浅析基于软交换的下一代网络存储

摘要本文主要分析了以光纤通道存储区域网络FCSAN（FibreChannelStorageAreaNetwork）和基于IP的存储区域网络IPSAN（InternetProtocolStorageAreaNetwork）为代表的网络存储技术现状和特点，探讨了新兴的软交换技术的特点和优势，并就下一代网络环境下的存储网络进行相关分析。关键字存储区域网络，下一代网络，软交换1前言目前基于以太网和广域传输服务的IP网络主导着企业IT策略。IP是一种被广泛使用、价格可以负担、可以扩展到数量庞大的设备及远距离的技术。尽管大部分企业数据可以通过一般IP网络传输，但是块级的数据存储是例外。高性能的存储数据访问一般是通过直接连接存储DAS（DirectAttachedStorage），或通过专用光纤通道存储区域网络SAN（StorageAreaNetwork）进行。网络应用的兴起，同时也带来更多的数据存储和传输的要求，存储和网络逐步紧密的结合，给人们带来了真正的网络存储。而作为网络存储的一种实现方式——存储区域网络，也逐渐被人们认识并应用于各个领域。DAS是指将存储设备通过SCSI接口或光纤通道直接连接到服务器上，即每一台服务器都带有自己的磁盘、磁带机或是磁带库。这种方式的弊端在于：异构平台下存储资源无法均衡共享，存储设备利用率低、投资形成不可避免的浪费，且每台服务器是一个孤立的存储者，服务器出现异常会使数据不可获得，不能提供真正意义上的网络化存储。SAN是通过光纤通道协议将若干台存储服务器、存储阵列组成一个单独的数据网络，提供企业级的块级数据存储服务。SAN是将一个或多个网络存储设备（如：磁盘阵列RAID）和服务器连接起来的专用高速网络，它提供了一个能存储大量数据且具有高可靠性和高升级能力的数据存储系统，它为那些需要健壮且易于升级的存储系统的网络提供了一种理想的解决方案。SAN存储方式将成为未来信息存储发展的主流。融合是下一代网络的重要特征。传统电信的业务部是由运营商和少数的电信设备制造商开发部署的，尽管智能网实现了业务和呼叫控制的分离，但是由于复杂的电信网络接口技术的限制，垄断式的业务提供横式仍未能得到改变。基于软交换的固网NGN技术．提出了分解网关功能的思路，即将VOIP网关分解为媒体网关(MGW)、信令网关(SGW)、媒体网关控制器(MGC)等几部分。人们期待新的网络直能提供融合各类网络能力的综合业务，特别提供用户所需的多种多样的个性化多媒体业务。显然，为了同时满足企业信息及存储数据传输的需要，如何在下一代网络框架下合理实现网络存储并提供高效的存储业务，其解决方案的好坏直接影响着企业的生存和发展。2存储网络的主流技术2.1FCSAN2.1.1.光纤通道FC光纤通道存储区域网络FCSAN，是近几年发展起来的存储区域网的第一种存在形式。当前绝大多数SAN系统的实施都是建立在光纤通道(FibreChannel)技术基础上，这种技术为存储领域的应用提供了高性能的块数据访问方案。光纤通道技术是美国国家标准学会ANSI委托的几个委员会根据OSI标准共同开发的一组集成标准的通用名称，是为网络和通道I／0接口定义和建立的一个开放标准。它结合了通道和网络的优点，是把设备连接到网络结构上的一种高速通道，主要用来连接工作站、大型机、巨型机和存储设备。此协议可实现大容量、高速度信息传输。它独立于介质，支持同时传输多种不同协议，适用于服务器、海量存储子网络、外设之间通过集线器、交换机和点对点连接进行双向、串行数据通讯：正如在以太网中IP、NetBIOS和SNA等协议均可在单一以太网适配器上同时使用，是因为所有这些协议在以太网中都被得到映射一样，各种网络层的通讯协议也可以通过协议映射在光纤通道上得以实现。FC是一种基于标准的体系结构，它提供了吉比特的速度、长距离的传输，并且支持网络扩展到数百万台设备。光纤通道通过创建一个交换机网络基础设施，克服了一些存在于SCSI中的扩展问题，如：光纤通道延伸了SCSI的距离（25米极限），可达到10公里，并且克服了SCSI对设备数量的限制。FC是一种基于标准的网络结构，它定义了一个通过网络移动数据的多层结构。光纤通道的分层模型与网络模型OSI（OpenSystemsInterconnect)类似，分为5层：FC一0、FC一1、FC—2、FC一3和FC—4。FC一0定义了物理接口。它主要是针对物理介质的，规定了收发的信号和传输的介质，它可以是光纤也可以是铜缆；FC-1为吉比特传输提供了底层的链路控制和数据编码；FC一2则规定了具体的传输机制，包括帧格式、节点间的信息交换、拓扑结构、和提供的类服务；FC一3规定了同一节点上多端口的传输类型，提供高级特性的公共服务；FC-4则是从应用出发，把各种主要通道、外设接口和网络的上层协议如高性能并行接口HIPPI、IPI(IntelligentPeripheral’SInterface)、SCSl(SmallComputerSystemInterface)命令集、IP(IntemetProtoc01)、IEEE802.2和ATM(AsynchronousTransferMode)等映射到光纤通道上。与OSI模型相比较：FC一0和FC一1可看成OSI模型中的物理层；FC一2和数据链路层的MAC(MediaAccessContr01)层有很多类似之处；FC一3还不能算是完整的一层；FC一4可看作是相当于OSI模型的传输层。2.1.2.FCSAN实现方案实现FCSAN的硬件基础设施是光纤通道，用光纤通道构筑的FCSAN，由三部分构成：存储和备份设备，包括磁带库、磁盘阵列和光盘库等；光纤通道网络连接部件，包括主机总线适配卡(HBA：HostBusAdapter)和驱动程序、光缆(线)、集线器、交换机、光纤通道与SCSI间的桥接器(Bridge)等；应用和管理软件，包括备份软件、存储资源管理软件、设备管理软件。在FCSAN解决方案中，除存储设备外，其关键部件就是网络连接部件——光纤交换机。图1是典型的FCSAN组成结构。可以看出，服务器通过光纤通道，和存储设备连接，数据通过光纤通道存储到存储设备上，而存储管理都集中在一个相对独立的局域网内。SAN的最大特点就是基于光纤通道技术(FibreChannel)的电缆,交换机和集线器,将很多的存储设备连接起来,再与有很多不同的服务器组成的网络相连接,以多点对多点的方式进行管理专用的高速数据存储网。它将多个独立的存储系统与多个服务器互联。其最重要的优点是允许多个用户同时接入数据存储网上的不同存储设备，任何服务器可以接人数据存储网上的任意存储设备，从而大大提高了存储系统的可接入性和可用性。实质上，它是一个与用户／服务器分离的，包括有多个独立的存储子系统的专用高速数据存储网。正是由于在结构上，SAN是一个相对于通信网络完全独立的网络，因此各种数据业务的处理，数据业务的备份和恢复等都是在自己的网络上进行的，这极大地降低了通信网络的负担。SAN还可以让存储设备与存储设备直接相连,并基于新的集群技术,和直接与网络连接的存储设备技术,使多台服务器与多台磁带库磁盘阵列相集成成为可能。图1.FCSAN典型结构根据图1的结构可以组成上百个节点的大型FCFabric（在同构型交换网络拓扑中的一个或者多个交换机），其中配置了互联的交换机主要用于提供高带宽和可用性。服务器和存储设备汇聚在Fabric边缘，FC交换机集中在Fabric的中心处，互连构成了Fabric的骨干部分。服务器通常连在以太网上，作为客户端和存储区域网络通信的代理，完成相应的任务和处理。FC交换机是存储区域网络的核心设备，管理路由通信，进行数据交换，同时也是存储区域网络中最智能的设备。FCSAN拥有高速，安全等特性，主要是由于SAN以FC技术为核心，并将存储应用和FC技术的不同层次进行了合理的对应，从而使实际问题得到最优化解决。2.2IPSANFCSAN虽然性能优越，可扩展性好，但也存在某些不足之处。FCSAN的传输距离通常不超过50公里。因此，FCSAN还不能有效地整合更多的主机与存储的需求。虽然光纤通道（FibreChannel）技术有统一的标准，但各家厂商却有不同的解释。时至今日，互操作性仍是FCSAN实施过程中存在的主要问题，在管理上更是如此。随着IT技术逐渐发展，所有IT产品的价格也在下降，但是基于FCSAN的存储设备价格仍居高不下。一个企业如果考虑使用FCSAN，就不得不购买HBA、光纤交换机、光纤磁盘阵列、管理软件……这并不是普通中小企业能够承受得起的。且受限于现有的光纤传输方式，其价格昂贵。因此，基于普通lP协议和以太网的SAN应运而生，这就是IP存储，它将SCSI协议映射到TCP／IP协议上，使得SCSI的命令、数据和状态可以在传统的IP网上传输。IP存储系统在整个IP网上创建了一个共享存储环境，很好地实现了数据共享和远程访问；由于采用的是SCSI、以太网、TCP／IP等现有技术和设施，造价低，便于构建和维护。IP存储互操作性好，且能跨越FCSAN的距离限制，把共享存储系统扩展到LAN、WAN甚至Internet上．目前，IP存储技术发展有2个技术方向：存储隧道(Storagetuneling)和本地IP存储(NativeIP—basedstorage)。存储隧道的基本思想是将IP协议作为连接异地2个光纤SAN的隧道，用来解决SAN环境的互联问题。本地IP存储的基本思想是利用现有的存储协议，将SCSI和FibreChannel直接集成在IP协议中，实现存储和网络的无缝融合。目前IETF已开发出3种IP存储协议：基于TCP／IP的光纤通道(FCIP)、互联网FibreChannel协议(iFCP)和互联网小型计算机系统接口(iSCSI)。其中FCIP和iFCP协议是实现存储隧道技术的两种方式，FCIP协议是在两个SAN之间通过以太网建立隧道，构成一个统一的SAN环境，与之相对应的iFCP是在FibreChannel与IP之间建立网关到网关的连接，使FibreChannel帧使用IP路由到正确的目的。由FCIP和iFCP支持的存储隧道技术提供的是SAN与SAN之间点到点的连接，从功能上讲是一种类似于光纤的专用连接技术。存储隧道技术较好地解决了SAN之间的异地连接，但其实现成本较高，缺乏通用性，较大的延迟对系统的性能也会造成一定的影响。与存储隧道技术相比，本地IP存储技术具有显著的优势。它利用现有的存储协议，以IP协议替代FibreChannel协议，构建结构上与LAN隔离，技术上与LAN一致的新型SAN存储——IPSAN，将存储网络与传统的LAN物理上整合成一个网络。本地IP存储技术进一步地模糊了本地存储和远程存储的界限，在IPSAN环境中，只要主机和存储系统能提供标准接口，就可以实现在任何位置的主机访问任何位置的数据，提高了存储系统使用的灵活性。实现IPSAN最合适的协议是iSCSI协议。iSCSI是由IETF开发的一种基于存储网络的Internet协议，它继承了SCSI协议的稳定性和可靠性，能够在TCP／IP网络上传送标准的SCSI命令，使主机系统和不同的外部设备块数据进行I／O操作，并且可以实现远程存储管理。可以说，iSCSI是集成了SCSI协议和TCP／IP协议的新的协议。iSCSl只是将数据的存储变得更加灵活，因为它是在SCSI基础上扩展了网络功能，也就是可以让SCSI命令通过网络传送到远程的SCSI设备上，而SCSI协议只能访问本地的SCSI设备。从存储系统管理层次上iSCSISAN可分为三大组成部分：iSCSI磁盘阵列等iSCSI存储设备、IP网(包括IP交换机或IP路由器)、Iscsi服务器及存储管理软件。每个iSCSI服务器和iSCSI存储没备都支持以太网接口和iSCSI协议，从而可以作为一个网络实体直接连接IP交换机或IP路由器。图2FCSAN与IPSAN：高性能还要更经济如图2所示，我们可以看出用FibreChannel搭建的FCSAN与利用iSCSI搭建的IPSA