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淺議DAS、NAS、SAN三種存儲架構

目前磁盤存儲市場上,存儲分類(如下表一)根據服務器類型分為:封閉系統的存儲和開放系統的存儲,封閉系統主要指大型機,AS400等服務器,開放系統指基於包括Windows、UNIX、Linux等操作系統的服務器;開放系統的存儲分為:內置存儲和外掛存儲;開放系統的外掛存儲根據連接的方式分為:直連式存儲(Direct-Attached Storage,簡稱DAS)和網絡化存儲(Fabric-Attached Storage,簡稱FAS);開放系統的網絡化存儲根據傳輸協議又分為:網絡接入存儲(Network-Attached Storage,簡稱NAS)和存儲區域網絡(Storage Area Network,簡稱SAN)。由於目前絕大部分用戶采用的是開放系統,其外掛存儲占有目前磁盤存儲市場的70%以上,因此本文主要針對開放系統的外掛存儲進行論述說明。

第一個圖有問題,把NAS和SAN一樣放在FAS之下是不對的,通常也沒有FAS這種說法,DAS,NAS和SAN是平行的關系。
NAS不一定要用光纖。
NAS是文件級存儲,SAN和DAS通常是數據塊級存儲。
表一: 今天的存儲解決方案主要為:直連式存儲(DAS)、存儲區域網絡(SAN)、網絡接入存儲(NAS)。
  如下表二:
 開放系統的直連式存儲(Direct-Attached Storage,簡稱DAS)已經有近四十年的使用歷史,隨著用戶數據的不斷增長,尤其是數百GB以上時,其在備份、恢復、擴展、災備等方面的問題變得日益困擾系統管理員。
  主要問題和不足為:
  直連式存儲依賴服務器主機操作系統進行數據的IO讀寫和存儲維護管理,數據備份和恢復要求占用服務器主機資源(包括CPU、系統IO等),數據流需要回流主機再到服務器連接著的磁帶機(庫),數據備份通常占用服務器主機資源20-30%,因此許多企業用戶的日常數據備份常常在深夜或業務系統不繁忙時進行,以免影響正常業務系統的運行。直連式存儲的數據量越大,備份和恢復的時間就越長,對服務器硬件的依賴性和影響就越大。
  直連式存儲與服務器主機之間的連接通道通常采用SCSI連接,帶寬為10MB/s、20MB/s、40MB/s、80MB/s等,隨著服務器CPU的處理能力越來越強,存儲硬盤空間越來越大,陣列的硬盤數量越來越多,SCSI通道將會成為IO瓶頸;服務器主機SCSI ID資源有限,能夠建立的SCSI通道連接有限。
  無論直連式存儲還是服務器主機的擴展,從一台服務器擴展為多台服務器組成的群集(Cluster),或存儲陣列容量的擴展,都會造成業務系統的停機,從而給企業帶來經濟損失,對於銀行、電信、傳媒等行業7×24小時服務的關鍵業務系統,這是不可接受的。並且直連式存儲或服務器主機的升級擴展,只能由原設備廠商提供,往往受原設備廠商限制。
  存儲區域網絡(Storage Area Network,簡稱SAN)采用光纖通道(Fibre Channel)技術,通過光纖通道交換機連接存儲陣列和服務器主機,建立專用於數據存儲的區域網絡。SAN經過十多年歷史的發展,已經相當成熟,成為業界的事實標准(但各個廠商的光纖交換技術不完全相同,其服務器和SAN存儲有兼容性的要求)。SAN存儲采用的帶寬從100MB/s、200MB/s,發展到目前的1Gbps、2Gbps。
  網絡接入存儲(Network-Attached Storage,簡稱NAS)采用網絡(TCP/IP、ATM、FDDI)技術,通過網絡交換機連接存儲系統和服務器主機,建立專用於數據存儲的存儲私網。隨著IP網絡技術的發展,網絡接入存儲(NAS)技術發生質的飛躍。早期80年代末到90年代初的10Mbps帶寬,網絡接入存儲作為文件服務器存儲,性能受帶寬影響;後來快速以太網(100Mbps)、VLAN虛網、Trunk(Ethernet Channel) 以太網通道的出現,網絡接入存儲的讀寫性能得到改善;1998年千兆以太網(1000Mbps)的出現和投入商用,為網絡接入存儲(NAS)帶來質的變化和市場廣泛認可。由於網絡接入存儲采用TCP/IP網絡進行數據交換,TCP/IP是IT業界的標准協議,不同廠商的產品(服務器、交換機、NAS存儲)只要滿足協議標准就能夠實現互連互通,無兼容性的要求;並且2002年萬兆以太網(10000Mbps)的出現和投入商用,存儲網絡帶寬將大大提高NAS存儲的性能。NAS需求旺盛已經成為事實。首先NAS幾乎繼承了磁盤列陣的所有優點,可以將設備通過標准的網絡拓撲結構連接,擺脫了服務器和異構化構架的桎梏。
  其次,在企業數據量飛速膨脹中,SAN、大型磁帶庫、磁盤櫃等產品雖然都是很好的存儲解決方案,但他們那高貴的身份和復雜的操作是資金和技術實力有限的中小企業無論如何也不能接受的。NAS正是滿足這種需求的產品,在解決足夠的存儲和擴展空間的同時,還提供極高的性價比。因此,無論是從適用性還是TCO的角度來說,NAS自然成為多數企業,尤其是大中小企業的最佳選擇。
  NAS與SAN的分析與比較
  針對I/O是整個網絡系統效率低下的瓶頸問題,專家們提出了許多種解決辦法。其中抓住症結並經過實踐檢驗為最有效的辦法是:將數據從通用的應用服務器中分離出來以簡化存儲管理。
  問題:
圖 1   由圖1可知原來存在的問題:每個新的應用服務器都要有它自己的存儲器。這樣造成數據處理復雜,隨著應用服務器的不斷增加,網絡系統效率會急劇下降。
  解決辦法:
圖 2   從圖2可看出:將存儲器從應用服務器中分離出來,進行集中管理。這就是所說的存儲網絡(Storage Networks)。
  使用存儲網絡的好處:
  統一性:形散神不散,在邏輯上是完全一體的。
  實現數據集中管理,因為它們才是企業真正的命脈。
  容易擴充,即收縮性很強。
  具有容錯功能,整個網絡無單點故障。
  專家們針對這一辦法又采取了兩種不同的實現手段,即NAS(Network Attached Storage)網絡接入存儲和SAN(Storage Area Networks)存儲區域網絡。
  NAS:用戶通過TCP/IP協議訪問數據,采用業界標准文件共享協議如:NFS、HTTP、CIFS實現共享。
  SAN:通過專用光纖通道交換機訪問數據,采用SCSI、FC-AL接口。
  什麼是NAS和SAN的根本不同點?
  NAS和SAN最本質的不同就是文件管理系統在哪裡。如圖:
圖3   由圖3可以看出,SAN結構中,文件管理系統(FS)還是分別在每一個應用服務器上;而NAS則是每個應用服務器通過網絡共享協議(如:NFS、CIFS)使用同一個文件管理系統。換句話說:NAS和SAN存儲系統的區別是NAS有自己的文件系統管理。
  NAS是將目光集中在應用、用戶和文件以及它們共享的數據上。SAN是將目光集中在磁盤、磁帶以及聯接它們的可靠的基礎結構。將來從桌面系統到數據集中管理到存儲設備的全面解決方案將是NAS加SAN。


怎樣制定完善的企業網絡存儲備份方案
企業的運作需要大量的數據的支撐,如今,紙質的數據存儲方式一去不復返,取而代之的是更易於管理和使用便捷的網絡存儲的形式。然而網絡數據存儲方式卻存在諸多風險,數據被丟失或被破壞都可能會造成企業的日常運作無法正常進行,甚至會給企業帶來不可估量的損失,而唯一可以把損失降到最低且又行之有效的方法理當首選——進行數據的存儲備份。大部分企業都在企業也正在不斷地加大投入,以尋求更具擴展性、安全性和經濟性的存儲備份方案,實現“有存無丟,有備無患”的目的。

一、企業網絡存儲備份的真面目
數據存儲備份這個詞已被人們所熟知,然而人們由於慣常思維的引導而誤解了備份的本質。很多人把備份和拷貝這兩個概念簡單的劃上等號,甚至把備份單純的看做是更換磁帶、為磁帶編序等一個簡單、程序化的操作過程;也有不少人會把雙機熱備份、磁盤陣列備份以及磁盤鏡象備份等硬件備份的內容和數據存儲備份相提並論。
實際上,數據的備份除了對原始數據完全一致的復制外,更重要的任務是其管理功能。備份管理是一個全面的概念,它不僅包含備份規則的制定和磁帶的管理,而且還涉及到整個存儲備份系統的規劃,包括備份技術的選擇、備份設備的選擇、介質的選擇乃至軟件技術的挑選、存儲網絡的設計和架設等。此外,雙機熱備份、磁盤陣列、磁盤鏡像、數據庫軟件的自動復制等功能並不能完全代表數據存儲備份系統,因為硬件備份只是犧牲一個系統、一個設備等來實現另一個系統或另一台設備在一定時期內的安全,它們往往能解決的只是系統的可用性問題,而當所有設備因為人為因素的錯誤、自然災害、電源故障、病毒入侵等問題而無法正常運行時,數據的恢復也就無從說起了。
大體上來說,數據存儲備份是用一種容量大、具有先進自動管理功能、以經濟性為原則的設備對整個系統,尤其是對整個網絡系統的數據進行備份的方案。實踐證明,只有數據存儲備份才能為企業提供最完善的數據安全保護,因此,在原網絡上增加數據存儲備份管理系統和把數據存儲備份管理系統列入到網絡建設方案中是不容有怠的。

二、數據存儲系統入選“完善”的條件
在定制數據存儲方案之前,我們應該了解一個完善的數據存儲系統應具備怎樣的條件,大體來說,應該符合以下的四個條件:

1.具有一個完善的面向應用和數據庫的備份與恢復系統,保證在各種意外情況下能夠迅速恢復數據;
2.要對磁盤陣列上的數據文件提供鏡像保護,同時增強數據文件的訪問性能,提高數據文件的可管理性;
3.可以通過集群方式保證本地業務的不中斷運行;
4.對於環境所造成的系統極端故障,應具有相應的災難恢復策略等。

三、如何數據存儲備份系統方案的定制
在定制數據存儲備份方案時,我們應該在下面這些問題的引導下,制定出適合你自己企業的存儲備份方案。
1.、明確目標和條件
  • 你要存儲的是什麼,數量有多少,屬於哪種類型的數據?
  • 你打算如何使用這個存儲系統?它是一般性存儲還是用作備份或者歸檔?
  • 你的存儲系統是遠程存儲系統還是災難恢復系統?
  • 你正在使用的應用軟件有哪些?
  • 你是否希望系統是自動化管理的?
  • 系統是否必須具備可調整性?
  • 速度和性能的重要性如何?

2、你想要什麼?
想要了解你想要什麼,建議你制作一張表。表格分三欄,第一欄填寫你的存儲系統必須獲得的特色和功能;第二欄填寫想獲得的特色和功能;第三欄填寫不一定必須擁有,但是有就更好的特色和功能。
例如,必須獲得的功能包括“可用性、可靠性、一定水平的性能、一定水平的容量和可調整性”,特別是RAID 1、RAID 5、RAID 6、失效轉移、容錯控制器、自動管理、分級存儲、不同種類的驅動器。第二欄和第三欄的功能可包括:重復數據刪除、自動精簡配置和快照等,這些功能都是非常有用的。
接下來,你首先應將重點集中在根本問題上。如果你剛好發現一個解決方案可以滿足你的所有第一欄需求,而且還可以提供部分第二欄和第三欄的功能,那麼你就可以配置它。 重點是你想從一個解決方案中獲得什麼。
例如,一定數量的容量是必須的,那麼就集中考慮這一點。 如果合規性是你的最大問題,那麼就必須保證你選擇的解決方案在合規性上有好的記錄。如果想要一個災難恢復解決方案,那麼就把重點集中在這一點上。

四、選擇合適的存儲備份模式——DAS、NAS和SAN
在了解了自己需要的網絡存儲備份系統之後,就可以據此選擇適合的網絡存儲模式:
1.DAS(Direct Attached Storage,直接連接存儲),是指將存儲設備通過SCSI接口或光纖通道直接連接到一台計算機上。
  DAS存儲的安裝方便,成本較低,當價格是第一考慮因素的時候,DAS是不錯的選擇。但DAS依賴服務器主機操作系統進行數據的IO讀寫和存儲維護管理,數據備份和恢復要求占用服務器主機資源(包括CPU、系統IO等),數據流需要回流主機再到服務器連接著的磁帶機(庫),數據備份通常占用服務器主機資源20-30%,因此許多企業用戶的日常數據備份常常在深夜或業務系統不繁忙時進行,以免影響正常業務系統的運行。直連式存儲的數據量越大,備份和恢復的時間就越長,對服務器硬件的依賴性和影響就越大。對於多個服務器或多台PC的環境,使用DAS方式設備的初始費用可能比較低,可是這種連接方式下,每台PC或服務器單獨擁有自己的存儲磁盤,容量的再分配困難;對於整個環境下的存儲系統管理,工作煩瑣而重復,沒有集中管理解決方案。所以整體的擁有成本(TCO)較高。
2.NAS(Network Attached Storage,網絡附加存儲),采用網絡(TCP/IP、ATM、FDDI)技術,通過網絡交換機連接存儲系統和服務器主機,建立專用於數據存儲的存儲私網。
由於NAS脫離了服務器的操作系統,因此其存儲和備份的效率都相對傳統備模式有很大提升,使文件訪問操作更為快捷;NAS提供的自動定時備份功能,使得數據的備份和恢復變得十分的簡便;同時,NAS是部件級的存儲方法,相當易於部署;滿足工作組或部門級機構解決迅速增加存儲容量的需求的同時,部分NAS品牌如惠普、IBM、自由遁、巴比祿等品牌可以提供快照和遠程容災等技術。
然而NAS存儲的可擴展性受到設備容量大小的限制,增加NAS可簡易地解決這一問題。 3.SAN(Storage Area Network,存儲區域網絡),它是一種通過光纖集線器、光纖路由器、光纖交換機等連接設備將磁盤陣列、磁帶等存儲設備與相關服務器連接起來的高速專用子網,在該網絡中提供了多主機連接,但並非通過標准的網絡拓撲。
SAN以數據存儲為中心,采用可伸縮的網絡拓撲結構,通過具有高傳輸速率的光通道的直接連接方式,SAN具有出色的可擴展性。 SAN便於集成,能改善數據可用性及網絡性能,而且還可以減輕管理作業。但SAN往往只能作到NT與有限的UNIX平台間的互操作。而且SAN中不同操作系統間文件系統和數據格式不同所帶來的不兼容性,
SAN往往只能作到NT與有限的UNIX平台間的互操作,不同操作系統間文件系統和數據格式不同會帶來的不兼容性。

五、小結
  當企業意識到數據的重要性之後,不斷地加大投入資金,實現更好的數據存儲備份解決方案便成為可能。當然,建設一個高效、可靠、易於管理的存儲備份系統所需要投入的資金也非常多,企業當“量財而行”,選擇合適的、經濟的方案,以確保企業數據的安全。

附:DAS與NAS比較表格
網絡備份存儲管理系統
網絡數據存儲管理系統是指在分布式網絡環境下,通過專業的數據存儲管理軟件,結合相應的硬  件和存儲設備,來對全網絡的數據備份進行集中管理,從而實現自動化的備份、文件歸檔、數據分級存儲以及災難恢復等。
為在整個網絡系統內實現全自動的數據存儲管理,備份服務器、備份管理軟件與智能存儲設備的有機結合是這一目標實現的基礎。
網絡數據存儲管理系統的工作原理是在網絡上選擇一台應用服務器(當然也可以在網絡中另配一台服務器作為專用的備份服務器)作為網絡數據存儲管理服務器,安裝網絡數據存儲管理服務器端軟件,作為整個網絡的備份服務器。在備份服務器上連接一台大容量存儲設備(磁盤陣列或磁帶庫、光盤庫)。在網絡中其他需要進行數據備份管理的服務器上安裝備份客戶端軟件,通過局域網將數據集中備份管理到與備份服務器連接的存儲設備上。
  網絡數據存儲管理系統的核心是備份管理軟件,通過備份軟件的計劃功能,可為整個企業建立一個完善的備份計劃及策略,並可借助備份時的呼叫功能,讓所有的服務器備份都能在同一時間進行。備份軟件也提供完善的災難恢復手段,能夠將備份硬件的優良特性完全發揮出來,使備份和災難恢復時間大大縮短,實現網絡數據備份的全自動智能化管理。
備份策略
  日常備份制度描述了每天的備份以什麼方式、使用什麼備份介質進行,是系統備份方案的具體實施細則。在制訂完畢後,應嚴格按照制度進行日常備份,否則將無法達到備份方案的目標。數據備份有多種方式:全備份、增量備份、差分備份、按需備份等。
  全備份:備份系統中所有的數據
  增量備份:只備份上次備份以後有變化的數據
  差分備份:只備份上次完全備份以後有變化的數據
  按需備份:根據臨時需要有選擇地進行數據備份
  全備份所需時間最長,但恢復時間最短,操作最方便,當系統中數據量不大時,采用全備份最可靠;但是隨著數據量的不斷增大,我們將無法每天做全備份,而只能在周末進行全備份,其它時間我們采用所用時間更少的增量備份或采用介於兩者之間的差分備份。各種備份的數據量不同:全備份>差分備份>增量備份。在備份時要根據它們的特點靈活使用。
災難恢復
  災難恢復措施在整個備份制度中占有相當重要的地位。因為它關系到系統在經歷災難後能否迅速恢復。災難恢復操作通常可以分為兩類。第一類是全盤恢復,第二類是個別文件恢復,還有一種值得一提的是重定向恢復。
  A、 全盤恢復 全盤恢復一般應用在服務器發生意外災難導致數據全部丟失、系統崩潰或是有計劃的系統升級、系統重組等,也稱為系統恢復。
  B、 個別文件恢復 由於操作人員的水平不高,個別文件恢復可能要比全盤恢復常見得多,利用網絡備份系統的恢復功能,我們很容易恢復受損的個別文件。只需浏覽備份數據庫或目錄,找到該文件,觸動恢復功能,軟件將自動驅動存儲設備,加載相應的存儲媒體,然後恢復指定文件。
  C、 重定向恢復 重定向恢復是將備份的文件恢復到另一個不同的位置或系統上去,而不是進行備份操作時它們當時所在的位置。重定向恢復可以是整個系統恢復也可以是個別文件恢復。重定向恢復時需要慎重考慮,要確保系統或文件恢復後的可用性。
  為了防備數據丟失,我們需要做好詳細的災難恢復計劃,同時還要定期進行災難演練。每過一段時間,應進行一次災難演習。可以利用淘汰的機器或多余的硬盤進行災難模擬,以熟練災難恢復的操作過程,並檢驗所生成的災難恢復軟盤和災難恢復備份是否可靠 。
三、 相關技術介紹
  1、 分級存儲管理(HSM)技術
  HSM(Hierarchical Storage Management,分級存儲管理)系統是一個合適的在線備份解決方案。它利用硬盤、可擦寫磁光盤、磁帶進行三層式存儲管理。所謂分級存儲管理系統是一套自動化的網絡存儲管理設備,會自動判斷硬盤中資料的使用頻率,自動將不常用的資料移至速度較慢的光盤,而最不常用的資料則移到磁帶中,這些都由系統管理員自行設定。在線的資料經過一段時間的搬移後,即可達到最佳化。
  在單機運行環境中,由於數據量有限,因而數據的存儲備份也相對簡單。但隨著網絡的普及和數據量的巨增,簡單的備份已經無法滿足需求,分級存儲管理(HSM)也就應運而生。HSM主要是用於對海量數據的存儲備份,當系統中有很多數據以至於不能經濟有效地將它們都存放在硬盤上時,就需要使用分級存儲備份技術。
  通常,HSM是一個將硬驅、磁帶驅動器和光驅組合起來的自動存儲系統。其基本原則是把絕大部分最常用到的數據保留在硬盤上,而將很少使用的數據存儲到數據庫中或磁帶和光盤上。系統隨時監視文件和數據的使用情況,並且根據卷、目錄對其進行實時跟蹤。當數據使用率較低時,系統自動將其轉移到中間存儲媒介,然後存放到專用的存儲介質中進行長期保存。一般情況下,直接訪問硬盤上的數據文件所需時間不超過幾微秒,而從磁盤或磁帶庫中讀取數據大約需要1分種。HSM系統不僅使數據的存儲備份更加容易,而且也將數據檢索的時間減少到最低限度。
  2、 存儲區域網(SAN)技術
  SAN是隨著光纖通道技術的出現而產生的新一代磁盤共享系統。實際上,SAN就是通過集線器或交換器,把兩個或更多的存儲系統連接到兩個或更多的服務器上。這一定義對使用什麼樣的互連技術、軟件的功能和網絡節點間必須使用什麼樣的協議沒有進行規定。一般說來,SAN擁有三種主要部件:接口(包括SCSI、光纖通道等)、互連設備(如路由器、交換器、集線器等)和交換光纖。
  SAN的誘人之處在於它能夠對一個存儲網絡設備中的帶寬進行集中、多路復用和分散使用並且將對這個數據的訪問擴展到多個平台。在SAN環境中,SAN將取代服務器實施對整個存儲過程的管理和控制,服務器僅負責監督工作。SAN的前端設備只進行文件傳輸,從而使用戶能獲得更高的傳輸速率。例如,通過光纖通道可獲得100Mbps的速率,而通過傳統的SCSI連接只能得到40Mbps的速率。
四、 數據備份方案選擇時依據的目標
1、集中式管理
    方案應利用集中式管理工具對整個網絡的數據進行管理。系統管理員可對全網的備份策略進行統一管理,備份服務器可以監控所有機器的備份作業,也可以修改備份策略,並可即時浏覽所有目錄。所有數據可以備份到同備份服務器或應用服務器相連的任意一台磁盤陣列內。
2、全自動的備份
    網絡備份能夠實現定時自動備份,能根據用戶的實際需求,定義需要備份的數據,然後以圖形界面方式根據需要設置備份時間表,備份系統將自動啟動備份作業,無需人工干預。
3、支持數據庫備份和恢復
4、在線式的索引
  備份系統應為每天的備份在服務器中建立在線式的索引,當用戶需要恢復時,只需點取在線式索引中需要恢復的文件或數據,該系統就會自動進行文件的恢復。
5、歸檔管理
  用戶可以按項目、時間定期對所有數據進行有效的歸檔處理。提供統一的Open Tape Format數據存儲格式從而保證所有的應用數據由一個統一的數據格式來作永久的保存,保證數據的永久可利用性。
6、系統災難恢復
  網絡備份方案應能夠備份系統的關鍵數據,在網絡出現故障甚至損壞時,能夠迅速地恢復網絡系統。
7、多平台支持
    備份軟件必須能支持多平台系統,當網絡上連接上其它的應用服務器時,對於網絡存儲管理系統來說,只需在其上安裝支持這種服務器的客戶端軟件即可將數據備份到磁盤陣列或帶庫中。
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