第三章 网络存储技术 Networked Storage

1. 第三章 网络存储技术Networked Storage 网络存储与系统虚拟化技术 Network Storage and System Virtualization Technology 北京大学信息科学技术学院 网络与信息系统研究所 系统虚拟化及空间信息技术实验室（http://gis.pku.edu.cn）

2. 本章目标及内容 • 面对不断增长的信息需求和不断发展的网络技术，网络存储应运产生。本章分别介绍了网络存储环境下的直连存储、网络附加存储、光纤存储局域网、IP存储局域网和内容寻址存储，并深入介绍了这些网络存储结构的概念、结构特点、基本原理以及应用环境等方面的知识。 • 本章内容包括5个方面： • 3.1 直连存储 (Direct Attached Storage，DAS) • 3.2 网络附加存储 (Network Attached Storage，NAS) • 3.3 光纤存储局域网络 (Fibre Channel Storage Area Networks, SAN) • 3.4 IP存储局域网（IP Storage Area Networks，IP SAN） • 3.5 内容寻址存储（Content Addressed Storage，CAS）

3. 本章目标及内容 • 面对不断增长的信息需求和不断发展的网络技术，网络存储应运产生。本章分别介绍了网络存储环境下的直连存储、网络附加存储、光纤存储局域网、IP存储局域网和内容寻址存储，并深入介绍了这些网络存储结构的概念、结构特点、基本原理以及应用环境等方面的知识。 • 本章内容包括5个方面： • 3.1 直连存储 (Direct Attached Storage，DAS) • 3.2 网络附加存储 (Network Attached Storage，NAS) • 3.3 光纤存储局域网络 (Fibre Channel Storage Area Networks, SAN) • 3.4 IP存储局域网（IP Storage Area Networks，IP SAN） • 3.5 内容寻址存储（Content Addressed Storage，CAS）

4. Cache Intelligent storage systems • Intelligent storage system models: DAS/NAS/SAN/CAS • Networked Storage: NAS/SAN/CAS Intelligent Storage System Front End Back End Physical Disks Cache Host Connectivity

5. 3.1 直连存储(DAS) • Direct Attached Storage • Internal/External NAS：直接与一台主机相连 • DAS组成 • DAS的连接 • DAS的管理 • DAS的应用

6. Internal/External DAS Internal External Direct Connect 专用的存储资源：只与一台主机相连。

7. DAS的优点 • 适合本地数据存储 • 小型存储环境：可以快速部署 • 配置简单，便于部署 • 可靠性高 • 便宜 • 易于管理

8. Connectivity DAS的组成 Storage CPU • Motherboard • Clustered group of processors • Processor cards • Complete system • Internal • External • Hard disk(s) • CD-ROM drive • Optical drive • Removable media • Tape devices/tape library • RAID/intelligent array(s) • Portable media drives

9. DAS的连接 • 块级别（Block-Level）的访问协议 • IDE/ATA 和 SATA • 主要用于内部连接（Internal）总线 • SCSI • 并行SCSI（Parallel SCSI）：for Internal • 串行SCSI（Serial SCSI）：for External • Buss and Tag • for External • 光纤通道（IBM的ESCON和FICON）的先驱

10. DAS的连接：Internal 机箱空间 距离 连接设备数 功耗

11. DAS的连接：Internal设备示例 Parallel Connectivity Cables Serial Connectivity Cable Serial ATA cable 50-wire SCSI-2 cable 80-wire IDE cable 34-wire floppy cable

12. 并行总线和串行总线的区别？ • 并行总线 • 位宽 • 频率 • 同步、干扰 • 串行总线 • 频率 • 管线

13. Example of an external connectivity cable SCSI, FireWire, Serial ATA, USB, etc DAS的连接：External External DAS HBA HBA 空间 距离 设备数 管理 Host Storage Device SCSI、FC

14. DAS的管理：Internal • 主要由主机及其 OS进行管理 • 包括： • 磁盘分区 (卷管理) • 文件系统 • 数据寻址

15. DAS的管理：External • 基于阵列的管理 • 可获得性 – multi-path I/O • 更低的TCO (Total Cost of Ownership )：管理数据或管理存储设施

16. DAS的性能 • 影响 DAS 性能的因素包括： • Hard disks • Memory cache • Virtual memory (paging) • Storage controllers • Cache size • Protocol supported (e.g. SCSI, FireWire, USB, etc.) • RAID level • Bus

17. Internal DAS示例 Hard Drive 40 Pin Ribbon Cable Motherboard Holds an embedded HBA with an IDE bus connector

18. External DAS示例 ESCON HBA Cable for external DAS connectivity

19. DAS面临的挑战 • 必须与主机直接相连 • 数据可获得性（Availability）的局限 • 较多的单点失效点 • bus, multiple path software, host, application, etc • 数据访问速度降低 • CPU拥塞, caching, multi-pathing • 可扩展性（Scalability）的局限 • 与主机的连接端口数 • 可编址的磁盘数 • 距离 • 维护时的停机时间（Downtime）

20. 小结 • Internal/External DAS • DAS组成：CPU, Connectivity, Storage devices • DAS连接：块级别（Block-level）的访问协议

21. 本章目标及内容 • 面对不断增长的信息需求和不断发展的网络技术，网络存储应运产生。本章分别介绍了网络存储环境下的直连存储、网络附加存储、光纤存储局域网、IP存储局域网和内容寻址存储，并深入介绍了这些网络存储结构的概念、结构特点、基本原理以及应用环境等方面的知识。 • 本章内容包括5个方面： • 3.1 直连存储 (Direct Attached Storage，DAS) • 3.2 网络附加存储 (Network Attached Storage，NAS) • 3.3 光纤存储局域网络 (Fibre Channel Storage Area Networks, SAN) • 3.4 IP存储局域网（IP Storage Area Networks，IP SAN） • 3.5 内容寻址存储（Content Addressed Storage，CAS）

22. 几个基本概念 • 文件系统 • FAT • NTFS • 卷管理（Volume Management） • 虚拟文件系统（Virtual File Systems，VFS） • 网络文件系统（Network File Systems，NFS） • Sun’s NFS • Microsoft’s CIFS (Common Internet File Systems)

23. NAS产生的背景 • 文件共享的需求 • Multi-file Copies • Share Directories • File Servers: Performance and Scalability bottleneck • General OS • Commodity hardware • 网络传输速度不断提高 • NAS appears • 硬件：High-performance, scalable hardware • 软件：Specialized OS and protocol interfaces designed specifically for file serving.

24. 3.2 网络附加存储(NAS) • Network Attached Storage • NAS的组成 • NAS的管理 • NAS的应用

25. NAS的发展 Portable Mediafor File Sharing Networked File Sharing Networked PCs Stand Alone PC • NAS连接：文件级别 (File-level)的访问协议， 不同于块级别(Block-level)。 Network Attached Storage (NAS)

26. NAS是什么？ • NAS是网络上的一套文件级别的共享存储设备。 Clients • NAS是一个直接连接到LAN上的、包含高性能文件服务器 的存储设备，它专注于提供高速、高效的文件共享服务。 NAS Head Storage ApplicationServer PrintServer NAS Device (Mover/Filer)

27. 通用服务器 vs. NAS Applications Print Drivers File System File System Operating System I/O Network Operating System Network Single Function Device(NAS Server: File Serving) General Purpose Server(NT or Unix Server) From General to Special

28. 为什么要有NAS？ • 支持大范围的数据访问 • 远距离、一对多/多对一、异构平台 • 改进性能 • 特殊的OS、优化的文件服务 • 更加灵活：使用标准协议，客户端类型多种多样 • Windows、Unix、Linux、Mac OS • 集中存储 • 简化管理 • 可扩展性 • 高可获得性 –clustering • 安全保证：用户授权、文件锁

29. 用户对NAS的需求在不断变化 T H E P A S T T O D A Y Critical BusinessApplications(Databases) Outside theData Center IntegratedInfrastructure Islands ofInformation EnterpriseManagement Tools andScripts

30. NAS的逻辑部件 NAS Device • 网络接口（网卡） • 网络文件协议 (NFS/CIFS) • 优化的OS • DART - Data Access in Real Time (EMC) • Data ONTAP (Network Appliance) • 存储接口（磁盘）：SATA, SCSI, or Fibre Channel Network Interface NFS CIFS IP Network NAS Device OS Storage Interface SCSI, FC, or ATA

31. 网络文件协议 (NFS/CIFS) Unix NAS Device File-level NFS Network Interface NFS CIFS Redirection IP Network NAS Device OS TCP/IP Storage Interface CIFS Block-level Windows SCSI, FC, or ATA

32. NFS (Network File System) • 由Sun开发，与Unix紧密结合 • 一种C/S应用 • 基于TCP，使用RPC (Remote Procedure Calls) • 将远程文件系统Mount到本地 • 可以控制对远程Mount的文件系统的访问权限

33. CIFS (Common Internet File System) • 由Microsoft开发，与Windows紧密结合 • Microsoft SMB (Server Message Block) 协议的公开版 • 客户端通过SMB协议访问远程文件 • 通常看作是对FTP、HTTP的补充 • 对文件的控制比FTP更好 • 程序接口也比 Web browsers和HTTP更好 • 通过特殊的文件锁共享文件（写） • 文件名使用Unicode编码

34. NAS连接：A Closer Look NFS Application FTP, TelnetSMTP, SNMP Presentation XDR (eXternal Data Representation) RPC Session Transport TCP, UDP IP Network ARP / RARP Data Link Not Defined Physical OSI Seven-Layer Module Internet Protocol Suite

35. I/O示例 Application Storage Interface Block I/O to storage device Operating System Storage Protocol I/O Redirect NAS Operating System NFS / CIFS NFS / CIFS TCP/IP Stack TCP/IP Stack Network Interface Network Interface Client NAS Device IP Network

36. UNIX and Windows之间的信息共享 NFS Traffic FTP CIFS Traffic Protocol Layer Common File System (CFS) Multi-protocol support layer OS I/O layer

37. NAS的物理部件 • 服务器（NAS head/Data movers/filers）：高端文件服务器 • CPU、Memory, 网络端口、存储连接, … • 基于IP的文件服务 • 特殊的 OS • 管理接口：进行管理和配置的设备 • 管理NAS Head，配置网络接口 • 配置、管理远程文件系统 • 可以是本地设备或远程设备 • 连接（Connectivity） • NAS head to storage / NAS head to network • 存储（Storage） • 集成的存储（Integrated） • 共享的存储（Gateway，如SAN）

38. Integrated vs. Gateway NAS Integrated NAS IP Network NAS Head NAS Gateway FC Fabric IP Network NAS Head

39. Integrated NAS Integrated NAS System Direct Attach IP Network NAS Head Storage Integrated NAS的优点: • 集中的存储介质 • 易于管理 • 易于备份，以保护关键数据 • 高可获得性 • 异构系统的文件共享 • 更高的吞吐率 • 可扩展性好 • 更低的TOC（Total Cost of Ownership）

40. SAN Different types of back-end storage can be attached to one NAS head. Gateway NAS NAS Gateway 结合了 NAS 和 SAN 的优点: • SAN 的可扩展性及性能 • NAS 的灵活性及易用性 • 降低了SAN的使用门槛 • 拓展了FC拓扑结构的局限性 • 使得IP设备可以访问SAN • 增加了SAN的投资收益 • 降低了访问代价 • 可以更加充分地使用SAN，提高其使用效率 • 支持异构系统的文件服务 Clients IP Network Application Servers IP Network FC Switch NAS Gateway Storage

41. NAS的管理 • 大多数NAS设备提供商都提供了相应的管理软件 • NAS管理的话题包括： • 发现NAS设备 / 设备的可用性 • 备份（Backup）与恢复（Recovery） • 资源管理（Resource management）：硬件设备及配置、数据 • 空间管理：用户及其使用情况 • 容量管理：存储的容量 • 性能分析：I/O性能 - CPU/Memory、Cache、NFS/CIFS • 监控（Monitoring）：CPU、Memory利用率、网络 • 通常需要做预先的分析：目录信息（设备、容量、使用率、性能等）、备份/恢复策略、当前的工具 • 可能还需要一些辅助软件

42. NAS管理：Integrated vs. Gateway • Integrated NAS的管理 • NAS服务器（NAS Head）和存储阵列（Storage Array）都由NAS管理软件来管理 • Gateway NAS的管理 • NAS服务器（NAS Head）由NAS管理软件管理 • 存储阵列（Storage Array）则由其自身的阵列管理软件管理

43. NAS示例 • NAS存储融合 • 采用 Gateway NAS 节约投资

44. NAS存储融合：场景 Current Environment UNIX NTW2K CIFS NFS Internet/Intranet UNIX Windows General purpose OS serving files viaFTP, CIFS, NFS, HTTP. . .

45. NAS存储融合：解决方案 Solution NASFileServer Internet/Intranet UNIX Windows Special OS serving files viaFTP, CIFS, NFS, HTTP. . .

46. 采用 Gateway NAS 节约投资 • 当拥有SAN时，无需再购买Integrated NAS。 • 使用Gateway NAS充分利用SAN的投资。 MultipurposeServers NT UNIX IP Network FC Switch NAS Gateway

47. NAS面临的挑战 • 速度 • 网络延时与网络拥塞 • IP网络的协议栈效率低 • 应用对I/O响应的需求总是不断增加 • 可靠性：存在单点失效的问题 • 连接：文件级别（File-level） Block-level NAS • 可扩展性：总是会有一个最大的容量，不能无限扩大

48. 小结 • NAS设备：专注于提供优化的文件服务的设施 • NAS Head / Storage Array • NAS拥有专门的OS • NAS 支持多种网络文件协议 • NAS的实现方式：Integrated / gateway • NAS的管理 • 性能、资源、空间、容量、备份/恢复、监控等 • Integrated / gateway：不同的管理方式 • NAS示例：NAS存储融合、Gateway NAS • NAS面临的挑战：速度、可靠性、连接、可扩展性

49. 下课！ Q&A Discussion

50. EMC NAS产品 • NAS device consists of: • Network interface device (EMC called Data Mover) • Storage interface device (EMC called Data Mover) • Management interface device (EMC called a Control Station) • Storage connectivity mechanism • Direct connect • Gateway connect • Storage device Storage Interface Device Management Interface Device CLARiiON Storage Processor Navisphere Manager Symmetrix FA (Fibre Channel Adapter) Service Processor