第 7 章 应用网络设计

1. 第7章 应用网络设计 主讲：易建勋

2. 7.1 存储网络设计 7.1.1 RAID磁盘阵列技术 1．SCSI磁盘技术 • SCSI接口可以连接硬盘、光驱、磁带机等外设。 • 外设通过专用线缆和终端电阻与SCSI适配卡相连。 • SCSI线缆把SCSI设备串联成菊花链。 • SCSI总线近年主要采用320Mbit/s传输率的U1tra4标准（如表7-1）。 第7章 应用物理设计

3. 案例：串联成菊花链的SCSI设备 SCSI控制卡 SCSI电缆 SCSI硬盘 第7章 应用物理设计

4. 7.1 存储网络设计 第7章 应用物理设计

5. 7.1 存储网络设计 2．磁盘阵列技术的基本原理 • 改进磁盘存取速度的方法 磁盘高速缓存技术 磁盘阵列技术 • 磁盘阵列的优点 增加了存储容量； 多台磁盘并行工作，提高了数据传输速率； 采用校验或冗余技术，提高数据可靠性。 第7章 应用物理设计

6. 7.1 存储网络设计 • 磁盘阵列机是一个精简型的服务器，在硬件上只需要CUP、内存、硬盘、网卡和主板等。 • 在软件方面，操作系统也是精简型系统，有些甚至是免费的Linux。 第7章 应用物理设计

7. 7.1 存储网络设计 第7章 应用物理设计

8. 7.1 存储网络设计 RAID卡 第7章 应用物理设计

9. 7.1 存储网络设计 3．RAID的级别 • 常用的RAID级别有：RAID 0、RAID 1、RAID 0＋1和RAID 5。 • RAID 0没有安全保障，但速度快，适合高速I/O系统； • RAID 1适用于需安全性又要兼顾速度的系统； • RAID 2及RAID 3适用于大型视频、CAD/CAM等； • RAID 5多用于银行、金融、股市、数据库等大型数据处理中心。 第7章 应用物理设计

10. 7.1 存储网络设计 第7章 应用物理设计

11. 7.1 存储网络设计 4．RAID 0 • RAID 0采用无数据冗余的存储空间条带化技术。 • RAID 0在存储数据时，由RAID控制器分割成大小相同的数据条，同时写入阵列中的磁盘。数据就象一条带子横跨所有的磁盘阵列，每个磁盘上的分段的大小都是相同的。 • 在硬件RAID 0中，条带有8/16/32/64/128KB等多种参数。 第7章 应用物理设计

12. 7.1 存储网络设计 文件块 RAID 0 • 数据以分段方式顺序存放在磁盘阵列中。 • RAID 0没有校验数据。 磁盘条带 第7章 应用物理设计

13. 7.1 存储网络设计 • RAID 0没有数据冗余能力。 RAID 0阵列中任何一个硬盘损坏都可导致整个阵列数据的损坏，因为数据分布存储在多个硬盘中。 • RAID 0最低必须配置2块以上的相同规格硬盘，但是不多于4块硬盘。 第7章 应用物理设计

14. 7.1 存储网络设计 5．RAID 1 RAID 1 • 数据被保存在镜像磁盘中（冗余）。 • RAID 1没有校验数据。 第7章 应用物理设计

15. 7.1 存储网络设计 • RAID 1无工作磁盘和备份磁盘之分，多个磁盘可同时动作而有重叠读取的功能，甚至不同的镜像磁盘可同时作写入的动作，这是一种负载平衡方式。 • 例如有多个用户在同一时间要读取数据，系统能同时驱动互相镜像的磁盘，同时读取数据，以减轻系统的负载，增加I/O的性能。 第7章 应用物理设计

16. 7.1 存储网络设计 海明码校验 6．RAID 2 RAID 2 • 数据保存在各个硬盘中，需要一个或多个额外的磁盘做海明码校验（P）。 第7章 应用物理设计

17. 7.1 存储网络设计 • RAID 2把数据分散为位（bit）或块，加入海明码，然后写入到磁盘阵列的校验磁盘中，而且地址都一样。也就是在各个磁盘中，其数据都在相同的磁道及扇区中。 • RAID 2需要1～多个额外的磁盘作单bit错误校正及双bit错误检测。 • RAID 2需要多少个额外的校验磁盘，视采用的结构而定，例如8个数据磁盘的阵列可能需要3个额外的校验磁盘；32个数据磁盘的高档阵列，需要7个额外的校验磁盘。 第7章 应用物理设计

18. 7.1 存储网络设计 7．RAID 3 RAID 3 • RAID 3的数据储存与RAID 2相同。 • 不同之处在于RAID 3采用奇偶校验（P），因此只需要1个校验磁盘。 第7章 应用物理设计

19. 7.1 存储网络设计 8．RAID 4 RAID 4 • RAID 4以扇区作数据分段，各磁盘相同位置的分段形成一个校验磁盘分段（P），放在1个校验磁盘中。 第7章 应用物理设计

20. 7.1 存储网络设计 9．RAID 5 RAID 5 • RAID5不采用单独的校验磁盘，而将校验数据（P）以循环的方式放在每一个磁盘中 。 • RAID 5的控制比较复杂，所以价格较高。 第7章 应用物理设计

21. 7.1 存储网络设计 7.1.2 FC光纤通道存储网络设计 1．光纤通道技术 • 光纤通道（FC）是一种数据传输接口技术，主要用于计算机设备之间的数据传输，传输率目前达到了4Gbit/s。 FC是在SCSI接口技术上发展的一个高性能接口。 FC组成的网络不同于以太网技术。 FC组建的存储网络（SAN）有较好的性能。 • FC支持点对点、仲裁环和交换式三种拓扑结构。 第7章 应用物理设计

22. 7.1 存储网络设计 • 光纤交换机 第7章 应用物理设计

23. 7.1 存储网络设计 2．FC存储网络设计 • FC的光纤信道交换方法： ☆主控制器设计模式 主控制器是一个多端口、高带宽的网络交换机。 主控制器采用全冗余、热插拔部件，能将宕机时间最小化。 第7章 应用物理设计

24. 7.1 存储网络设计 ☆网络交换设计模式 网络交换模式由光纤交换机（FC-SW）、主机总线卡（HBA）、磁盘冗余阵列（RAID）、光纤链路等组成。 第7章 应用物理设计

25. 7.1 存储网络设计 • SAN存储网设备 EMC光纤交换机产品 EMC存储产品 HBA卡产品 第7章 应用物理设计

26. 7.1 存储网络设计 • 仲裁环路交换设计模式 适用于磁带机等低带宽存储设备。 仲裁环中的任何故障都会使网络崩溃。 3．FC的局限性 • FC本质上是一个快速存储系统，不是一个完善的网络系统。 • FC网络没有专门的服务器来管理网络。 • 当某用户获得某个卷的写权限时，他就很容易对别人的文件进行修改或删除。 第7章 应用物理设计

27. 7.1 存储网络设计 7.1.3 iSCSI存储网络设计 1．iSCSI技术 • iSCSI（internet SCSI）是在IP协议上层运行的SCSI指令集。 • iSCSI允许用户通过TCP/IP网络来构建存储网络。 • 由于采用不同的工作协议，iSCSI与光纤通道之间不兼容。 • 如图7-6所示，iSCSI与主机的连接有3种实现方式。 第7章 应用物理设计

28. 7.1 存储网络设计 第7章 应用物理设计

29. 7.1 存储网络设计 2．iSCSI工作原理 • iSCSI存储网络结构由服务端和客户端组成。 • iSCSI工作过程如下： ☆服务器程序确定iSCSI指令通过IP网络的路径； ☆iSCSI设备从IP网络接收iSCSI指令，并进行处理； ☆iSCSI设备将iSCSI指令直接发送到iSCSI存储设备（一般为RAID）。 第7章 应用物理设计

30. 7.1 存储网络设计 4．iSCSI技术的应用 • 异地数据交换； • 异地数据备份及容灾，iSCSI使远程镜像和备份成为可能。 第7章 应用物理设计

31. 案例： iSCSI在远程容灾方面的应用

32. 7.1 存储网络设计 7.1.4 SAN存储区域网络设计 1．网络存储技术的类型 • 目前流行的网络存储技术有：DAS、NAS、SAN和iSCSI等。 • 直连式存储（DAS） DAS是直接连接在主机接口上的数据存储设备，如最为常见的硬盘、光盘、USB存储器等设备。 第7章 应用物理设计

33. 7.1 存储网络设计 • 网络存储设备（NAS） NAS是一种连接在网络上的专用存储设备。 NAS以文件传输为主，NAS最典型的产品是专用磁盘阵列主机、磁带库等设备。 • 存储区域网络（SAN） 存储区域网络是在服务器和存储设备之间利用专用的光纤通道连接的网络系统。 SAN一般由RAID、光纤交换机、光纤通道、主机总线卡（HBA）、存储管理软件等组成（如图7-9）。 第7章 应用物理设计

34. 7.1 存储网络设计

35. 7.1 存储网络设计 第7章 应用物理设计

36. 7.1 存储网络设计 3．SAN的应用 • 数据共享 • 存储共享 • 数据备份 • 灾难恢复 存储网络的主要组成部分 第7章 应用物理设计

37. 7.1 存储网络设计 7.1.5 容错集群技术 • 集群由连接在一起的独立计算机组成，像一个单独的计算资源一样协同工作。 • 在集群系统中，服务器集中在一起统一进行管理和维护。 第7章 应用物理设计

38. 案例：灾难备份中心

39. 7.1 存储网络设计 1．服务器镜像技术 • 将同一个局域网中的两台服务器，通过软件或其他网络设备（如镜像卡）将两台服务器的硬盘做镜像。其中一台为主服务器，另一台为从服务器。客户只能对主服务器上的镜像卷进行读写，从服务器上相应的卷被锁定，防止用户对数据的存取。主/从服务器分别通过心跳监测线互相监测对方的运行状态，当主服务器因故障宕机时，从服务器可在很短的时间内接管主服务器的应用。 • 这种技术仅限于两台服务器的集群，不能扩展。 第7章 应用物理设计

40. 7.1 存储网络设计 2．应用程序错误接管集群技术 • 集群中每台服务器运行不同的应用程序，同时每台服务器还必须监测其他服务器的运行状态。当某一节点因故障宕机时，集群系统指定的服务器会在很短的时间内接管故障机的数据和应用，继续为用户提供服务。 3．容错集群技术 • 容错集群技术需要特殊的软件和硬件设计，因此成本很高。 第7章 应用物理设计

41. 7.1 存储网络设计 7.1.6 双机热备系统设计 1．双机热备的实现方案 • 硬件双机热备方案 两台服务器通过一个共享的存储设备（RAID或SAN），并安装双机热备软件（如ROSE HA）。 这种方案应用最多，性能也较好，安全系数也比较高。 典型硬件方式的双机热备系统如图7-13所示。 第7章 应用物理设计

42. 7.1 存储网络设计 第7章 应用物理设计

43. 7.1 存储网络设计 • 纯软件双机热备方案 利用Lifekeeper、Golden Life等双机热备软件。 优点： 避免了磁盘阵列的单点故障； 节约投资，不需购买昂贵的磁盘阵列； 两台服务器之间不需受SCSI电缆长度的限制。 第7章 应用物理设计

44. 7.1 存储网络设计 3．双机热备系统工作原理 • 心跳工作过程： ☆双机热备系统之间保持着间歇的通信信号，这个信号称为心跳信号。心跳信号是一种错误检测机制。心跳线可以通过RS-232接口或网卡接口进行连接。 ☆主机和从机通过心跳线相互周期性地发出测试包，如果主机出现故障，从机根据设定的规则，启动从机的相关服务，完成双机热备的切换。 第7章 应用物理设计

45. RAID系统 备份系统 磁带机 服务器 SAN存储网络 案例：存储备份系统设计

46. 案例：存储网络远程容灾系统 第7章 应用物理设计

47. 7.2 工业以太网设计 7.2.1 工业以太网技术 1．工业控制网络的发展 工业控制网络经历了仪表控制系统、组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统、现场总线控制系统、工业以太网控制系统等阶段。 2.工业自动化网络的基本特点 • 工业自动化网络系统必须提供： 控制、配置、数据采集三种服务。 第7章 应用物理设计

48. 案例：西门子生产金字塔及网络 第7章 应用物理设计

49. 7.2 工业以太网设计 3．工业以太网技术 • 工业以太网通信速率比现场总线快很多，并且克服了现场总线厂商标准繁多、速度低、不易与高层网络集成的缺点。 • 已开发出的工业以太网设备，给以太网进入实时控制领域创造了有利条件。 第7章 应用物理设计

50. 7.2 工业以太网设计 5．工业以太网标准 • IEEE正在制订现场总线和工业以太网标准。 • 工业以太网企业标准： ☆EtherNet/IP：以太网工业协议，兼容IEEE 802.3标准和TCP/IP协议。 可以实现现场总线及设备与以太网的连接。 ☆HSE：现场总线基金会推出的工业以太网构架。 ☆Profi Net：西门子公司提出的工业以太网构架。 ☆IDA：从设备底层到高层的完全工业以太网构架。 第7章 应用物理设计