FC SAN 系统研究Word下载.docx
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同时,提出了一种局域网管理体系,该体系分为两层,分别提供面向对象的服务和与实体相关的服务。
【关键词】光纤通道存储局域网;
管理体系;
网络存储;
光纤通道;
存储区域网;
磁盘阵列
1.选题背景及意义
1.1.1.信息爆炸与海量数字资源管理
新知识经济时代为我们创造前所未有的机遇的同时，知识和信息的爆炸也给我们带来了十分严峻的挑战。
信息或数据在IT系统中,总是必然处于“计算”、“存储”、“传输”三个状态之一。
这三个方面也正好对应于整个IT技术的三个基础架构单元—计算、存储和网络用户,而在数字图书馆系统中则对应着检索、存储和网略。
人类生产的数据和信息、特别是数字化数据和信息如此迅猛的增长，原因之一在于：
随着互联网的广泛应用，金融机构、医疗机构、科研机构、电信邮政部门和各种企业越来越依赖网络和计算机来处理、交换和传输关键业务数据。
此外，另一个重要原因在于：
信息领域飞速的技术进步使进入计算机的数据发生了巨大的变化，键盘输入的数据所处的统治地位正在让位于其他形式输入的数据。
现在，各种媒体的数据都可以数字化，进入计算机。
例如，扫描的图像，各种装置和设备直接采集的数字化的内容有照片、电视节目、电影、音乐、报纸、书、杂志等等，为了区别于以键盘输入数据为主的传统数据来源的年代，我们将这一时期称之为“后键盘”时代。
1997年以前,主机系统既负责数据的计算（信息检索）,也在通过文件系统、数据库系统等手段对数据进行逻辑和物理层面的管理,而存储设备则是以直连存储（DAs）方式连接在主机系统中[z1（目前中小型图书馆还是这种方式lsl）。
然而,由于历史发展的原因,各种标准和各种版本的操作系统、文件系统拥挤在用户的系统环境中,使数据被分割成杂乱分散的“数据孤岛”无法在系统间自由流动,自然也就谈不上设备的充分利用和资源共享。
随着数字图书馆建设发展,数据库数量和数据量迅速增加,使读者对信息的检索越来越困难,实现“一站式”检索服务、集成本馆所有“孤立”数字资源和所有异构数据库、提供统一的检索人口、为读者提供统一的显示方式成为必然。
鉴于此,人们开始寻找存储网络化和智能化的方法,希望通过提高存储自身的数据管理能力,独立于主机系统之外,以网络方式连接主机和存储系统。
从而将数据管理的职能,从标准混乱、应用负荷沉重的主机中分离出来,这样就出现了网络存储方式。
在网络存储的发展过程中,SAN（存储区域网络）和刊人S（网络附加存储）得到了迅速的发展。
NAS是一种直接利用局域网,基于文件的存储架构,存储数据的传输也是基于局域网。
NAS的最大优点是可以很容易实现异构平台的文件共享和具有较强的扩展性。
然而,NAS存储在数据备份或存储过程中会占用网络的带宽,访问需要经过文件系统格式转换,不适合Block（数据块）级的应用。
而SAN存储架构的出现弥补了NAS的不足,为存储系统的发展产生了巨大的推动力。
SAN存储区域网络,是一种通过网络方式连接存储设备和应用服务器的存储架构,这个网络专用于主机和存储设备之间的访问。
当有数据的存取需求时,数据可以通过存储区域网络在服务器和后台存储设备之间高速传输。
此光纤通道技术使得存储系统的可升级性、稳定性、可用性和性能都大大加强。
然而,在过去10年以FC协议为主的SAN存储系统建设中,人们逐渐发现FC协议虽然基本解决了传输速度和扩大容量的问题,却难以完全承担起存储系统独立化的重任。
此SAN的互操作性仍是实施过程中存在的主要问题。
SAN本身缺乏标准,尤其是在管理上更是如此。
虽然光纤通道技术标准的确存在,但各家厂商却有不同的解释,这就导致了代兼容性差、成本高昂、异构化严重的问题。
在存储以SAN的名义独立走上舞台的同时,IP和以太网技术在网络领域突飞猛进,在1997一2007年的10年中,主流商用协议标准从10M发展到了10G,技术标准成熟性已无可争辩。
IP技术已经成为整个IT行业中最成熟、最开放、发展最迅速、成本最低、管理最方便的数据通讯方式。
在经历了兀SAN发展的过渡性尝试后,整个行业开始考虑将FC传输技术替代为更加成熟可靠、成本更低的IP技术,以适应广域网数据应用、大规模服务器数据集中、海量数据存储等应用对新一代存储系统的求
1.1.2SAN的基本概念
SAN是一种为用户提供即时访问网络中数据的针对大容量数据存储的解决方案，SAN的基本结构如图1-1所示。
其基本目的是使存储设备与计算机系统或存储设备与存储设备之间进行高速通信。
SAN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SAN是通过专用高速网络SAN在最基本的层次上定义
图1.1存储区域网络结构示意图
为互连存储设备和服务器的专用光纤通道网络，它在这些设备之间提供端到端的通讯，并允许多台服务器独立地访问同一个存储设备。
SAN提高了计算机存储资源的可扩展性和可靠性，使实施的成本更低、管理更轻松。
1.1.3SAN的优势与价值
面对迅速增长的数据存储需求，大型企业和服务提供商开始选择SAN作为网络基础设施，SAN具有出色的可扩展性。
SAN不必中断与服务器的连接就可增加存储。
SAN还可以集中管理数据，从而降低了总体拥有成本。
利用光纤通道技术的SAN可以有效的传输数据块。
通过支持在服务器和存储设备之间传输海量数据块，SAN提供了数据备份的有效方式。
因此传统上用于数据备份的网络带宽可以节约下来用于其他应用。
SAN拓展了服务器和存储设备之间的距离，增加了更多连接的可能性。
改进的扩展性还简化了服务器的部署和升级，保护了原有硬件设备的投资。
SAN可以更好的控制存储网络环境，适合基于交易的系统在性能和可用性方面的需求。
SAN在传送数据块到企业级数据密集型应用能力也有优势。
SAN在通信节点上的处理费用开销很少，数据传输时被分成更小的数据块。
因此在传输大的数据块非常有效，采用光纤通道技术的SAN非常适用于存储密集型环境
1.1.4SAN的关键应用
1、备份备份是将数据复制到独立于应用磁盘的存储介质上，这样即使硬件失败、软件故障以及用户错误等影响磁盘的操作，也能够快速的恢复数据，从而有效的防止磁盘损坏所造成的影响。
SAN将本地备份和恢复以及网络备份和恢复的有点结合起来。
对备份和恢复进行集中式管理，将一台或多台存储设备分配给每个服务器，使用光纤通道技术传输数据。
2、保证数据的高可用SAN技术在体系架构中的一个优势是能够使SAN中互联的服务器共享同一份数据，这样既减少了存储开销，又提高了数据的高度一致性。
3、容灾能力数据镜像技术能够和SAN技术提供的远程连接能力以及良好的联通性组合在一起，为系统的容灾能力提供一种崭新的解决方案。
4、集群技术随着存储技术的发展，连续有效的数据对任何大型企业都是必须的。
企业生存的保障有很多，可以从灾难中恢复出来数据非常重要，能够连续正确地访问和处理数据也相当的重要。
SAN技术再一次成为集群技术的有力的支撑者。
基于SAN的集群技术使得计算自动化、高有效性且可扩展性良好。
5、远程数据复制通过使用SAN技术把数据镜像到远程存储设备上，即可实现几千米以外的数据快速复制，远程数据复制可以提供好处有：
容灾，数据分发，数据合并，数据移动等。
1.2光纤通道（FC）技术
1.2.1FC技术简介
光纤通道（FC）技术，是一项新兴的网络存储交换技术，它可提供长距离连接和高带宽，因此能够在存储器、服务器和客户机节点间实现大型数据文件的传输。
光纤通道技术是存储局域网、计算机集群以及其他数据密集型计算环境的理想解决方案；
而且光纤通道是一种工业标准接口，用于在计算机和计算机子系统之间传输信息，它支持IP协议、小型计算机系统接口（SCSI）协议、高性能并行接口协议以及其它高级协议，使用光纤通道技术时，这些协议可以同时运行。
为了能够适应可能出现的技术发展需要，提供更快更好的性能服务，FC技术具有以下技术特点：
（1）高速数据传输率：
一般的传输率为1Gbps，全双工可达2Gbps，可扩展至8Gbps甚至16Gbps。
（2）连接距离远：
光纤通道支持通过铜线或光纤媒介来进行传输。
线缆在1Gbps和25米左右的距离可以操作。
采用光纤通道可以支持最长距离10千米的连接距离，这样的优势是其他连接方式远远不及的。
（3）扩展能力强：
光纤通道技术有强大的扩展连接能力，使用三种拓扑结构可供选择，包括点对点、光纤仲裁环路和交换式结构。
点对点连接结构表示两个设备直接相连，这种连接结构的优点是网络连接成本比较低，而网络连接性能较稳定，但这种连接方式只能允许有两台设备相互连接；
光纤通道仲裁环路连接结构是通过一个或多个光纤通道网络集线器可以连接多达127个设备，连接环路可以是专用的或公用的，专用环路不与光纤网络相连，公用环路与光纤网络相连，这种连接结构的优点是比点对点协议支持更多的连接设备，但它限制了组合数据的传输速率；
而光纤交换式连接结构与以太网类似，通过一系列光纤网络交换机最多可支持1600万台设备的互连，这种连接结构不但可以支持多个设备，而且不会降低整体网络的连接性能，但是这种连接方式的每端口成本较高。
（4）可靠性高：
光纤通道采用了8b/10b的编码方式，最大可允许10-12比特误码率；
能够提供无确认的交换，适用于低开销、大块数据的数据传输；
支持无错数据封包传输，提供有保证的数据帧交换顺序，适用于关键数据的交换。
（5）多协议映射：
光纤通道提供多种选择的主要原因是支持多种上层协议（ULP）。
光纤通道不包括本地的上层协议，而是光纤通道定义了各种上层协议到光纤通道本身的映射，并确定一系列的光纤通道交换和序列。
（6）开放的标准：
光纤通道是一个通用的领域，是ANSI标准。
这样，参与光纤通道标准开发对所有的组织都是开放的。
很多组织都可以对光纤通道技术进行开发，允许在不同的方面进行增强和优化。
2.2.2FC协议体系光纤通道是一种标准的网络体系结构。
它的标准定义了本身物理层的特征、传输协议和流量控制控制的一些方法以及与其他上层协议的映射接口。
FC协议标准体系也是一个分层次模型。
它和OSI参考模型层次比较的结果如图1-2所示。
协议共分为五层，协议栈模型如图2-3所示。
图1.2FC与OSI对比模型FC
它们分别是：
FC-0层（物理接口层），FC-1（编码/解码层），FC-2（信令协议层），FC-3（公共服务层），FC-4（协议映射层）。
FC协议体系的五层模型不能直接对应到OSI模型
图1.3FC协议栈图
的协议层次，FC-0和FC-1这两层协议与OSI参考模型的物理层功能相当，而FC-2则和数据链路层中的MAC子层有很多相似之处，FC-3层则仅仅提供了设备多端口之间进行传输的还没有完全定义的一些服务的集合，FC-4层则是为了解决如何利用光纤通道来支持一些通用的高层通信协议的问题，是为IP协议、小型计算机系统接口（SCSI）协议、高性能并行接口协议以及其它高级协议提供到光纤通道的接口。
（1）FC-0层FC-0层位于光纤通道协议结构中的最底层。
该层不仅定义了系统的物理链路，还定义了物理介质，例如电缆、连接器和数据传输速度等。
该层的设计目的是实现最大的灵活性并使光纤通道能利用已有的大量技术。
FC-0层也就是物理接口和介质层，能为安全系统提供激光数据链路。
介质子层描述了不同传输介质的特性，以及相应的传输速率和距离范围。
在光纤通道存储区域网络中，最常用的传输介质是光纤。
接口子层描述了不同传输介质的接口规范及接口的光信号特性。
（2）FC-1层FC-1层是光纤通道体系结构中的第二层，为数据传输提供了适应性编码方法。
数据编码的功能是指定代码的最大长度、保持电流平衡以及提供数据传输中的字对齐功能。
该层也称为传输协议层，其功能主要是同步传输数据。
FC-1层定义了字节同步和基本传输信号的编码和解码规则、特殊字符和错误控制等。
光纤通道FC-1层采用直流平衡的8b/10b编码方式。
数据以每次8位的方式进行传输，并且这个长度为8位数据被放在长度为10位的空间中。
采用该编码方式主要是为了改善数据的传输特性以提高信号质量。
（3）FC-2层FC-2层的作用是实现光纤通道的传输机制。
FC-2层也称为分帧和信号发送协议层，包括帧格式、节点间的信息交换管理、拓扑结构和提供的服务类型等。
其主要功能是定义独立于上层协议的数据传输方法和机制。
FC-2层定义了几种数据传输单位：
有序集：
包含数据和特殊字符的四字节传输数据组成。
帧：
FC-2层中的基本数据传输单位，最多传输2112个字节。
序列：
由一个或多个帧组成。
交换：
包含一个或多个帧序列。
协议：
由一个或多个帧交换组成。
这些数据传输单位形成了光纤通道的信息传输层次。
在这种层次结构中，有序集是用来获得位和字同步，并确立字边界。
帧的结构是由帧起始（SOF）、帧头、负载、冗余校验码（CRC）和帧结束
（EOF）组成。
帧起始、冗余校验码和帧结束都是由一个传输字组成，帧头由6传
输字组成，负载最多能有2112个字节，图1-4表示帧结构示意图。
光纤
图1.4数据帧结构示意图
通道传输数据时，上层协议的数据单位长度可能大于光纤通道帧的最大长度2112个字节。
这时一个上层协议数据单位需要分割成几个光纤通道帧。
FC-2层把这几个数据帧称为帧序列。
FC-2层定义了帧交换来表示上层协议的一次操作。
帧交换是由一次操作中的一个或几个帧序列组成。
在单一交换中只能有一个序列在同一时间内被激活，但是在不同交换之间可以有多个序列被同时激活。
（4）FC-3层FC-3层定义在单个节点上跨越多个端口的功能，它提供了在节点上使用高级特性的功能。
FC-3提供下面的三种服务：
条块化（striping），用来增加传输带宽。
它利用多个N端口并行连接以便在多条链路中传递一个数据单元。
搜索组（huntg10up），与单个节点相连的一组相关的N端口，它能使多个端口对同一个别名地址做出相应，这样减少了等待使用N端口的延迟时间。
多播（multicast），用于将一组数据传送到多个端口，它使所有的节点都接收传输的数据单元。
（5）FC-4层FC-4层是光纤通道协议结构的最高层。
定义了把各种主要的有关通道以及网络等高层协议映射到低层的方法。
规定了上层协议到光纤通道的映射规则。
FC-4层现在支持的高层协议包括：
小型计算机系统接口SCSI；
智能外围设备接口IPI；
高性能并行接口HIPPI；
互联网协议IP以及IEEE802.3局域网协议等。
在FC-SAN中是使用的光纤通道上的SCSI。
SCSI中一个单独的命令被映射成光纤通道协议中的一个帧序列，而组成一个SCSI交换的几个命令被映射成光纤通道的一个帧交换。
SCSI-FCP是将光纤通路作为一种传送SCSI-3命令、响应、状态和数据块的传送机制运行。
图1.5SCSI-3和FCP之间的映射
2.FC_SAN存储方式
目前主流的存储方式主要有3种:
DAS（直接存储）、NAS（网络附加存储）、sAN。
DAs在Pc机及早期的服务器中应用较多。
在该方式中,数据共享及存储扩展受到严重限制,因此这种存储方式在目前来说己不再是主流。
NAs采用独立于服务器,单独为网络数据存储而开发的一种文件服务器来存储设备,自形成一个网络。
为了更好地满足应用在容量、性能、数据安全、数据共享等方面对存储提出的要求,必须采用网络化的存储体系。
SAN不同于.NAS,它不是把所有的存储设备集中安装在一个专门的NAS服务器中,而是将这些设备单独通过光纤交换机连接起来,形成一个光纤通道的存储子网,然后再与局域网相连。
SAN是通过一个单独的,通常是基于光纤通道的SAN网络把存储设备以及服务器相连,如此,当有海量数据的存取需求时,数据完全可以通过SAN网络在相关服务器和后台的存储设备之间高速传输,对于LAN的带宽占用几乎为零,而且服务器可以访问SAN上的任何一个存储设备,提高了数据的可用性。
在对性能和可靠性要求较高的场合,采用先进的SAN数据存储网络,可以使数据的存储、备份等活动独立于原先的局域网之外,从而将减轻LAN的负载,保证原有网络应用的顺畅进行;
同时SAN网采用光纤传输通道,可以得到高速的数据传输率。
3.网络化存储技术带来的机遇和挑战
新的存储方式的出现无论对IT工业界还是学术界都提出了巨大的机遇和挑战。
2001年的911事件中，对关键数据做了远程镜像和容灾等数据保护手段的公司，业务迅速回复，几乎没有受到影响；
反之，则损失惨重，甚至迅速破产。
人们越来越意识到，采用先进的存储技术对数据和信息进行妥善的保存是一个关系到小至企业兴衰、大至国家安全的重要问题。
这一活生生的事实直接导致了用户对于存储以及数据管理的重视，进而导致存储公司的日益红火。
国际上如EMC、NetApp、StorageTek、B10cade，国内如东湖存储、威视瀚海等一批原本默默无闻的专业存储厂商忽然成为了舞台上的明星。
与此同时IBM、HP、Sun、Compaq、Cisco、Dell等IT巨头们也纷纷聚焦网络存储领域，将网络存储作为最具战略意义的核心业务之一。
IDC的研究结果显示：
2001年全球用户在存储产品和服务器上的花费已经达到1:
1，随后这个比例将达到甚至超过3:
1，并得出结论：
存储将在成为IT基础设施的绝对中心，而服务器则成为外围设备然而，与IT领域其他技术、以及以往的存储技术发展过程不同的是，由于市场的强烈需求以及经济利益的强大驱动，网络存储技术并没有等待技术和标准在实验室充分积累经验后再走入市场，而是由风起云涌的大小厂商将尚未完全准备好的形形色色的网络存储解决方案直接推向了焦急的用户。
甚至，直到今天，网络存储市场红火的年代，由业界各大厂商自发组建的网络存储权威机构SNIA（StorageNetworkingIndustryAssociation）还没有完成FC-SAN的统一标准，使其在互操作性、兼容性方面还有许多问题。
与热火朝天的工业界相反，学术界对存储领域的变化还没有来得及给予足够的关注和研究。
早期的一些研究，如基于仿真方法的性能研究和评测基于逻辑卷管理和文件系统的工具开发与评测、FC-SAN网络驱动器的开发等等还远远不够这种工业界先行、研究界在后的境况对于我们来说既是机遇也是挑战：
业界在应用和实施的过程中已经遇到了很多实际问题需要基础研究的支持，这为我们提供了丰富的研究课题和广阔的作为空间。
4.IP-SAN与FC-SAN的差异
IP-SAN和FC-SAN的拓扑结构相同，不同的只是所使用的物理材料及其连接设备。
IP-SAN简单的理解就是在IP网络实现数据块级存储。
数据块=在磁带备份文件中，数据块是物理I/O的单元。
这不同于NAS里面的文件系统级别的传输。
IP-SAN：
使用通用的IP网络及设备，通过TCP/IP进行通信；
使用网卡或者ISCSIHBA卡与网络交换机连接。
实现IP-SAN的协议有三种：
iFCP、FCIP、iSCSI。
三种协议的共同目标是封装I/O数据以在IP网络中传送，但它们各有不同：
iFCP协议是在SAN的终端设备上映射IP地址来实现在现有的FCSAN中引入TCP/IP协议的。
FCIP是一种不透明的传输协议，主要用于通过IP协议实现FC-SAN的互连；
iSCSI是一种开放协议，这种协议基本构架是在SCSI的数据包上加上TCP/IP协议，由于加入了TCP/IP协议，iSCSI协议可以使SCSI数据包在普通的IP网络上传输。
它是最完全最彻底的IP存储网络。
FC-SAN：
使用专用光纤通道设备，使用FC协议进行通信；
使用FCHBA卡与FC交换机连接。
在性能上fc最好，单端口可以达到2gbps的带宽，目前最新的可达4gbps的带宽；
fc的应用成本最高，需要配套的昂贵的光纤交换机；
以及采用光纤介质；
fc占据高端。
从应用上来说，相对于IP-SAN，FC-SAN可以承接更多的并发访问用户数。
当并发访问Storage的用户数不多的情况时，FC-SAN对比IP-SAN二者性能相差无几。
但一旦当外接用户数呈大规模增长趋势时，FC-SAN就显示出其在稳定、安全、以及高性能传输率等方面的优势，不会像IP-SAN由于自身传输带宽的瓶颈而导致整个系统的被拖垮。
面对大规模并发访问，无论是从外接用户数规模来说还是从传输性能和稳定性来说，FC-SAN都有着IP-SAN不可比拟的优势。
两种方式都有优缺点，适合于不同的用户群体，用户可依据自己的需要来选择。
5.SAN性能分析模型的校正
因为存储子系统是耗时较多而且也是较为复杂的一个节点，对其正确的描述、分析和估算对整个系统的影响十分重大，所以对存储子系统部分的校正是最值得考虑的部分之一。
接下来我们着重考虑对存储子系统部分的分析模型进行校正。
如前文所述，笼统的讨论分析模型的校正是困难的、难以深入的。
故而，本节我们仍将接合一个实例，即考虑并行SCSI连接多个磁盘时Rund现象对模型的影响，由简入深的讨论分析模型校正，以期通过这一系列的讨论，展示类似模型校正的框架、规律和分析与讨论的经验。
在说明如何以Rund现象为基础，对模型进行校正之前，我们需要首先说明Rund现象会如何影响系统行为。
而在此之前，我们需要首先阐明何为Rund现象？
它带给我们什么问题？
5.1Rund现象简析及问题的提出
因为Rund现象是出现在并行SCSI连接多个磁盘的情形中的，所以为了更好的阐明Rund现象，我们先来简单回顾一下并行SCSI的运作机制。
5.1.1并行SCSI运作机制回顾
并行SCSI连接属于共享式的连接方式而非交换式的连接方式，每一个连接在SCSI总线上的节点都拥有一个唯一的SCSIID号。
任何连接在SCSI总线上的节点在使用它之前必须发起仲裁请求，以获得使用权。
经过仲裁之后，获得使用权的节点将独享SCSI总线带宽，
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