網(wǎng)絡(luò)存儲技術(shù)在高校中的應(yīng)用及方案設(shè)計＊

李杰，馮剛

（北海職業(yè)學(xué)院，廣西 北海 536000）

1 高校目前的現(xiàn)狀及需求分析

1.1 高校目前的現(xiàn)狀

1.1.1 多個校區(qū)且各校區(qū)數(shù)據(jù)獨立

在高校擴招大背景下，各大高校的校區(qū)數(shù)量達(dá)到3個以上，每個校區(qū)的數(shù)據(jù)存儲在本校區(qū)服務(wù)器上，服務(wù)器硬盤只能采用單一的方式進(jìn)行部署，最終造成數(shù)據(jù)共享能力差，加大了數(shù)據(jù)遷移的難度；大多數(shù)高校的大部分?jǐn)?shù)據(jù)沒有經(jīng)過集中處理，嚴(yán)重重復(fù)的數(shù)據(jù)導(dǎo)致存儲資源被浪費；數(shù)據(jù)分散，存在安全隱患，對技術(shù)和管理方面造成的影響較大，存儲功能升級困難。

1.1.2 業(yè)務(wù)模式由傳統(tǒng)模式轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣踊Ｊ?/p>

隨著學(xué)校信息化教育建設(shè)的推進(jìn)，網(wǎng)絡(luò)如今已遍布各個學(xué)校，為了更好服務(wù)教學(xué)以及規(guī)范學(xué)校管理、簡化辦公和實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)辦公，必須搭建各類服務(wù)系統(tǒng)，同時學(xué)校還需要建設(shè)大量的教學(xué)資源庫服務(wù)教學(xué)及豐富大學(xué)生的校園生活。這些服務(wù)產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)備份均需要大量的存儲空間來支持。數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后被共享，由于系統(tǒng)不同可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)無法兼容。用戶類型復(fù)雜多樣，訪問次數(shù)頻繁，應(yīng)用系統(tǒng)繁多，數(shù)據(jù)的安全性及容災(zāi)恢復(fù)能力有限，這些都極大地增加了校園網(wǎng)絡(luò)存儲規(guī)劃的難度。

1.1.3 網(wǎng)絡(luò)存儲采用的依然是以服務(wù)器為中心的傳統(tǒng)存儲架構(gòu)

由于資金和存儲設(shè)備方面的投入較少和重視程度不夠，目前大多數(shù)高校采取的存儲方式主要有以下2種：①通過硬盤，然后通過服務(wù)器連接到擴展柜。這種方式實際上不屬于網(wǎng)絡(luò)存儲系統(tǒng)，采用這種方式的優(yōu)點是部署和操作方面都非常簡單，缺點是當(dāng)數(shù)據(jù)量較大時，存儲容量和數(shù)據(jù)讀取速度方面會受到服務(wù)器性能的限制，無法對數(shù)據(jù)進(jìn)行冗余保護，無法進(jìn)行功能擴展，數(shù)據(jù)的集中存儲和管理難以實現(xiàn)，維護成本較高。②采用DAS（Direct Attached Storage，直接附加存儲），存儲設(shè)備（RAID 或JBOD）通過電纜（通常是SCSI 接口電纜）直接掛到服務(wù)器總線上，采用這種方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行備份、恢復(fù)和容災(zāi)。這種方式是最常見的一種方式，優(yōu)點是設(shè)備采購及維護成本低，配置和操作簡單。但是隨著高校服務(wù)系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)量逐漸增多，DAS 開始面臨各方面的問題，由于DAS 是由一臺主機連接存儲設(shè)備，在數(shù)據(jù)讀取方面效率較低，如果主機發(fā)生故障，用戶便無法訪問數(shù)據(jù)，如果想采用多個主機進(jìn)行存儲時，存儲空間無法進(jìn)行動態(tài)分配，導(dǎo)致資源被浪費。

1.2 需求分析

高校當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)存儲方面的需求主要包括以下3方面。

任務(wù)三高階無極繼電器雖然是本次課程的重難點內(nèi)容，但在解決方案上，采用以學(xué)生為主體，教師為輔的原則進(jìn)行。教師講解測試內(nèi)容和注意事項，學(xué)生根據(jù)已給資源設(shè)計電路，小組分工合作，完成無極繼電器特性測試，并將測試結(jié)果上傳至學(xué)習(xí)平臺。教師播放優(yōu)秀老師講解測試要點視頻，學(xué)生根據(jù)測試要點完成組間互評。

1.2.1 存儲容量需求

存儲容量是存儲系統(tǒng)最關(guān)注的問題，例如在高校教務(wù)管理系統(tǒng)中，系統(tǒng)內(nèi)部資源包括學(xué)生的信息（包括在校及畢業(yè)的學(xué)生至少3 萬余人的信息）以及1 000余名教師的信息。這些信息的存儲量可達(dá)1.5 TB，而這只是冰山一角，在高校數(shù)據(jù)中占比最大的是監(jiān)控數(shù)據(jù)。學(xué)校通常會在校園內(nèi)各個角落及室內(nèi)安裝監(jiān)控攝像機，攝像機的數(shù)量通常會達(dá)到200 臺或以上。如果校園內(nèi)需要安裝200 臺攝像機，1 臺設(shè)備1 d所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量大約為25 G，如果需要錄入1 080 P 格式的錄像信息，則產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量大約為50 G，這些數(shù)據(jù)通常需要保存30 d，全校攝像機所需容量大約為150～300 T，所以必須提高存儲容量。

1.2.2 應(yīng)用需求

隨著校園信息化建設(shè)不斷深入和發(fā)展，為了更好服務(wù)教學(xué)和管理學(xué)校，各種服務(wù)平臺融入校園，例如服務(wù)教學(xué)的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺、服務(wù)學(xué)生的學(xué)生管理平臺和服務(wù)教師的人力資源管理平臺等，這些對校園服務(wù)器的承載能力都是一個極大的考驗。

1.2.3 安全需求

安全需求主要包括數(shù)據(jù)訪問安全與數(shù)據(jù)防護安全2個方面。數(shù)據(jù)訪問安全指采用數(shù)據(jù)加密算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，確保數(shù)據(jù)在傳輸過程中無法被竊取、篡改，同時進(jìn)行用戶身份識別等。主要通過磁盤列陣、異地容災(zāi)和數(shù)據(jù)備份等手段對數(shù)據(jù)進(jìn)行安全保護，確保業(yè)務(wù)系統(tǒng)在遭受意外原因的情況下能保證原有的業(yè)務(wù)系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)，在異地部署了一套與現(xiàn)有業(yè)務(wù)系統(tǒng)相同的生產(chǎn)環(huán)境，保證業(yè)務(wù)正常運轉(zhuǎn)，防止因意外刪除等原因造成數(shù)據(jù)丟失。

2 常用存儲技術(shù)

目前高端服務(wù)器所使用的專業(yè)存儲技術(shù)主要有DAS、NAS 和SAN 這3 種。

DAS，也叫直接附加存儲，是將主機與存儲設(shè)備通過SCSI 接口直接連接在一起，是目前高校常用的一種存儲方式，這種方式成本低、配置簡單、使用方便、在高校成立初期對高校還是比較有吸引力的，但這種方式無法滿足高校目前的存儲需求。

NAS，也叫網(wǎng)絡(luò)附屬存儲，是一種將數(shù)據(jù)通過集中整合處理后，不同主機和應(yīng)用服務(wù)器通過網(wǎng)絡(luò)對其進(jìn)行訪問的技術(shù)。這種方式實際上是將存儲器件（例如磁盤陣列、CD/DVD 驅(qū)動器、磁帶驅(qū)動器或可移動的存儲介質(zhì)）和內(nèi)嵌系統(tǒng)軟件結(jié)合，實現(xiàn)共享跨平臺文件的功能。相當(dāng)于一臺具有多種功能并且攜帶大量存儲空間的系統(tǒng)服務(wù)器。這種方式的優(yōu)點如下：成本方面，由于NAS 對設(shè)備和硬件要求較低，管理軟件成本較低，總體成本比DAS 稍微高一些；使用方面，NAS設(shè)備的安裝和使用簡單方便，用戶可以通過不同的服務(wù)器訪問NAS 中的數(shù)據(jù)，大大減少服務(wù)器的系統(tǒng)開銷。

使用NAS方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)存儲也需要考慮以下幾個問題：由于NAS 傳輸數(shù)據(jù)是通過IP 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的，如果IP 網(wǎng)絡(luò)中存在大量的數(shù)據(jù)而出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞或遇上網(wǎng)絡(luò)高峰期，會嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能；通過網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)存在數(shù)據(jù)被竊取、數(shù)據(jù)被篡改等安全風(fēng)險；由于存儲只能以文件方式訪問，而不能像普通文件系統(tǒng)一樣直接訪問物理數(shù)據(jù)塊，大型數(shù)據(jù)庫就不能使用NAS。

SAN 是一種專門為存儲建立的獨立于TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)之外的專用網(wǎng)絡(luò)，因此存取速度很快，并且SAN 一般采用高端的RAID 陣列，使得SAN 的性能在前面幾種存儲方案中更受歡迎。

SAN 實際上是一個專用網(wǎng)絡(luò)，所以它的擴展性很強，無論在SAN 系統(tǒng)中增加存儲空間還是增加服務(wù)器都非常容易。通過SAN 接口的磁帶機，SAN 系統(tǒng)可以方便高效地集中備份數(shù)據(jù)[2]。但是，它也存在如下一些缺點：由于采用的是光纖通信交換機和高端的RAID陣列，價格昂貴，部分商業(yè)企業(yè)無法承擔(dān)高昂費用；數(shù)據(jù)傳輸采用的是單獨建立的光纖網(wǎng)絡(luò)，在異地擴展難以實現(xiàn)。

SAN 有FCSAN 與IPSAN 這2 種結(jié)構(gòu)。早期的SAN默認(rèn)指的是FCSAN，是采用光纖通道技術(shù)構(gòu)建存儲局域網(wǎng)。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點是輸帶寬高，最高可達(dá)到8 Gb/s，性能穩(wěn)定可靠，技術(shù)成熟。但是由于這種方式需要在光纖網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行部署，目前高校網(wǎng)絡(luò)均采用的是IP 網(wǎng)絡(luò)，所有要重新采購光纖交換機和大量的光纖來搭建網(wǎng)絡(luò)，成本非常高；FCSAN 在維護及配置方面較為復(fù)雜，需要培訓(xùn)專業(yè)的FC 網(wǎng)絡(luò)管理員。

IPSAN 是在SAN 后產(chǎn)生的，是通過IP 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建存儲網(wǎng)絡(luò)。由于SAN 采用的是SCSI 小型計算機系統(tǒng)接口協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，不是IP 數(shù)據(jù)包，無法在TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行傳輸，于是誕生了iSCSI 互聯(lián)網(wǎng)小型計算機系統(tǒng)接口，用于實現(xiàn)在IP 網(wǎng)絡(luò)上運行SCSI 協(xié)議，這樣便能在各種高速以太網(wǎng)上進(jìn)行數(shù)據(jù)的存取或備份等操作。IPSAN 的優(yōu)點是可以在普通的網(wǎng)線和交換機所構(gòu)成的以太網(wǎng)上運行，所以可以利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行部署，成本有所降低，由于IP 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)比較成熟，所有IPSAN 在部署和管理方面難度低；目前以太網(wǎng)的速度最高可達(dá)萬兆，這使得IPSAN 的傳輸帶寬毫不遜色于FCSAN；基于IP 網(wǎng)絡(luò)的天生優(yōu)勢，使得IPSAN 很容易實現(xiàn)異地存儲、遠(yuǎn)程容災(zāi)等穿越WAN 才能實現(xiàn)的功能。

3 網(wǎng)絡(luò)存儲方案設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 方案1

數(shù)字化校園建設(shè)涉及整個學(xué)校幾乎所有部門如后勤、圖書館、財務(wù)、教務(wù)、網(wǎng)絡(luò)中心等，雖然數(shù)據(jù)量不是很大，但是數(shù)據(jù)卻非常重要，一旦出現(xiàn)問題，需要在很短時間內(nèi)進(jìn)行恢復(fù)，否則會給學(xué)校造成非常大的負(fù)面影響[3]。學(xué)校教務(wù)、OA.Web 等應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)在不同的服務(wù)器上，數(shù)據(jù)分散、管理困難，原有服務(wù)器存儲容量難以滿足教學(xué)資源庫、視頻點播的應(yīng)用需求。

學(xué)校中心機房可放置1 臺聯(lián)想PX12-450R（48 TB）NAS 設(shè)備實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的集中存儲，用戶無需通過服務(wù)器就可直接訪問NAS 設(shè)備。聯(lián)想PX12-450R 屬于企業(yè)級網(wǎng)絡(luò)存儲設(shè)備。用戶可以直接通過NAS 設(shè)備訪問數(shù)據(jù)而不用通過服務(wù)器，整個過程不占用服務(wù)器的系統(tǒng)資源。即使主服務(wù)器系統(tǒng)發(fā)生故障或系統(tǒng)崩潰時，用戶仍然能夠通過NAS 設(shè)備正常訪問數(shù)據(jù)。PX12-450R最大支持12 顆3.5 英寸（約為8.89 cm）SATA 硬盤，支持4 TB SATA 硬盤，系統(tǒng)最大容量為48 TB。采用RJ-45 標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)接口，在不關(guān)閉服務(wù)器或停止整個網(wǎng)絡(luò)的情況下，直接將NAS 設(shè)備鏈接到主干網(wǎng)絡(luò)的交換機或局域網(wǎng)中，通過Web 瀏覽器遠(yuǎn)程進(jìn)行設(shè)備的設(shè)置、升級及管理。設(shè)備配備了3 種不同速率的網(wǎng)口，分別是十兆、百兆和千兆，滿足各種存儲速率的需求。PX12-450R 支持Windows、UNIX、Mac、Linux 和NetWare 等不同操作系統(tǒng)，并兼容多種網(wǎng)絡(luò)訪問協(xié)議，如NFS（Linux/UNIX）、AFP/Bonjour（Apple）、FTP、

SFTP、TFTP、HTTP、HTTPS、WebDAV、Windows DFS、SNMP。設(shè)備有防病毒功能，支持?jǐn)?shù)據(jù)加密，確保數(shù)據(jù)安全，可支持48個以上攝像機工作。如果網(wǎng)絡(luò)環(huán)境較好，且有較充足的資金，建議使用千兆網(wǎng)。

3.2 方案2

高校中占比最多的數(shù)據(jù)主要為監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)，以200 路監(jiān)控錄像為例，200 路監(jiān)控屬于大型監(jiān)控，光靠NVR（網(wǎng)絡(luò)視頻錄像機）和硬盤是不行的，采用FCSAN成本較高，因此采用IPSAN 網(wǎng)絡(luò)存儲方式，將服務(wù)器與存儲設(shè)備通過交換機進(jìn)行連接，性能不算最好，但不受距離的限制，相比FCSAN 成本要低。

采用10 臺32 路NVR，每臺NVR 只使用24 路，這樣可以預(yù)留8 路，后續(xù)如果需要擴展可直接添加進(jìn)去，同時還可以降低NVR 監(jiān)控點，防止碼流大占用帶寬。

數(shù)據(jù)存儲方面，200 路監(jiān)控錄像1個月內(nèi)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量大約為150～300 T，通常視頻采用h.265 編碼格式進(jìn)行存儲，存儲的實際數(shù)據(jù)量只有50%，即75～150 T。以150 T 為例，采用80 塊4 T 的硬盤進(jìn)行存儲，每8 塊硬盤組成1個RAID5，共有10 組，分別分配給每臺NVR。采用千兆以太網(wǎng)作為存儲網(wǎng)絡(luò)來傳輸所有視頻流，采用1 臺聯(lián)想SureSAS112i（雙控iSCSI）磁盤陣列，總共安裝80 塊SATA 硬盤，用來處理來自NVR 的所有讀寫請求。

交換機方面，每個攝像機碼率最低為5 M，只需要選擇2 臺千兆交換機，這里可以采用華為S5700 交換機，每臺交換機負(fù)責(zé)100 路監(jiān)控的數(shù)據(jù)處理。

可將該方案應(yīng)用于大型公共監(jiān)控系統(tǒng)中，如機場、港口或大型設(shè)施及博物館、醫(yī)院、商場中。它具有以下優(yōu)點：具有高可擴展性、高性價比、高性能，可整合及統(tǒng)一管理存儲空間，可集中管理設(shè)備。但存儲方案是基于IPSAN 設(shè)計的，由于以太網(wǎng)本身傳播機制的問題，在數(shù)據(jù)傳輸過程中會進(jìn)行沖突檢測，當(dāng)訪問的設(shè)備或存儲設(shè)備過多時，整個存儲系統(tǒng)的效率將大大降低。海量存儲時，無法將所有的數(shù)據(jù)載入到系統(tǒng)緩存中，搜尋數(shù)據(jù)需要大量的磁盤I/O。大部分IPSAN存儲采用的是SATA 磁盤，該磁盤在這方面的性能較弱[4]。

4 結(jié)論

本文采用NAS 和IPSAN 這2 種不同的方式構(gòu)建存儲系統(tǒng)，不僅滿足校園內(nèi)不同的業(yè)務(wù)需求，同時解決由于數(shù)據(jù)量大、類型多所導(dǎo)致的數(shù)據(jù)存儲以及數(shù)據(jù)讀取效率慢的問題。NAS 技術(shù)的特點是即插即用，在管理方面降低了難度，并且對硬件要求不高，降低了成本。IPSAN 技術(shù)的主要特點是速度快，同時可以在現(xiàn)有的系統(tǒng)上進(jìn)行部署，部署簡單、管理難度低、易擴展。隨著存儲技術(shù)的不斷提高，服務(wù)器集群技術(shù)、數(shù)據(jù)鏡像技術(shù)等都可以在該系統(tǒng)中實現(xiàn)，將會進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)存儲系統(tǒng)的整體性能[5]。在具體應(yīng)用存儲技術(shù)的過程中，要將多種存儲技術(shù)進(jìn)行有效結(jié)合，因此學(xué)校要結(jié)合自身發(fā)展情況探尋適合自身發(fā)展的存儲方案[6]。