引言
　　

IT技術的發展經歷三次浪潮:第一次浪潮以處理技術為中心,以處理器的發展為核心動力,產生了計算機工業,促進了計算機的迅速普及和應用;第二次浪潮以傳輸技術為中心,以網絡的發展為核心動力。這兩次浪潮極大地加速了信息數字化進程,使得越來越多的人類信息活動轉變為數字形式,從而導致數字化信息爆炸性地增長,進而引發IT技術的第三次發展浪潮:存儲技術浪潮。

存儲技術浪潮的核心是基于網絡的存儲技術。目前,流行的網絡存儲系統主要有兩種:附網存儲(NAS) 和存儲區域網(SAN)。按照存儲網絡工業協會(SNIA) 的定義:NAS 是可以直接聯到網絡上向用戶提供文件級服務的存儲設備,而SAN 是一種利用Fibre Channel 等互聯協議連接起來的可以在服務器和存儲系統之間直接傳送數據的網絡。NAS 是一種存儲設備,有其自己簡化的實時操作系統,它將硬件和軟件有效地集成在一起,用以提供文件服務,具有良好的共享性、開放性、可擴展性。SAN 技術的存儲設備是用專用網絡相連的,這個網絡是一個基于光纖通道協議的網絡。 由于光纖通道的存儲網和LAN 分開,性能就很高。在SAN 中,容量擴展、數據遷移、數據本地備份和遠程容災數據備份都比較方便,整個SAN 成為一個統一管理的存儲池( storage pool) 。由于具有這些優異的性能,SAN 已成為企業存儲的重要技術。

但在實際應用中NAS 和SAN 也存在很多缺陷,越來越不能滿足IT技術的快速發展和數字化信息爆炸性地增長的需求。如NAS 設備存在如下缺陷: (1) 數據的傳輸速度慢,因為NAS只能提供文件級而不能提供塊級的數據傳輸; (2) 數據備份時性能較低,NAS 在數據備份時要占用其大部分網絡帶寬,其它I/O 性能受到影響; (3) 只能管理單個NAS ,很難將位于同一局域網中的多個NAS 集中管理。SAN 也存在以下缺陷: (1) 設備的互操作性較差,不同廠家的設備很難互操作; (2) 構建SAN成本高,目前只有實力較大的企業構建自己的SAN; (3) 管理和維護成本高,企業需要花錢培訓專門的管理和維護人員;(4) SAN 只能提供存儲空間共享而不能提供異構環境下的文件共享。

針對NAS 和SAN 的優缺點,目前出現了多種新的網絡存儲技術, 如: NAS Gateway (NAS head) 、基于IP 的SAN 技術、對象存儲技術。NAS 網關能將SAN 連結到IP 網絡,使IP 網絡用戶能通過NAS 網關直接訪問SAN 中的存儲設備,所以NAS 網關具有以下優點:能使NAS 和SAN 互連在同一LAN中,突破了FC 拓撲的限制,允許FC 設備在IP 網絡使用;減少了光纖設備的訪問成本,允許訪問未有充分利用的SAN 存儲空間。基于IP 的SAN 互連技術主要包括: FCIP( IP tunneling) 、iFCP、iSCSI、Infiniband、mFCP ,其代表技術是iSCSI 技術。iSCSI技術原理是將SCSI 協議映射到TCP/ IP之上,即將主機的SCSI 命令封裝成TCP/ IP 數據包,在IP 網絡上傳輸,到達目的節點后,再恢復成封裝前的SCSI 命令,從而實現SCSI 命令在IP網絡上的直接、透明傳輸,使訪問遠程的SCSI 盤可以像本地的硬盤一樣方便。 存儲對象具有文件和塊二者的優點:象數據塊一樣在存儲設備上被直接訪問;通過一個對象接口,能象文件一樣,在不同操作系統平臺上實現數據共享。NAS Gateway 雖實現了NAS 和SAN 在IP 的融合,但不是真正的融合,因為它不能將NAS 設備和SAN 設備融合起來向用戶提供統一的存儲池,用戶也只能以文件I/O的方式訪問存儲設備。對象存儲雖具有NAS 和SAN 的優點,但需要設計專門的對象存儲接口,需要對現有的文件系統進行修改,這阻礙了它的進一步普及推廣。

本文提出并實現了一種在IP 協議下融合iSCSI、NAS、SAN 的統一存儲網絡(簡稱USN) 。在USN 中,NAS 設備、iSCSI設備和SAN 設備并存,用戶可以塊I/O 的方式訪問USN 中的iSCSI 設備和SAN 存儲設備,也可以文件I/O 方式訪問USN 中的NAS 存儲設備和SAN 存儲設備,整個USN 是一個統一的存儲池。并且,USN 能同時提供服務器通道和附網高速通道向客戶機提供數據,減少了服務器瓶頸,提高系統的I/O 速度。USN 既有NAS 的優點(低成本、開放性、文件共享) ,又有SAN 的優點(高性能、高擴展性) 。USN 同NAS Gateway(NAS head) 技術、基于IP 的SAN 技術、對象存儲技術相比具有明顯的優勢。

　USN總體結構
　　

USN 系統的硬件結構如圖1 所示。USN 由NAS 設備、iSCSI設備和SAN 設備,以及元數據服務器和應用服務器組成。用戶可以文件I/O 的方式訪問USN 中的NAS 設備和經過NAS頭訪問SAN 中的存儲設備,也可以塊I/O 的方式訪問USN 中的iSCSI 設備和SAN 中的存儲設備。USN 同時向用戶提供服務器通道和附網高速通道,對于元數據和小數據請求都經過服務器通道完成,對于大數據請求則經過附網高速通道完成,這樣大大提高整個系統的I/O 速度,減少服務器瓶頸。整個USN 是用基于IP 的技術構建,可以兼容現有的存儲系統,添加和刪除存儲設備都很方便。所以,整個系統的性能、擴展性都很好。USN 真正實現了NAS 和SAN 的統一,即同一存儲網絡中既有NAS 設備,又有SAN 結構;實現文件I/ O 和塊I/O 的統一,即用戶可以文件I/O 方式(文件為單位) 也可以塊I/O方式(塊為單位) 訪問USN 中的設備;實現了文件協議和塊協議在TCP/ IP 協議上的統一,用戶可以NFS(Unix 用戶) 和CIFS(Windows 用戶) 訪問USN ,也可以SCSI(iSCSI 用戶) 訪問USN。

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圖2 是USN 的軟件結構圖,其中GMPFS 是全局多協議文件系統,位于USN 系統中的各個應用服務器上,它支持使用CIFS 協議的Windows 用戶對USN 的訪問,支持使用NFS 協議的UNIX用戶對USN 的訪問,也支持使用iSCSI 協議的塊協議用戶對USN 的訪問。GMPFS 通過對目前存儲系統所使用的元 數據進行擴展,采用啟發式的方法,收集用戶應用信息,為用戶提供統一、方便、快捷的存儲訪問接口以及合理的數據存儲方案。ASA 是自主存儲代理模塊,它能夠自動地發現海量存儲系統中存儲設備的種類和可利用的各種資源,自主地對這些存儲設備和資源進行有效的統一管理和優化。ASA 根據應用的不同和應用的具體需求,安排與應用相適應的存儲設備種類、性能以及可靠性和可用性等級等,并為I/ O 請求選擇合適的數據通道,使應用得到最優的存儲資源分配,從而使整個系統的性能達到最佳。

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