基于云计算的SAN存储的应用研究

任少波，陈 源

(航空工业成都飞机工业(集团)有限责任公司，四川 成都 610091)

0 引言

计算机技术和互联网技术的高速发展推动了企业对计算资源和储存资源的巨大需求。基于按需定制分配的云计算技术应运而生，逐步取代传统计算机成为企业基础信息设施。云计算把处理器、内存、硬盘、网络设备等硬件统统虚拟化，所有的计算资源和存储资源可以根据企业需求灵活配置和扩展。虚拟化技术使得传统的硬件资源跨越了物理边界，一方面可以让各种硬件资源被充分利用从而提高了使用效率，另一方面，企业对信息基础设置的采购和部署更加灵活。采用了云计算的企业无须再安排IT部门直接采购和安装各种计算机和服务器，只需要向云计算中心提出应用需求，就可以获得快速灵活的服务响应。同时计算和存储资源的分配被软件化、虚拟化，大大简化了IT部门的工作量。云计算技术的出现彻底改变了传统计算机工作模式，极大减轻了企业信息基础设施的购置费用，减少了创新创业成本，是计算机与互联网技术深入发展的又一次飞跃性进步。

1 云计算

云计算的本质上是一种分布式计算，充分运用互联网把复杂的计算过程拆分为多个小的程序，由服务器集群系统进行计算和处理。终端用户只是提交计算数据和计算请求到远程云计算中心，计算中心再把计算结果通过网络返回给用户。得益于互联网技术的发展，网络速度和网络安全都有保障的情况下，原本由终端承担的大量计算处理工作统一交给云计算中心进行运算，终端只需执行输入和计算结果显示工作即可。云计算提供了海量的互联网应用服务，所有的应用服务都被托管给计算中心的硬件和软件系统，因此各种应用被称作软件即服务，云即是计算中心的硬件、软件和操作系统。根据计算中心的布置方式不同，一般可以把云计算分为公有云、私有云和混合云。利用互联网和服务器集群构成的云计算实际上是一种网格计算模式，云计算把海量的数据和计算资源、存储资源集中起来进行协同工作，已经逐步成为企事业单位新的信息基础设置[1]。云安全联盟(Cloud Security Alliance, CSA)的研究报告提出的SPI模型(SPI Model)把云计算的服务形式分为基础架构即服务(Infrastructure as a Service, IaaS),平台即服务(Platform as a Service, PaaS)和软件即服务(Software as a Service, SaaS)三大类。开放云宣言组织(Open Cloud Manifesto)则根据研究的需要把云计算细分成终端用户-云、企业-云-终端用户、企业-云(综合)、企业-云-企业、企业-云(便携式)、私有(内部)云6种模式。作为网络时代的新计算形式，云计算是以数据、用户和服务三大中心为导向的。云计算平台通常为用户提供3方面的资源，既存储资源、网络资源和计算资源，云存储中心可以为全球用户提供海量的数据库应用和存储，充分确保数据存储的快速、安全、可靠、隐私，并极大地降低企业和用户的存储成本。云存储可以实现结构化数据、半结构化数据和原始数据的动态存取服务，并能实现海量数据的查询、分析等一系列功能。同时云计算平台还可以为程序员提供API实现云端开发。云计算已逐渐成为企业应用和开发的标准配置，席卷软件应用市场。

2 存储技术

2.1 存储技术发展史

存储技术伴随了人类文明发展的整个历程。今天我们能够积累知识，记录历史，传播文化，交流技术无一不是依靠信息和数据的存储。人类文明的进步史，也是一部数据储存技术的发展史。从原始部落的结绳记事到造纸术的发明，从个人计算机时代的打孔卡片、磁带、软盘、硬盘、U盘到互联网时代的网络存储和云存储，存储技术的进步彰显了人类科学技术的巨大进步。

现代考古发现，结绳记事是世界早期部落文明时代普遍采用的储存技术。通过结的大小、打结方法、结的距离以及绳子粗细来表达不同含义，记录部落发生的重大事项。造纸术最早出现在中国西汉时期，是古代中国人民对人类存储技术革命性进步做出的伟大贡献。正是由于纸张的出现，知识和信息才能大规模的被记录和传播，让普通人也有机会接受教育、获取知识，极大地加速了人类科技的进步。打孔卡片在18世纪20年代由法国人发明，通过在纸上以打孔方式存储图案来控制纺织机织造出各种带图案的纺织品。早期计算机也使用打孔卡做存储介质，通过在纸带的不同位置打孔来表达和记录各种字符，并利用光电转换设备来获取纸带上的孔所记录的数据。20世纪20年代出现了录音磁带，并在50年代被用于计算机储存，逐步淘汰了打孔纸带。硬盘是计算机存储技术的革命性进步，硬盘是一种低成本、高存储量的储存器，硬盘的出现极大地提高了计算机存储性能。软盘是早期的可读写、可移动的便捷存储器，价格便宜，曾经被大量使用，但存储量太小，U盘的出现彻底淘汰了软盘。

2.2 存储技术分类

现代存储技术按服务器类型可以分为封闭系统存储和开放系统存储。封闭系统存储技术主要用于大型计算机，开放系统存储技术主要用于现代操作系统如Windows、Unix、Linux的服务器。开放系统存储又可以分为内置存储和外挂存储。外挂存储又可分为直连存储(DAS)和网络存储(FAS)。网络存储又分为网络接入存储(NAS)和存储区域网络(SAN)。直连存储是一种通过接口电缆直接与计算主机相连接的存储设备，服务器的各种输入和输出指令直接发送给DAS存储器，DAS不带有操作系统，是主机储存器的直接扩展[2]。

DAS存储系统必须与服务器直接相连，每台计算机或服务器都有自己独立的存储磁盘，缺少系统环境下的集中存储管理方案，难以对容量进行再分配，只适合小规模的独立应用。NAS网络存储采用网络传输介质与存储系统相连接，每个存储设备都有独立的IP地址，因此客户端主机可以先与服务器主机连接以获取存储系统上的数据(服务器此时充当了存储系统网关)，也可以通过TCP/IP协议直接与存储设备连接进行数据存取。NAS网络存储是一个有独立IP地址的网络终端，如同一台普通计算机，NAS有处理器、内存、网卡、操作系统等。NAS通过内置网卡与各类终端进行通信，通常提供RJ45接口。NAS一般采用SNMP简单网络管理协议进行管理，通过把SNMP嵌入到交换机中，管理员还可以通过一个中心站点对NAS设备进行图形化的集中管理。NAS适用于文件服务器存储非结构化数据，部署较灵活，成本较低。存储区域网络SAN是英文Storage Area Network的缩写，通过各种光纤通信设备如集线器、路由器、交换机等把磁盘阵列存储设备与服务器进行高速专网连接。SAN通常包括3个基本组件，接口、连接设备和通信控制协议。3个基本组件和存储设备、SAN服务器一起构成SAN系统。SAN为用户提供一个基于光通信的可靠度高专用存储网络系统。由于光纤通信接口通信距离可以达到10公里，因此SAN的存储设备即使地理上广泛分布也不影响数据存取。SAN系统的成本较高，系统较复杂，但适合企业大型数据应用系统。DAS存储一般应用在中小企业与计算机采用直连，NAS存储则通过以太网添加到计算机上，SAN存储则使用FC接口，提供性能更加强大的存储[3-4]。

3 云计算与SAN存储

云计算通过把计算资源和存储资源集中到云计算中心，通过网络按需为用户远程提供计算和存储服务。可见存储技术是云计算中的核心技术之一，存储技术的选择和方案实施直接关系到云计算的实现效率，传统基于磁盘阵列是点对点存储技术无法满足云计算的存储需求。云计算的核心技术是虚拟化技术。虚拟化技术把各种计算和存储资源，如处理器、内存、硬盘、网络、操作系统、软件等都进行了虚拟化。利用虚拟化技术可以在一台云服务器上虚拟出多个独立的操作系统平台，供多个用户同时使用，即多个企业用户可以共享一台服务器资源而互不干涉。虚拟化技术通过对各种资源如服务器、内存、硬盘、网络等信息资源进行抽象，用一台云服务器能够建出多台独立运行的主机系统。一个完整的虚拟主机一般由硬件、虚拟机监视器和虚拟机3个部分构成。传统的主机环境里，操作系统负责与硬件交互，应用软件通过与操作系统交互调度硬件资源。在虚拟主机系统里，虚拟机监视器负责与真实的服务器硬件打交道，并为上层的虚拟机构建出一套虚拟的硬件资源。

虚拟化存储通过把物理存储设备虚拟化为云计算中的存储资源，既简化了对存储设备的管理工作，又使得存储过程跨越了传统物理存储设备的边界。虚拟化存储技术把传统的物理储存器软件化，构建了一个抽象的软存储层，服务器主机不是直接调用储存设备而是通过出现的软存储层来与存储硬件打交道。抽象的软存储层消除了各个存储设备的差异，使得主机系统可以采用统一的方法调用储存器。虚拟储存技术可以把众多类型的存储设备通过网络汇聚在一起，它通过虚拟存储为服务器提供存取服务，可以把隶属多个磁盘阵列的存储器合成一个存储池以对外提供统一的存取服务，包括自动数据迁移、存储卷扩展、数据保护和数据恢复等一系列功能。虚拟化储存技术极大简化了数据迁移工作，为企业提供了高效安全的数据服务。不管是旧存储设备的移除还是新存储设备的加入，虚拟存储技术可以保证数据迁移服务不会中断，极大简化了数据管理员的操作和维护工作量，同时终端用户也感受不到储存系统的任何变化。

存储区域网络SAN通过光纤信道交换机连接存取整理和服务器主机，因此SAN成了一个专门的存储网络。存储区域网络通常采用光纤进行高速连接，但也通过SCSI接口和IP协议提供局域网进行简易连接。同时，存储区域网络不被SCSI存储系统结构的布局所限。存储区域网络SAN可以根据存储需求的增加而增加存储网络的存储设备和容量。存储区域网络SAN的布局和结构特点，任何服务主机都可以访问网络中的任何一个存储磁盘阵列，同时由于采用高速光纤通信接口，无论数据的实际存放地在什么地方都可以进行快速便捷的存取[5]。

存储区域网络SAN基于光通信，通信速率高，且存储设备可以远距离布置，更加适合作为大型云计算中心的存储解决方案。SAN通常会采取以下两种解决方案：光纤信道以及iSCSI或者基于IP的SAN，也就是FC SAN和IP SAN。光纤通信技术是存储区域网络SAN最常采用的连接方案，光纤信道性能虽好，但价格也较高。iSCSI接口为存储区域网络SAN提供了一个价格较低的解决方案。存储区域网络SAN结合了直连存储DAS和网络存储FAS两个系统的优点，提供了一个更好的解决方案。一个设计良好的存储区域网络SAN解决方案具有出色的扩展性，可以实现网络接入存储NAS系统提供的数百T的存储空间，还能实现只有在直连存储DAS才能进行的块级数据访问。SAN能为用户提供满意的访问速度，尤其是对于频繁的磁盘访问需求，SAN能够提供更优异的性能。存储区域网络SAN既实现了存储系统的集中统一管理，同时能够充分利用存储空间，提高空间利用效率。SAN甚至能提供一种类似即插即用的技术，让服务器的所有存储空间都通过光纤信道从存储区域网络SAN中获取。SAN系统的主要缺点是成本较高，特别是采用光纤信道时尤其突出。但SAN系统的网络优点和访问速度彻底改变了传统存储机房物理布置，使得云计算中的存储效率大大提高。

4 结语

存储区域网络SAN把存储设备网络化，且网络拓扑结构可以灵活伸缩，同时采用光纤通信技术进行网络连接极大提高了数据存取效率，特别适合作为大型云计算中心的云存储技术实现方案。SAN可以让数据在存储网络中被集中管理，有效解决了传统服务器存储空间的物理限制。云计算使得计算和存储虚拟化、定制化。SAN使得储存扩展非常方便，可以随时为SAN系统添加和删除存储设备，且扩展的储存设备不会对SAN系统中的其他设备产生影响。同时SAN系统的远距离连接能力使存储设备可以在地理上远距离分散布置，更加适合云计算的多中心存储布置。SAN系统传输带宽高，传输速率大，同时在传输过程中数据可以被分成小段，极大减少了SAN对服务器运算能力的消耗。云计算与存储区域网络SAN的结合，使得云存储被广泛运用，极大减少了企业的存储资源成本。