIFS）使用同一个文件管理系统。
　　异构下的文件共享
　　由于NSA有存储操作系统，而SAN却没有这样的系统功能，反而具有数据功能，从这些意思上看，SAN是独立出一个数据存储网络，网络内部的数据传输率很快，但操作系统仍停留在服务器端，用户不是在直接访问SAN的网络，因此这就造成SAN在异构环境下不能实现文件共享。SAN是只能独享的数据存储库，NAS是共享与独享兼顾的数据存储库。
　　数据备份方式
　　NAS没有解决与文件服务器相关的一个关键性问题，即备份过程中的带宽消耗。与将备份数据流从LAN中转移出去的SAN不同，NAS仍使用网络进行备份和恢复。NAS 的一个缺点是它将存储事务由并行SCSI连接转移到了网络上。也就是说LAN除了必须处理正常的最终用户传输流外，还必须处理包括备份操作的存储磁盘请求。
　　文件读写实现
　　NAS采用了NFS沟通Unix阵营和CIFS沟通NT与Unix，这也反映了NAS是基于操作系统的“文件级”读写操作，访问请求是根据“文件句柄+偏移量”得出。句柄是比进程还要小的单元，通常用作进程之间通信、资源定位等。SAN中计算机和存储间的接口是底层的块协议，它按照协议头的“块地址+偏移地址”来定位。从这点说，SAN天生具有存储异构整合的存储虚拟化功能。
　　（五）NAS与SNA的统一
　　比较两者的优势，总的来说，SAN对于高容量块状级数据传输具有明显的优势，而NAS则更加适合文件级别上的数据处理，而实际上SAN和NAS之间的特点是互相补充的存储技术。
　　对于用户而言，通过NAS可以更好的处理文件级信息而不占用应用服务器的CPU资源，并且NAS可以经济地解决存储容量不足的问题，但性能上难以获得满意；对于关键事物应用而言，需要大量的存储容量和高性能的传输模式，则SAN提供了很好的解决方案。
　　但这两种结构，都存在人们所呼吁的“信息孤岛”的现象，之前认为SAN的诞生使得NAS信息孤岛可以共享，随着对网络存储的种种要求，SAN也到达了另一种“孤岛”的现象。因此对SAN的互连的呼声与日俱增。
　　一些其他的信息技术趋势也已经驱使NAS与SNA的融合采用。如一些分散式的应用和用户要求访问相同的数据；对提供更高的性能、高可靠性和更低的拥有成本的专有系统的高增长要求，等等。
　　目前，居于这种趋势，众多厂商纷纷推出了融合NAS和SAN的存储解决方案。虽然每个方案都有自己的特色，总体来看，主要可以分成两类：一种是“SAN+NAS网关”；另一种是“NetApp统一存储系统”。
　　SAN+NAS网关
　　NAS网关通过IP网络连接到基于光纤通道的存储上，架起一座连接NAS与SAN网络的桥梁。NAS网关也就相当于SAN网络之间的相连的“接口”，网关间可以连接以太网交换机形成NAS网络。这样，一个“SAN+NAS网关”既可提供文件系统共享，有可以提供高容量块级的综合应用。因此NAS和SAN融合可以说是帮助用户较全面地解决了网络存储的应用问题。但这种方式也存在着缺点，在整个这样的系统中，有可能存在两套不同的NAS网关，这就造成管理的复杂程度加剧，并且彼此之间的空间无法进行有效利用。 因此，人们也提出NAS网关只是NAS和SAN的融合这个概念的入门基础的概念。
　　通过下图介绍一下NAS网关的工作原理，方便大家理解。
　　

　　NAS网关通过IP连接客户机可以以文件的方式访问SAN上的块级存储。他主要通过标准的文件共享协议（如NFS和CIFS）来处理来自客户机的请求。
　　当NAS网关收到请求后，就把该请求转换为向SAN中的存储阵列发出的块数据请求。存储阵列处理完请求后，把处理结果发回给网关。这时NAS网关将块信息转换为文件数据，再发给客户机。要是把NAS与IP网络连接的NAS网关连接在一台光纤交换机上，那么NAS网关就可以访问连接多个存储阵列的SAN网络了。
　　NAS网关由于支持不同的SAN连接设备，可以组成多层存储，并且使用已有的管理工具管理SAN数据，因而优化和延长了存储资源的使用寿命。
（五）NAS与SNA的统一
　　NetApp统一存储系统
　　真正的NAS和SAN的融合就是这单台存储既可以当NAS也可以当SAN存储设备来用，其中的主要区别在于是用网线还是用光纤。基于这一点，我们可以看到市场上，NetApp应该说做得很不错！
　　在这里，有必要向大家解释前面所提到的SAN与NAS界限越来越模糊的说法。
　　之前有一段时间，NAS完全表示利用IP的文件传送，而SAN则表示光纤通道。后来在NAS厂商Network Appliance的努力，NAS设备增添了光纤通道和iSCSI功能后，NAS看起来就很像SAN了。而SAN也由于本身的局限，也基于iSCSI技术标准开发了IP SAN。业界就有这样一句话就体现着这一特点，“……也许披着SAN外衣的NAS真的应该被认为是SAN。”而想区别可能就是决定于NAS与SAN混合结构中所采用的协议了：IP、光纤通道，或者iSCSI。
　　目前NetApp的引以为豪四条产品线，体现出统一化网络存储理念。这种实现方式和在SAN+NAS网关正好相反，不是SAN到NAS的支持，而是NAS到SAN的支持，既在原有的NAS基础上，增加对FCP协议的支持。
　　对于NAS本身具有操作系统和文件系统来说，仅仅是对一个协议的支持。这样，在同一个网络存储可以通过不同的接口卡完成对SAN和NAS的同时支持，如通过以太网卡提供NAS的访问服务，而同时又可以通过HBA卡提供SAN的访问服务。同时，可以看到这种实现的模型其管理还是原有的NetApp的产品，因此管理复杂程度没有大幅度改动。换言之，这种统一网络存储也给SAN的存储带来了一种简单化的实现方式。

　　（六）网络存储系统市场趋势
　　我们来了解近期存储市场动态：
　　作为存储第一号人物的EMC公司在国内推出针对低端用户的CLARIION AX100系列产品，它的发布预示着EMC进军国内低端存储市场。在9月上旬就分别推出低阶和中阶的NAS ——Celerra NAS系统。
　　新款Celerra NS500系统具有整合型以及闸道器的组态，提供一款低成本的入门级方案。此外就是Celerra NS704G NAS闸道器，为一款中阶NAS系统。
　　IBM在六月份就宣布推出了全新的中低端存储产品及解决方案，以更低的成本帮助中小企业用户解决数据存储和保护问题，提高业务连续性和有效性。
　　在9月上旬，宣布将发表中型企业建立SAN的低价磁碟服务器。
　　一款是DS300采用了ISCSI介面，也就是以先有的Gigabit Ethernet高速以太网网络协议为基础，因此可以比传统采用FC SAN还要便宜。这套服务器拥有Ultra 320 ISCSI硬碟，电池备份快取及电源供应。IBM表示，该系统起价2995美元。IBM此举也反映出，由于储存系统的软、硬体厂商试图降低成本以吸引中小企业。
　　另一款是5.25寸高的DS400——一套2GB光纤通道的储存系统，起价为5254美元。
　　另外一方面IBM还帮助Emulex推出入门级FC SAN交换机，而且双方协议有IBM销售一款定制版本的交换机。
　　HP向中国市场推出了HP StorageWorks MSA1500产品，旨在为用提供灵活的存储解决方案来进行数据分类存储管理。
　　MSA1500是一款采用2Gb光纤通道的SAN存储系统，利用现有的SCSI驱动器机柜和HP Storage Works MSA1000控制器技术，可以集成低成本的惠普SATA硬盘驱动器和机柜。 这种结构为用户提供了低成本、高容量的存储系统。
　　日立公司于今年五月份宣布，为Thunder 9500V系列模块存储系统推出SATA混插选项。它能够被添加到现有的Thunder 9500V系统中，从而在同一系统内实现兼具高速光纤通道和更低成本SATA磁盘优势的分层存储解决方案 。
　　从上面的动态了解，各大存储厂商都瞄准了中小企业。
　　其实从存储技术的发展趋势，我们就可以看出，中小企业已经成为存储市场一批新起的用户。在存储市场中，他们目前数量虽小，影响甚微，但是他们确实满满成为主导存储市场变局的一群新用户，同时又恰恰是国内存储厂商们的希望所在。
　　就目前来讲，国内用户对存储设备的需求极其旺盛，比如浪潮，推出存储产品后不到半年的时间内就签下了几十定单，客户涉及的领域也很广泛。当然，对于中小企业市场，利润不高，这可能是之前各大厂商视而不见的缘故，但市场需求量，其中的商机、潜力日益明朗。不管国外国内，都想率先抢占中小企业市场。