存储基础知识 - 网络存储主要技术
- 网络存储主要技术
- DAS
- NAS
- SAN
- NAS与SAN的分析与比较
- 使用存储网络的好处
- NAS实现类型对比
- 统一NAS
- 网关式NAS
- 横向扩展式（Scale-out）NAS
- 三种存储技术的对比
- 参考资料
网络存储主要技术
目前磁盘存储市场上，存储分类根据服务器类型分为：封闭系统的存储和开放系统的存储。
1、封闭系统主要指大型机，AS400等服务器，开放系统指基于包括Windows、UNIX、Linux等操作系统的服务器；
2、开放系统的存储分为：内置存储和外挂存储；
开放系统的外挂存储根据连接的方式分为：直连式存储（Direct-Attached Storage，简称DAS）和网络化存储（Fabric-Attached Storage，简称FAS）；
开放系统的网络化存储根据传输协议又分为：网络接入存储（Network-Attached Storage，简称NAS）和存储区域网络（Storage Area Network，简称SAN）。
由于目前绝大部分用户采用的是开放系统，其外挂存储占有目前磁盘存储市场的70%以上， 因此本文主要针对开放系统的外挂存储进行论述说明。
DAS
Direct Attached Storage，直接附加存储，存储设备通过SCSI接口电缆直接连接到服务器的，存储设备不带有任何操作系统。它依赖于服务器，存储设备就是将硬件设备堆叠起来的。DAS也可称为SAS（Server Attached storage，即服务器附加存储）。
DAS具有如下特性：
-
DAS设备不带有任何操作系统，文件系统位于服务器端，因此是以块级别进行数据传输
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它是通过SCSI接口电缆与服务器相连，因此，会增加服务器的I/O操作，占用cpu，降低网络和服务性能。
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不支持多种系统的数据共享
DAS存储设备一般适用于中小型企业
NAS
Network Attached Storage，网络附加存储，NAS是基于IP协议的文件级数据存储，支持现有的网络技术，比如以太网，FDDI等。NAS设备完全是以数据为中心，将存储设备和服务器彻底隔离，集中管理数据，从而有效释放带宽，大大提高了网络整体性能。
NAS设备是一种特殊的数据存储服务器，它内嵌系统软件，可以提供NFS、SMB/CIFS的文件共享。
NAS设备的特点：
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由于NAS设备内嵌系统，因此数据是以文件级别的方式进行传输
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由于是一个单独的存储服务器，因此只负责数据的传输，减少了服务器的I/O操作，因此，大大提高了网络性能。
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NAS支持标准的网络文件系统，支持跨平台存储。
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服务器只存储数据，可以实现集中化的管理数据
NAS存储设备适用于中小型企业
SAN
Storage Area Network，存储区域网络，这是一个共享的高速存储网络，存储设备位于服务器的后端，且存储设备和服务器之间一般通过光钎（FC）交换机相连，因此传输速率比较快。当然也可以通过IP网络来继续传输，不过这对于网络带宽来说要求非常大的。对于SAN来说，存储设备和服务器完全分离，服务器通过光钎交换机（或IP网络）与不同地区的各个存储设备相连起来，可以实现集中化的管理。
SAN具有的特点：
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由于文件系统位于服务器上，本身不带有任何操作系统，因此数据是以块级别的方式进行传输
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由于存储服务器使用光接口，因此传输速率快、高
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可以将不同区域的服务器通过光钎交换机相连起来，集中化的进行管理
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由于存储设备位于不同区域，因此可实现大容量存储数据共享
由于组件一套SAN系统比较昂贵，因此适用于大型企业。如今我们所涉及的 SAN （Storage Area Network），其实现数据通信的主要要求是：
- 数据存储系统的合并；
- 数据备份；
- 服务器群集；
- 复制；
- 紧急情况下的数据恢复
实现SAN有2种方式：一是称为FC-SAN，通过光钎交换机来实现SAN系统；另一种称为IP-SAN，通过现有的IP网络来实现SAN系统。
两种实现SAN的方式对比如下：
| FC-SAN | IP-SAN | |
|---|---|---|
| 连接成本 | 物理覆盖范围有限，容易形成存储孤岛，会有数据的备份、迁移等问题 | 利用了无处不在的IP网络，跨越了距离的限制 |
| 成本 | 有出色的性能，但是硬件投入成本比较高，无法使中低端用户使用 | 充分利用现有的TCP/IP网络，包括双绞线、路由器、以太网交换机，降低存储连接设备的投资 |
| 技术 | FC存储设备，连接设备的管理和使用需要专业人士，需要经过专业培训 | IT部门的知识可以得到有效地沿用，也容易维护和管理 |
| 兼容性 | FC构建SAN的标准不统一，各个FC-SAN产品生产厂商所生产的设备不兼容 | 以IP网络技术为基础，具有良好的兼容性和互操作性 |
NAS与SAN的分析与比较
针对I/O是整个网络系统效率低下的瓶颈问题，专家们提出了许多种解决办法。
其中抓住症结并经过实践检验为最有效的办法是：将数据从通用的应用服务器中分离出来以简化存储管理。
由图可知原来存在的问题：每个新的应用服务器都要有它自己的存储器。这样造成数据处理复杂，随着应用服务器的不断增加，网络系统效率会急剧下降。解决方案：
从图可看出：将存储器从应用服务器中分离出来，进行集中管理。这就是所说的存储网络（Storage Networks）。
使用存储网络的好处
- 统一性：形散神不散，在逻辑上是完全一体的。
- 实现数据集中管理，因为它们才是企业真正的命脉。
- 容易扩充，即收缩性很强。
- 具有容错功能，整个网络无单点故障。
专家们针对这一办法又采取了两种不同的实现手段，即NAS（Network Attached Storage）网络接入存储和SAN(Storage Area Networks)存储区域网络。
- NAS：用户通过TCP/IP协议访问数据，采用业界标准文件共享协议如：NFS、HTTP、CIFS实现共享。
- SAN：通过专用光纤通道交换机访问数据，采用SCSI、FC-AL接口。
NAS和SAN最本质的不同就是文件管理系统在哪里
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。
换句话说：NAS和SAN存储系统的区别是NAS有自己的文件系统管理。
NAS是将目光集中在应用、用户和文件以及它们共享的数据上。
SAN是将目光集中在磁盘、磁带以及联接它们的可靠的基础结构。
将来从桌面系统到数据集中管理到存储设备的全面解决方案将是NAS加SAN
为什么写NAS就不得不提到SAN呢?原因之一是它们的名字有69关系，容易混淆；之二是NAS和SAN既竞争又合作，很多高端NAS的后端存储就是SAN。NAS和SAN的整合也是存储设备的发展趋势，比如EMC的新产品VNX系列。右图展示了一台NAS的逻辑结构：双虚线框表示一台NAS。它通过Fibre Channel从后端SAN获得存储空间，创建文件系统后，再通过以太网共享给服务器。SAN提供的存储单位是LUN，属于block级别的。经过NAS创建成文件系统后，就变成文件级别的了。
如果上边的逻辑图还不够清楚，可以看看下面的物理连接。NAS通过FC Switch连到SAN上，应用服务器再通过Ethernet Switch连到NAS上。同时SAN也直接提供block级别的存储给应用服务器。
关于NAS和SAN的区别，可以列出很多来。比如带宽大小，距离长短，共享优劣等等。几乎所有区别都是由两个因素衍生出来的。一个是FC与Ethernet，另一个是block与file system。简而言之，如果用户需要通过FC访问block，就用SAN;如果需要通过Ethernet访问file system，就用NAS。
NAS实现类型对比
NAS主要有三种类型的实现：统一式、网关式和横向扩展式（Scale-out）。统一NAS使用统一的存储平台将基于NAS和基于SAN的数据访问合并，提供了可以同时管理二种环境的统一管理界面。网关NAS使用外部存储来存取数据，网关NAS和存储的管理操作是分开的。横向扩展式（Scale-out）NAS可组合多个节点，形成一个集群NAS系统。下面将对比三种不同NAS实现类型。
统一NAS
统一NAS提供文件服务，同时负责存储文件数据，并提供块数据访问。它支持用于文件访问的CIFS（Common Internet File System，通用Internet文件系统）和NFS（Network File System，网络文件系统）协议，以及用于块级访问的SCSI（Small Computer System Interface，小型计算机系统接口）和FC（Fibre Channel ）协议。因为基于NAS和基于SAN的访问合并到同一个存储平台，统一NAS降低了企业的基础设施成本和管理成本。
统一NAS的一个系统中包括了一个或多个NAS头及存储。NAS头与存储控制器连接，提供到存储的访问。存储控制器提供了与iSCSI和FC主机的连接。存储可使用不同的磁盘类型（例如SAS、ATA、FC和闪存盘），以满足不同的负载需求。下图显示的是一个统一NAS连接的例子。
网关式NAS
网关式NAS设备包含一个或多个NAS头，使用外部存储或者独立管理的存储。与统一NAS相似，存储是与其他使用块级I/O的应用共享的。这种解决方案的管理功能比统一存储复杂，因为NAS头和存储器的管理任务是分开的。网关式解决方案可以利用FC基础设施，例如：交换机等，访问SAN存储阵列或直连式存储阵列。
网关式NAS的扩展性比统一NAS好，因为NAS头和存储阵列可以独立地根据需求进行扩展升级。例如：可以通过增加NAS头的方式提升NAS设备的性能。当存储容量达到上限时，网关NAS设备可以独立于NAS头对SAN进行扩展，增加存储容量。网关式NAS通过在SAN环境中进行存储共享，提高了存储资源的利用率。下图是一个网关式NAS连接的例子。
横向扩展式（Scale-out）NAS
统一NAS和网关NAS实现都提供了一定的扩展性能，可以在数据增长和性能需求提高时对资源进行扩展。对NAS设备进行扩展主要涉及增加CPU、内存和存储容量。扩展性受制于NAS设备对后续增加NAS头和存储容量的支持能力。
横向扩展式（Scale-out）NAS可组合多个节点，形成一个集群NAS系统。只需要向集群NAS架构中添加节点即可实现资源的扩展。整个集群可看作是一个NAS设备，资源是集中管理的。在需要扩大容量或提高性能的时候，可向集群中添加节点，这不会造成停机下线的情况。横向扩展NAS可以集合许多性能和可用性中等的节点，形成集群系统拥有更好的总体性能和可用性。它还有易使用、成本低以及理论上可无限扩展的优势。
横向扩展式（Scale-out）NAS在集群中的所有节点上创建了一个单一文件系统。节点的所有信息都可以彼此共享，因此连接到任何节点的客户端都可以访问整个文件系统。集群NAS将数据在所有节点间分条，同时使用镜像或效验方式进行数据保护。数据从客户端发送到集群时，数据被分割，并行分配给不同节点。当客户端发送文件读取请求时，集群NAS从多个节点获取相应的块，将他们组合成文件，然后将文件发给客户端。随着节点的增加，文件系统实现动态扩展，数据在节点之间均衡分布。每个增加的节点都增加了整个集群的存储、内存、CPU和网络能力。因此，整个集群的性能都得到提升。
横向扩展式（Scale-out）NAS适合解决企业和客户当前面临的大数据问题。它统一管理和存储高速增长的数据，同时又十分灵活，能满足各种性能需求。下图显示的是一个横向扩展式（Scale-out）NAS连接的例子。
三种存储技术的对比
| 存储系统架构 | DAS | NAS | SAN |
|---|---|---|---|
| 安装难易度 | 不一定 | 简单 | 困难 |
| 数据传输协议 | SCSI/FC/ATA | TCP/IP | FC |
| 传输对象 | 数据块 | 文件 | 数据块 |
| 使用标准文件共享协议 | 否 | 是（NFS、CIFS） | 否 |
| 异种操作系统文件共享集中式管理 | 否 | 是 | 需要转换设备 |
| 集中式管理 | 不一定 | 是 | 需要管理工具 |
| 管理难易度 | 不一定 | 以网络为基础，容易 | 不一定，但通常很难 |
| 提高服务器效率 | 否 | 是 | 是 |
| 灾难忍受度 | 低 | 高 | 高，专有方案 |
| 适合对象 | 中小企业服务器 | 中小企业 | 大型企业 |
| 应用环境 | 局域网 文档共享程度低 独立操作平台 服务器数量少 |
局域网 文档共享程度高 异质格式存储需求 服务器数量多 |
光纤通道储域网 网络环境复杂 文档共享程度高 异质操作系统平台 服务器数量多 |
| 业务模式 | 一般服务器 | WEB服务器 多媒体资料存储 文件资料共享 |
大型资料库 数据库 |
| 档案格式复杂度 | 低 | 中 | 高 |
| 容量扩充能力 | 低 | 中 | 高 |
参考资料
存储入门必读
常见的三种存储技术以及iSCSI协议