NAS、SAN和iSCSI网络存储结构分析评价

汪海涛

（广东科贸职业学院 信息工程系，广东 广州 510640）

计算机网络系统从服务器/客户机模式到今天的网络计算环境，再到今后的移动计算环境，对数据的请求不再受时间和空间的限制。随着计算机能力的不断提高，数据量也在不断膨胀。数据是网络中最宝贵的资源，因数据问题导致的损失可能使一个企业破产。随着信息化的不断推进，日常业务对网络的依赖越来越强，数据呈指数级增长，数据管理和维护工作日益繁杂。

网络存储系统是制约网络I/O吞吐量的瓶颈，合理地设计和规划网络存储系统，会最大限度地降低总体拥有成本，使网络性能得到充分发挥。

本文对网络存储结构NAS、SAN和iSCSI进行了分析，根据存储服务质量的各项评价指标，对其进行综合评价。研究结果表明，iSCSI是NAS和SAN两种技术在TCP/IP网络上的融合，通过把面向数据块的SCSI协议封装在TCP/IP包中，以便在TCP/IP网络上传送，可以达到较好的存储性价比。

1 NAS

1.1 NAS结构

网络附加存储 NAS（Network Attached Storage）将存储设备连接到现有的网络上，提供数据和文件服务。NAS服务器一般由存储硬件、操作系统以及其上的文件系统等几个部分组成。它基于TCP/IP协议实现文件级数据的存取服务。

NAS将存储设备通过标准的网络拓扑结构连接，可以无需服务器直接上网，不依赖通用的操作系统，而是采用一个面向用户设计的、专门用于数据存储的简化操作系统，内置了与网络连接所需的协议，因此使整个系统的管理和设置较为简单。NAS的体系结构如图1所示。

1.2 NAS的特性

NAS是精简型服务器，在硬件架构上只需CPU、内存、硬盘、网卡和主机板等。在软件方面，操作系统也是精简型系统，有些甚至是免费的Linux。采用磁盘阵列技术，NAS可保证硬件设备和数据的安全与完整。通过网络共享数据，即使相应的应用服务器不再工作，仍然可以读取数据。所采用的嵌入式操作系统具有很强的稳定性和可靠性，网络管理员可方便地设置用户或用户组对NAS服务器的访问权限。

NAS只适用于较小网络规模或者较低数据流量的网络数据备份。NAS仍使用网络进行备份和恢复，LAN除了处理正常的最终用户传输流外，还必须处理包括备份的存储磁盘请求。

2 SAN

存储区域网络SAN（Storage Area Network）是一种在服务器和外部存储资源或独立的存储资源之间实现高速可靠访问的专用网络。SAN采用可扩展的网络拓扑结构连接服务器和存储设备，每个存储设备不隶属于任何一台服务器，所有的存储设备都可以在全部的网络服务器之间作为对等资源共享。SAN网络结构如图2所示。

SAN作为网络存储设施，旨在提供灵活、高性能和可扩展的存储环境，擅长在服务器和存储设备之间传输大块数据，特别适于以下应用场合：

（1）对响应时间、可用性和可扩展性要求高的关键任务数据库应用；

（2）对性能、数据完整性和可靠性要求高的集中存储备份，以保证关键数据的安全，可极大地提高企业数据备份和恢复操作的可靠性和可扩展性；

（3）海量存储的应用环境，如图书馆、银行、证券、中大型企业或组织的数据中心；

（4）支持服务器及其连接设备之间提供光纤通道高性能和扩展的距离。

3 iSCSI

Internet小型机系统接口协议 iSCSI（Internet Small Computer System Interface）是一种端到端的协议，用于在IP网络中传输和存储I/O数据块。该协议被用于服务器、存储设备和协议传输网关设备。iSCSI使用标准的以太网交换机和路由器，将数据从服务器转移到存储设备。它还使得IP和以太网基础设施可以被用于对SAN存储系统的扩展访问，跨过任意距离完成对SAN的扩展接入。

iSCSI协议整合了存储和 IP网络，使通过IP网络完成存储数据块的传输成为现实。它建立在两个已被广泛应用的技术之上——为存储而建立的SCSI命令以及为网络化而建立的IP协议。iSCSI协议层次模型如图3所示。

iSCSI协议定义了在TCP/IP网络发送、接收block（数据块）级的存储数据的规则和方法。发送端将SCSI命令和数据封装到TCP/IP包中再通过网络转发，接收端收到TCP/IP包之后，将其还原为SCSI命令和数据并执行，然后将返回的SCSI命令和数据再封装到TCP/IP包中再传送回发送端。而整个过程在用户看来，使用远端的存储设备就像访问本地的SCSI设备一样简单。支持iSCSI技术的服务器和存储设备能够直接连接到现有的IP交换机和路由器上。

4 iSCSI同NAS、SAN的比较与分析

4.1 网络存储效率比较

研究问题：iSCSI是 NAS和 SAN两种技术在TCP/IP网络上的融合，通过把面向数据块的SCSI协议封装在TCP/IP包中，以便在TCP/IP网络上传送。现在对6个数据量大小不同的样本分别使用3种方式进行数据存储，得到的综合评价为：随着数据量的增大，NAS的存储效率逐渐降低，最后变得不可用，SAN受到很小的影响，而iSCSI则逐渐趋向稳定。分析结果如图4所示。

结果表明，NAS只适用于较小网络规模或者较低数据流量的网络数据备份，当数据量增多时，NAS的存储效率将急剧下降；SAN提供高性能和扩展的存储环境，擅长在服务器和存储设备之间传输大块数据；相对于NAS，iSCSI带宽高、功能强 （特别是远程复制和灾难恢复）、可用性强，能够处理大块数据的传输。

4.2 存储成本的比较和分析

NAS投资成本较高（后期扩容成本高），而可靠度不高，一般文件服务器没有高可用配置，存在单点故障；SAN应用在对性能、数据完整性和可靠性要求高的集中存储备份，以保证关键数据的安全，但实现成本极高。iSCSI连接距离更长，突破FC/SAN目前10 km的局限，其利用现有的TCP/IP基础设施来构筑SAN，网络部署成本相对较低。

[1]韩德志，鄢让，傅湘林.iSCSI协议及SAN的互连技术[J].计算机应用研究，2003（8）：83-87.

[2]鲁士文.存储网络技术及应用[M].北京：清华大学出版社，2010.

[3]韩德志，傅丰.高可用存储网络关键技术的研究[M].北京：科学出版社，2009.

[4]韩德志，谢长生，傅湘林，等.一种基于 iSCSI的附网存储服务器系统的设计与实现 [J].计算机研究与发展，2004（1）：207-213.

[5]余胜生，周敬利，林芝.存储区域网中光纤通道和 iSCSI协议的性能分析 [J].计算机工程与应用，2003（13）：181-183.