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  数据架构 - NetApp

NetApp

  一、NAS、SAN、ISCSI及统一存储(UNIFIED STORAGE)技术简述
  1.1 磁盘存储技术的历史发展
  磁盘存储技术历史发展如下图所示:

  1956年磁盘出现,首先以内置的方式为计算机存储数据;随着计算机的应用越来越重要,为了扩大存储容量、防止数据丢失、提高IO性能出现了RAID技术;后来,为了满足服务器HA需要,磁盘从内置走向外置,产生了外置SCSI盘阵。
  1973年,以太网诞生,1982年,以太网标准确定。以太网的出现产生了数据共享的需求,于是1984年诞生了NFS协议,即通过文件服务器用来提供网络文件共享,也就是NAS;由于采用通过操作系统组建的文件服务器存在性能不足、可靠性不够、安全漏洞多、不易管理和维护等问题,90年代初产生了专用NAS;随着NAS的应用越来越广泛,越来越重要,为了提供可以保证的带宽,出现了存储LAN和企业级的NAS做为企业级存储的承载。所以说,NAS是为了解决数据共享问题和优化文件存储的一种存储,是文件服务+IP
  以太网的出现,同样给存储系统带来了启示。但是,由于当时的以太网只有10Mb/s,而且当时理论上认为以太网最高只能到100Mb/s,于是在借鉴了网络的概念后,1994年诞生了FCP(Fibre Channel Protocol)协议,也就是存储局域网络SAN。所以说,SAN是为解决DAS的问题而产生的存储技术,是DAS+网络
  1998年,千兆以太网标准化的完成使以太网的带宽得到了极大的飞跃,同时电口(铜缆)以太网的商业化带来价格的大幅度下降。由于SAN存在成本高、兼容性不好、不易部署和管理等问题,于是又重新把以太网络引入存储系统,2004年IETF组织通过了iSCSI标准,诞生了iSCSI。所以说,iSCSI是为解决SAN的成本、兼容性、不易部署和管理等问题而产生的技术,是SAN+IP,所以iSCSI也叫IP SAN

  1.2 DAS
  DAS是Direct Attached Storage的简称,中文称为“直连存储”, 迄今已经有近四十年的历史。在这种方式中,存储设备是通过电缆(通常是SCSI接口电缆)直接到服务器的,I/O请求直接发送到存储设备。它依赖于服务器,其本身是硬件的堆叠,不带有任何存储操作系统。
  典型DAS结构如图所示:

  DAS存储产品的表现方式主要有内置磁盘、RAID技术和外置SCSI盘阵3种产品方式。
  DAS的优点:使用DAS方式设备的初始费用比较低。
  DAS的缺点:服务器单独拥有自己的存储磁盘,容量的再分配困难;对于整个环境下的存储系统管理,工作烦琐而重复,没有集中管理解决方案。所以整体的拥有成本(TCO)较高。

  1.3 NAS
  NAS是Network Attached Storage的简称,中文称为“网络附加存储”,从1984年诞生迄今也有二十多年的历史。在NAS存储结构中,存储系统不再通过I/O总线附属于某个服务器,而是通过IP网络向用户提供文件级存储服务。简单的说,NAS是通过TCP/IP以太网络连接的存储设备,普通的以太网络交换机,即插即用。NAS是专门为数据共享和文件存储和设计产生的网络存储技术,适用于需要数据共享和文件存储的应用。
  NAS模型中,文件系统是在NAS 存储器里,数据传输协议是TCP/IP,交换机是以太网交换机,文件存取的协议则有NFS、CIFS。NFS是存储系统与UNIX/ Linux平台进行文件存储的协议;CIFS是存储系统与Windows平台进行文件存储的协议。NFS、CIFS均为操作系统内置的功能,不需要额外购买和安装。
  NAS的发展历史与结构如图所示:

  NAS的发展分为文件服务器、专用NAS、企业级NAS三个阶段。
  1.文件服务器
  以太网出现以后,出现了通过网络共享文件的需求,于是出现了专门的文件服务器,其主要目的是文件共享。

  2.专用NAS
  随着文件服务器的大量使用,首先暴露出使用通用操作系统所带来的性能差、安全性不足、不易管理等问题,同时随着文件服务器的作用越来越重要,用户提出了快照、备份、复制、权限管理、跨平台共享等更多的需求,于是诞生了以NetApp为代表的专用NAS产品。

  3.企业级NAS
  随着NAS的使用越来越广泛,重要性又更一步提高,使用普通的LAN不能保证网络带宽,于是出现了存储LAN及企业级的NAS。
  NAS的优点: 首先,具有天然的共享性;其次,NAS存储设备可以对文件存储进行优化;第三,兼容性好,所有的操作系统能连接;最后非常易于部署。
  NAS的缺点:不支持例如Exchange、SQL Server这种需要特定文件系统(NTFS)的应用软件。

  1.4 SAN
  SAN是Storage Area Network的简称,中文称为“存储区域网络”,从1994年诞生迄今也有十多年的历史。它是一种利用Fibre Channel等互联协议连接起来的可以在服务器和存储系统之间直接传送数据的存储网络系统,存储设备和应用服务器之间采用的是数据块(block)I/O的方式进行数据交换。
  SAN是从DAS发展过来的,借鉴了以太网的概念,但是重新设计了网络层的协议。简单地说,SAN是关联存储设备和服务器的网络,它是一种通过光纤交换机等网络设备将磁盘阵列、磁带等存储设备与相关服务器连接起来的存储网络。它和以太网有类似的架构,以太网由以太网卡、以太网交换机所组成,SAN则由HBA卡、交换机和存储装置所组成。
  SAN的优点:性能好
  SAN的缺点:成本高、不易部署和管理、设备互操作性差。

  1.5 ISCSI
  iSCSI是Internet SCSI的简称,没有相应的中文称呼。从2003年诞生至今有4年的历史,但是在这4年中得到了极其迅速的发展。它是一种在IP网络上承载SCSI命令的数据存储协议标准,使数据块得以在广泛成熟部署的以太网环境下进行传输。存储设备和应用服务器之间与SAN一样采用的是数据块(block)I/O的方式进行数据交换。
  iSCSI是从SAN发展过来的,借鉴了SCSI和SAN存储模型,但是在网络层中重新引入了IP网络。简单地说,iSCSI可以实现在IP网络上运行SCSI协议,使其能够在诸如高速千兆以太网上进行数据块方式的I/O操作。
  服务器上需要安装由操作系统厂商免费提供的iSCSI initiator软件以使用标准的以太网端口或者购买安装额外的iSCSI卡。在提供iSCSI服务的同时,服务器和存储系统可以同时使用NAS方式的存储,所以也有人把NAS+iSCSI存储架构称为IP存储。
  iSCSI的优点:成本低、容易部署和管理、设备互操作性好。
  iSCSI的缺点:性能上弱于SAN。

  1.6 NAS、SAN、ISCSI三种存储技术比较
  1.6.1 存储架构

  DAS、SAN、iSCSI、 NAS的存储架构如下所示:

  存储架构中的技术关键点有2个:存储网络和文件系统的位置。
  1.存储网络
  最早的DAS是没有网络概念的,后来的SAN、iSCSI、NAS都引入了网络。SAN使用的是光纤交换机网络;iSCSI和NAS使用的是同样的IP网络,或者说以太网,因此iSCSI+NAS也称为IP存储。存储网络及其技术特点决定了成本、管理、互操作性等。

  2.文件系统的位置
  DAS、SAN、iSCSI架构的文件系统都是在服务器端,对于存储设备而言,与服务器通信的只是0/1的数据块(Block),其无法知道数据块之间的内在逻辑关系;NAS架构的文件系统是在存储设备端,因此存储设备知道存储在磁盘上的数据块之间的逻辑关系。文件系统的位置决定了共享性、文件存储优化等。

  1.6.2 SAN、iSCSI、NAS的架设
  SAN、iSCSI、NAS都称为网络存储技术,因此其涉及服务器端、网络设备、存储设备3个因素。其架设如下图所示:

  1. SAN
  服务器上需要购买和安装HBA卡,网络使用光纤交换机(FC Switch),存储设备具有SAN的功能。

  2.iSCSI
  服务器上安装由操作系统厂商免费提供的iSCSI initiator软件或购买安装iSCSI卡,网络使用通用的以太网交换机(Ethernet Switch),存储设备具有iSCSI的功能。

  3.NAS
  服务器上不需要购买和安装任何软硬件,网络使用通用的以太网交换机(Ethernet Switch),存储设备具有NAS(NFS、CIFS)的功能。

  1.7 统一存储(UNIFIED STORAGE)
  各种存储技术各有其特点,单一的存储技术无法适用于所有的应用和需求。用户希望其购买的存储设备能够无缝的同时具有NAS、iSCSI、SAN的网络存储功能。同时具有NAS、iSCSI、SAN的网络存储功能的产品称为统一存储(Unified Storage)。
  下图是NetApp公司的统一存储产品结构示意图:

  同一存储产品可以通过不同的网络接口完成对SAN、NAS、iSCSI的同时支持,如通过以太网接口提供NAS和iSCSI的访问服务,而同时又可以通过FC接口提供SAN的访问服务。SAN、NAS、iSCSI可以共同的有效使用所有虚拟化的磁盘空间。
  用户在此基础上可以将不同需求的应用整合到同一存储设备上,并根据应用需要通过不同的存储协议进行支持。这样既节约的大量采购成本,同时也提高了管理和维护以及备份的易操作性和所有数据的安全性,降低了总体拥有成本。
  实现统一存储的模式有多种,NetApp是第1个,也是真正的统一存储厂商,因为存储融合正是NetApp的理念所在。对于NetApp公司的产品而言,可以看到这种实现的模型其管理还是原有的产品,因此并不增加存储管理复杂度。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管理的实现方式。
  当前的NetApp真正实现了存储的统一,他的一个设备不但支持NAS,同时也支持SAN,而且也支持iSCSI。这也是其他厂商所无法比拟的。
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