基于云計算的SAN存儲的應用研究

任少波，陳 源

(航空工業成都飛機工業(集團)有限責任公司，四川 成都 610091)

0 引言

計算機技術和互聯網技術的高速發展推動了企業對計算資源和儲存資源的巨大需求。基于按需定制分配的云計算技術應運而生，逐步取代傳統計算機成為企業基礎信息設施。云計算把處理器、內存、硬盤、網絡設備等硬件統統虛擬化，所有的計算資源和存儲資源可以根據企業需求靈活配置和擴展。虛擬化技術使得傳統的硬件資源跨越了物理邊界，一方面可以讓各種硬件資源被充分利用從而提高了使用效率，另一方面，企業對信息基礎設置的采購和部署更加靈活。采用了云計算的企業無須再安排IT部門直接采購和安裝各種計算機和服務器，只需要向云計算中心提出應用需求，就可以獲得快速靈活的服務響應。同時計算和存儲資源的分配被軟件化、虛擬化，大大簡化了IT部門的工作量。云計算技術的出現徹底改變了傳統計算機工作模式，極大減輕了企業信息基礎設施的購置費用，減少了創新創業成本，是計算機與互聯網技術深入發展的又一次飛躍性進步。

1 云計算

云計算的本質上是一種分布式計算，充分運用互聯網把復雜的計算過程拆分為多個小的程序，由服務器集群系統進行計算和處理。終端用戶只是提交計算數據和計算請求到遠程云計算中心，計算中心再把計算結果通過網絡返回給用戶。得益于互聯網技術的發展，網絡速度和網絡安全都有保障的情況下，原本由終端承擔的大量計算處理工作統一交給云計算中心進行運算，終端只需執行輸入和計算結果顯示工作即可。云計算提供了海量的互聯網應用服務，所有的應用服務都被托管給計算中心的硬件和軟件系統，因此各種應用被稱作軟件即服務，云即是計算中心的硬件、軟件和操作系統。根據計算中心的布置方式不同，一般可以把云計算分為公有云、私有云和混合云。利用互聯網和服務器集群構成的云計算實際上是一種網格計算模式，云計算把海量的數據和計算資源、存儲資源集中起來進行協同工作，已經逐步成為企事業單位新的信息基礎設置[1]。云安全聯盟(Cloud Security Alliance, CSA)的研究報告提出的SPI模型(SPI Model)把云計算的服務形式分為基礎架構即服務(Infrastructure as a Service, IaaS),平臺即服務(Platform as a Service, PaaS)和軟件即服務(Software as a Service, SaaS)三大類。開放云宣言組織(Open Cloud Manifesto)則根據研究的需要把云計算細分成終端用戶-云、企業-云-終端用戶、企業-云(綜合)、企業-云-企業、企業-云(便攜式)、私有(內部)云6種模式。作為網絡時代的新計算形式，云計算是以數據、用戶和服務三大中心為導向的。云計算平臺通常為用戶提供3方面的資源，既存儲資源、網絡資源和計算資源，云存儲中心可以為全球用戶提供海量的數據庫應用和存儲，充分確保數據存儲的快速、安全、可靠、隱私，并極大地降低企業和用戶的存儲成本。云存儲可以實現結構化數據、半結構化數據和原始數據的動態存取服務，并能實現海量數據的查詢、分析等一系列功能。同時云計算平臺還可以為程序員提供API實現云端開發。云計算已逐漸成為企業應用和開發的標準配置，席卷軟件應用市場。

2 存儲技術

2.1 存儲技術發展史

存儲技術伴隨了人類文明發展的整個歷程。今天我們能夠積累知識，記錄歷史，傳播文化，交流技術無一不是依靠信息和數據的存儲。人類文明的進步史，也是一部數據儲存技術的發展史。從原始部落的結繩記事到造紙術的發明，從個人計算機時代的打孔卡片、磁帶、軟盤、硬盤、U盤到互聯網時代的網絡存儲和云存儲，存儲技術的進步彰顯了人類科學技術的巨大進步。

現代考古發現，結繩記事是世界早期部落文明時代普遍采用的儲存技術。通過結的大小、打結方法、結的距離以及繩子粗細來表達不同含義，記錄部落發生的重大事項。造紙術最早出現在中國西漢時期，是古代中國人民對人類存儲技術革命性進步做出的偉大貢獻。正是由于紙張的出現，知識和信息才能大規模的被記錄和傳播，讓普通人也有機會接受教育、獲取知識，極大地加速了人類科技的進步。打孔卡片在18世紀20年代由法國人發明，通過在紙上以打孔方式存儲圖案來控制紡織機織造出各種帶圖案的紡織品。早期計算機也使用打孔卡做存儲介質，通過在紙帶的不同位置打孔來表達和記錄各種字符，并利用光電轉換設備來獲取紙帶上的孔所記錄的數據。20世紀20年代出現了錄音磁帶，并在50年代被用于計算機儲存，逐步淘汰了打孔紙帶。硬盤是計算機存儲技術的革命性進步，硬盤是一種低成本、高存儲量的儲存器，硬盤的出現極大地提高了計算機存儲性能。軟盤是早期的可讀寫、可移動的便捷存儲器，價格便宜，曾經被大量使用，但存儲量太小，U盤的出現徹底淘汰了軟盤。

2.2 存儲技術分類

現代存儲技術按服務器類型可以分為封閉系統存儲和開放系統存儲。封閉系統存儲技術主要用于大型計算機，開放系統存儲技術主要用于現代操作系統如Windows、Unix、Linux的服務器。開放系統存儲又可以分為內置存儲和外掛存儲。外掛存儲又可分為直連存儲(DAS)和網絡存儲(FAS)。網絡存儲又分為網絡接入存儲(NAS)和存儲區域網絡(SAN)。直連存儲是一種通過接口電纜直接與計算主機相連接的存儲設備，服務器的各種輸入和輸出指令直接發送給DAS存儲器，DAS不帶有操作系統，是主機儲存器的直接擴展[2]。

DAS存儲系統必須與服務器直接相連，每臺計算機或服務器都有自己獨立的存儲磁盤，缺少系統環境下的集中存儲管理方案，難以對容量進行再分配，只適合小規模的獨立應用。NAS網絡存儲采用網絡傳輸介質與存儲系統相連接，每個存儲設備都有獨立的IP地址，因此客戶端主機可以先與服務器主機連接以獲取存儲系統上的數據(服務器此時充當了存儲系統網關)，也可以通過TCP/IP協議直接與存儲設備連接進行數據存取。NAS網絡存儲是一個有獨立IP地址的網絡終端，如同一臺普通計算機，NAS有處理器、內存、網卡、操作系統等。NAS通過內置網卡與各類終端進行通信，通常提供RJ45接口。NAS一般采用SNMP簡單網絡管理協議進行管理，通過把SNMP嵌入到交換機中，管理員還可以通過一個中心站點對NAS設備進行圖形化的集中管理。NAS適用于文件服務器存儲非結構化數據，部署較靈活，成本較低。存儲區域網絡SAN是英文Storage Area Network的縮寫，通過各種光纖通信設備如集線器、路由器、交換機等把磁盤陣列存儲設備與服務器進行高速專網連接。SAN通常包括3個基本組件，接口、連接設備和通信控制協議。3個基本組件和存儲設備、SAN服務器一起構成SAN系統。SAN為用戶提供一個基于光通信的可靠度高專用存儲網絡系統。由于光纖通信接口通信距離可以達到10公里，因此SAN的存儲設備即使地理上廣泛分布也不影響數據存取。SAN系統的成本較高，系統較復雜，但適合企業大型數據應用系統。DAS存儲一般應用在中小企業與計算機采用直連，NAS存儲則通過以太網添加到計算機上，SAN存儲則使用FC接口，提供性能更加強大的存儲[3-4]。

3 云計算與SAN存儲

云計算通過把計算資源和存儲資源集中到云計算中心，通過網絡按需為用戶遠程提供計算和存儲服務。可見存儲技術是云計算中的核心技術之一，存儲技術的選擇和方案實施直接關系到云計算的實現效率，傳統基于磁盤陣列是點對點存儲技術無法滿足云計算的存儲需求。云計算的核心技術是虛擬化技術。虛擬化技術把各種計算和存儲資源，如處理器、內存、硬盤、網絡、操作系統、軟件等都進行了虛擬化。利用虛擬化技術可以在一臺云服務器上虛擬出多個獨立的操作系統平臺，供多個用戶同時使用，即多個企業用戶可以共享一臺服務器資源而互不干涉。虛擬化技術通過對各種資源如服務器、內存、硬盤、網絡等信息資源進行抽象，用一臺云服務器能夠建出多臺獨立運行的主機系統。一個完整的虛擬主機一般由硬件、虛擬機監視器和虛擬機3個部分構成。傳統的主機環境里，操作系統負責與硬件交互，應用軟件通過與操作系統交互調度硬件資源。在虛擬主機系統里，虛擬機監視器負責與真實的服務器硬件打交道，并為上層的虛擬機構建出一套虛擬的硬件資源。

虛擬化存儲通過把物理存儲設備虛擬化為云計算中的存儲資源，既簡化了對存儲設備的管理工作，又使得存儲過程跨越了傳統物理存儲設備的邊界。虛擬化存儲技術把傳統的物理儲存器軟件化，構建了一個抽象的軟存儲層，服務器主機不是直接調用儲存設備而是通過出現的軟存儲層來與存儲硬件打交道。抽象的軟存儲層消除了各個存儲設備的差異，使得主機系統可以采用統一的方法調用儲存器。虛擬儲存技術可以把眾多類型的存儲設備通過網絡匯聚在一起，它通過虛擬存儲為服務器提供存取服務，可以把隸屬多個磁盤陣列的存儲器合成一個存儲池以對外提供統一的存取服務，包括自動數據遷移、存儲卷擴展、數據保護和數據恢復等一系列功能。虛擬化儲存技術極大簡化了數據遷移工作，為企業提供了高效安全的數據服務。不管是舊存儲設備的移除還是新存儲設備的加入，虛擬存儲技術可以保證數據遷移服務不會中斷，極大簡化了數據管理員的操作和維護工作量，同時終端用戶也感受不到儲存系統的任何變化。

存儲區域網絡SAN通過光纖信道交換機連接存取整理和服務器主機，因此SAN成了一個專門的存儲網絡。存儲區域網絡通常采用光纖進行高速連接，但也通過SCSI接口和IP協議提供局域網進行簡易連接。同時，存儲區域網絡不被SCSI存儲系統結構的布局所限。存儲區域網絡SAN可以根據存儲需求的增加而增加存儲網絡的存儲設備和容量。存儲區域網絡SAN的布局和結構特點，任何服務主機都可以訪問網絡中的任何一個存儲磁盤陣列，同時由于采用高速光纖通信接口，無論數據的實際存放地在什么地方都可以進行快速便捷的存取[5]。

存儲區域網絡SAN基于光通信，通信速率高，且存儲設備可以遠距離布置，更加適合作為大型云計算中心的存儲解決方案。SAN通常會采取以下兩種解決方案：光纖信道以及iSCSI或者基于IP的SAN，也就是FC SAN和IP SAN。光纖通信技術是存儲區域網絡SAN最常采用的連接方案，光纖信道性能雖好，但價格也較高。iSCSI接口為存儲區域網絡SAN提供了一個價格較低的解決方案。存儲區域網絡SAN結合了直連存儲DAS和網絡存儲FAS兩個系統的優點，提供了一個更好的解決方案。一個設計良好的存儲區域網絡SAN解決方案具有出色的擴展性，可以實現網絡接入存儲NAS系統提供的數百T的存儲空間，還能實現只有在直連存儲DAS才能進行的塊級數據訪問。SAN能為用戶提供滿意的訪問速度，尤其是對于頻繁的磁盤訪問需求，SAN能夠提供更優異的性能。存儲區域網絡SAN既實現了存儲系統的集中統一管理，同時能夠充分利用存儲空間，提高空間利用效率。SAN甚至能提供一種類似即插即用的技術，讓服務器的所有存儲空間都通過光纖信道從存儲區域網絡SAN中獲取。SAN系統的主要缺點是成本較高，特別是采用光纖信道時尤其突出。但SAN系統的網絡優點和訪問速度徹底改變了傳統存儲機房物理布置，使得云計算中的存儲效率大大提高。

4 結語

存儲區域網絡SAN把存儲設備網絡化，且網絡拓撲結構可以靈活伸縮，同時采用光纖通信技術進行網絡連接極大提高了數據存取效率，特別適合作為大型云計算中心的云存儲技術實現方案。SAN可以讓數據在存儲網絡中被集中管理，有效解決了傳統服務器存儲空間的物理限制。云計算使得計算和存儲虛擬化、定制化。SAN使得儲存擴展非常方便，可以隨時為SAN系統添加和刪除存儲設備，且擴展的儲存設備不會對SAN系統中的其他設備產生影響。同時SAN系統的遠距離連接能力使存儲設備可以在地理上遠距離分散布置，更加適合云計算的多中心存儲布置。SAN系統傳輸帶寬高，傳輸速率大，同時在傳輸過程中數據可以被分成小段，極大減少了SAN對服務器運算能力的消耗。云計算與存儲區域網絡SAN的結合，使得云存儲被廣泛運用，極大減少了企業的存儲資源成本。