Понятие сетевого хранилища данных

Транспортная подсистема КИС предназначена не только для осуществления передачи информации, но и для обеспечения доступа к системе хранения данных (СХД), которая состоит из непосредственно массива дисковых устройств, контроллера управления дисковым массивом и средствами сетевого доступа. Последняя составляющая СХД может представлять собой как полноценную специализированную технологию передачи данных, так и протокол высокого уровня. Примером первого случая является SAN (Storage Area Network) – высокоскоростная сеть передачи данных, предназначенная для подключения серверов к устройствам хранения информации. В основе концепции SAN лежит возможность соединения любого из серверов с любым устройством хранения данных, работающим по протоколу Fibre Channel. Разнообразные топологии SAN – «точка – точка», «петля с арбитражной логикой» (Arbitrated Loop) и «коммутация» замещают традиционные шинные соединения «сервер – устройства хранения», реализованные по технологии SCSI, предоставляя большую гибкость, производительность и надежность. К протоколам высокого уровня можно отнести iSCSI – Internet Small Computer System Interface, который основан на протоколах TCP/IP и разработан для установления взаимодействия и управления системами хранения данных через IP-сети.

Системы хранения данных характеризуются следующими основными показателями: производительность, надежность, стоимость, дополнительные возможности.

Производительность характеризуется количеством операций ввода-вывода (в секундах, IOPS), пропускной способностью (Mбайт/с) и временем реакции (секунды).

Надежность характеризуется такими важными показателями, как

Mean Time Between Failure (MTBF, средняя наработка на отказ) – среднее время от начала работы до первого отказа жестких дисков;

Annualized Failure Rate (AFR, годовая интенсивность отказов) – процент устройств, вышедших из строя в течение первого года эксплуатации.

Надлежащий уровень надежности достигается путем применения следующих основных подходов:

– резервирование (redundancy) компонент;

– возможность проведения сервисных работ без перезагрузки и отключения питания (в «горячем» режиме);

– применение технологии RAID;

– защита служебной информации;

– дублирование каналов доступа к дискам и хостам.

Кроме основной функции хранения СХД реализуют следующие дополнительные возможности: администрирование (In-Band, Out-of-Band), виртуализацию, создание мгновенных снимков, удаленную репликацию данных, поддержку миграции данных и гетерогенного окружения, масштабируемость.

Администрирование определяет характер управления СХД и ее отдельными элементами и зависит от используемой технологии, оборудования и программных средств. Виртуализация позволяет осуществить сокрытие сложной организации систем хранения от пользователя, например, при файловой виртуализации часть дисковых накопителей видима пользователю как один накопитель, имеющий понятный идентификатор. Возможность создания мгновенных снимков позволяет сохранять блоки данных, не нарушая нормальную работу СХД, при этом говорят о копировании Point-in-Time – создание мгновенной копии оригинального тома на данный момент времени:

вида clone (копия занимает тот же объем, что и оригинальный том; требует время на первоначальную синхронизацию, но после ее завершения скорость доступа к данным высокая);

вида snapshot (фиксируются только изменения на томе данных; может занимать объем, меньший, чем оригинальный том; не требует первоначальной синхронизации, но скорость доступа к данным меньше, так как данные берутся с оригинального тома).

Репликация данных как процесс копирования информации на один или более массивов или между системами хранения позволяет построить надежную распределенную систему, обеспечивающую высокий уровень доступности и актуальности данных. В отличие от репликации поддержка миграции позволяет в режиме нормального функционирования системы производить перенос данных с одного хранилища на другое в зависимости от близости пользователей, производительности каналов связи и т. д.

Основой СХД являются массивы хранения данных, которые классифицируются следующим образом. По масштабу различают следующие массивы:

рабочих групп (Workgroup Storage) – сырая емкость хранения не превышает 1,5 – 2 Tбайт;

среднего уровня (Midrange Storage) – высокий уровень производительнос-ти (большее число каналов доступа от хостов к массиву (FrontEnd) и внутри него (BackEnd), надежность (избыточность) практически всех компонентов). Емкость хранения не превышает 20 Tбайт, но возможно ее увеличение за счет присоединения дополнительных дисковых стоек;

масштаба крупных предприятий (Data Centre Storage) – к этому классу относятся хранилища данных с экстремально высокими производительностью, емкостью и надежностью. Емкости – до 85 Tбайт.

По исполнению массивы хранения данных бывают

модульные – состоят из одного небольшого (9 – 15 дисков) массива с «интеллектуальным» RAID-контроллером, расширяются посредством технологии JBOD (Just a Bunch Of Disks, просто «куча» дисков);

монолитные – состоят из одного или нескольких больших «шкафов», масштабируются либо добавлением компонентов внутри массива, либо увеличением количества самих дисковых «шкафов».

Массивы могут классифицироваться также по архитектуре объединения в единую систему, по реализации контроллера управления дисковым массивом, способу управления и по другим признакам.

Способ доступа пользователя к массиву хранения и характер взаимодействия элементов СХД полностью определяется концепцией хранения данных. В настоящее время существует несколько таких концепций, появившихся в разное время:

DAS (Direct Attached Storage) – диски, непосредственно подключаемые к серверам;

NAS (Network Attached Storage) – диски, подключаемые к сети;

SAN (Storage Area Networking) – сети хранения;

NUS (Network Unified Storage) – унифицированные сетевые системы хранения;

DAFS (Direct Access File Systems) – файловые системы с прямым
доступом;

OBS (Object-Based Storage) – объектные системы хранения.

Распределенная система хранения DAS (рис. 5) является исторически самой первой и простейшей концепцией построения СХД. Согласно ей каждое приложение в сети пользуется собственным хранилищем, реализованным в рамках одного сервера (например, файлового сервера). DAS  отличается невысокой стоимостью, зависимостью от платформ, сложностью организации систем с высокой готовностью, высоким быстродействием в рамках одного сервера, малой скоростью отклика при загрузке сервера.

 

Рис. 5. Распределенная система хранения DAS

Выделенная система хранения NAS (рис. 6) предполагает наличие единого и общего для всех приложений хранилища, доступного клиентам из любой точки сети, и характеризуется следующими свойствами: платформонезависи-мостью, удобством администрирования, простотой развертывания, низкой масштабируемостью и зависимостью со стороны топологии и технологии сети передачи данных.

В настоящее время довольно популярным подходом в построении СХД является технология SAN (рис. 7). Идея SAN состоит в использовании специализированной сетевой технологии, интегрированной в СХД с точки зрения поддержки основных задач СХД. Так, базой многих реализаций SAN является оптическая технология передачи данных Fibre Channel, которая поддерживает типовые операции над данными и обеспечивает скорость передачи данных 1 – 10 Гбит/с и более в зависимости от спецификации. SAN имеет следующие характеристики:

– независимость топологии от хранилищ и серверов;

– платформонезависимость;

– централизованное управление;

– удобное резервирование данных без загрузки локальной сети и серверов;

– высокие быстродействие и масштабируемость;

– высокие готовность и отказоустойчивость (дублирование основных
узлов);

– отсутствие конфликта с трафиком корпоративной сети.

Рис. 6. Выделенная подсистема система хранения NAS

Унифицированные сетевые системы хранения NUS являются «мультипротокольными», так как обеспечивают доступ к данным по разным протоколам в рамках одной и той же системы, например, NUS способна работать одновременно и в SAN-сети, и по протоколу iSCSI, и как NAS-устройство для хранения файлов.

Основным принципом организации объектной архитектуры систем хранения (Object-Based Storage, OBS) является организация хранения данных
совместно с расширением данных – метаданными, которые характеризуют хранимую информацию и способ ее хранения вплоть до физического размещения в треках диска на носителе. Метаданные, таким образом, позволяют вводить в обращение термин «объект хранения», имеющий характерный для него формат хранения и доступа к нему.

Конкретная СХД, реализованная по той или иной концепции, может поддерживать один или несколько протоколов файлового доступа. Ниже перечислены наиболее популярные протоколы, способные функционировать в разных сетевых средах на разных аппаратно-программных платформах.

CIFS (Common Internet File System) – общая файловая система Интернета. Протокол CIFS используется в локальных windows-сетях для доступа к файлам. CIFS работает поверх протоколов стека TCP/IP и обеспечивает функциональность протокола FTP (File Transfer Protocol) с улучшенным контролем над файлами, он позволяет также разделять доступ к файлам между клиентами, используя блокирование и автоматическое восстановление связи с сервером в случае сбоя сети;

NFS (Network File System) – сетевая файловая система. Применяется на платформах UNIX и представляет собой совокупность распределенной файловой системы и сетевого протокола. Для транспортировки данных NFS использует протокол TCP/IP. Для работы NFS в Интернете был разработан протокол WebNFS;

 

Рис. 7. Сети хранения SAN

DAFS (Direct Access File System) – прямой доступ к файловой системе, который основан на NFS. Данный протокол позволяет прикладным задачам передавать данные в обход операционной системы и ее буферного пространства напрямую к транспортным ресурсам. Протокол DAFS обеспечивает высокие скорости файлового ввода-вывода и снижает загрузку процессора благодаря значительному уменьшению количества операций и прерываний, которые обычно необходимы при обработке сетевых протоколов;

iSCSI (Internet Small Computer System Interface) – это протокол, который базируется на протоколах TCP/IP и разработан для установления взаимодействия и управления системами хранения данных, серверами и клиентами;

Fibre Channel или FC – высокоскоростной интерфейс передачи данных. Переносит Fibre Channel Protocol (FCP) – транспортный протокол, который доставляет команды SCSI по сетям Fibre Channel. Поддерживается оптическая и электрическая среды (витая пара, коаксиальный или твинаксиальный кабели, а также многомодовое или одномодовое волокно) со скоростью передачи данных от 133 Мбит/с до 10 Гбит/с на расстояния до 50 км. Поддерживает классы обслуживания (Classes of service, CoS);

ATA over Ethernet (AoE, IEEE 0x88a2) – это низкоуровневый протокол, передающий пакеты с командами (ответами) для ATA-диска и конфигурационными опросными пакетами (query config packets) для идентификации доступных устройств.