Именно информация является движущей силой современного бизнеса и в настоящий момент считается наиболее ценным стратегическим активом любого предприятия. Объем информации растет в геометрической прогрессии вместе с ростом глобальных сетей и развитием электронной коммерции. Для достижения успеха в информационной войне необходимо обладать эффективной стратегией хранения, защиты, совместного доступа и управления самым важным цифровым имуществом - данными - как сегодня, так и в ближайшем будущем.

Управление ресурсами хранения данных стало одной из самых животрепещущих стратегических проблем, стоящих перед сотрудниками отделов информационных технологий. Вследствие развития Интернета и коренных изменений в процессах бизнеса информация накапливается с невиданной скоростью. Кроме насущной проблемы обеспечения возможности постоянного увеличения объема хранимой информации, не менее остро на повестке дня стоит и проблема обеспечения надежности хранения данных и постоянного доступа к информации. Для многих компаний формула доступа к данным «24 часа в сутки, 7 дней в неделю, 365 дней в году» стала нормой жизни.

В случае отдельного ПК под системой хранения данных (СХД) можно понимать отдельный внутренний жесткий диск или систему дисков. Если же речь заходит о корпоративной СХД, то традиционно можно выделить три технологии организации хранения данных: Direct Attached Storage (DAS), Network Attach Storage (NAS) и Storage Area Network (SAN).

Direct Attached Storage (DAS)

Технология DAS подразумевает прямое (непосредственное) подключение накопителей к серверу или к ПК. При этом накопители (жесткие диски, ленточные накопители) могут быть как внутренними, так и внешними. Простейший случай DAS-системы - это один диск внутри сервера или ПК. Кроме того, к DAS-системе можно отнести и организацию внутреннего RAID-массива дисков с использованием RAID-контроллера.

Стоит отметить, что, несмотря на формальную возможность использования термина DAS-системы по отношению к одиночному диску или к внутреннему массиву дисков, под DAS-системой принято понимать внешнюю стойку или корзину с дисками, которую можно рассматривать как автономную СХД (рис. 1). Кроме независимого питания, такие автономные DAS-системы имеют специализированный контроллер (процессор) для управления массивом накопителей. К примеру, в качестве такого контроллера может выступать RAID-контроллер с возможностью организации RAID-массивов различных уровней.

Рис. 1. Пример DAS-системы хранения данных

Следует отметить, что автономные DAS-системы могут иметь несколько внешних каналов ввода-вывода, что обеспечивает возможность подключения к DAS-системе нескольких компьютеров одновременно.

В качестве интерфейсов для подключения накопителей (внутренних или внешних) в технологии DAS могут выступать интерфейсы SCSI (Small Computer Systems Interface), SATA, PATA и Fibre Channel. Если интерфейсы SCSI, SATA и PATA используются преимущественно для подключения внутренних накопителей, то интерфейс Fibre Channel применяется исключительно для подключения внешних накопителей и автономных СХД. Преимущество интерфейса Fibre Channel заключается в данном случае в том, что он не имеет жесткого ограничения по длине и может использоваться в том случае, когда сервер или ПК, подключаемый к DAS-системе, находится на значительном расстоянии от нее. Интерфейсы SCSI и SATA также могут использоваться для подключения внешних СХД (в этом случае интерфейс SATA называют eSATA), однако данные интерфейсы имеют строгое ограничение по максимальной длине кабеля, соединяющего DAS-систему и подключаемый сервер.

К основным преимуществам DAS-систем можно отнести их низкую стоимость (в сравнении с другими решениями СХД), простоту развертывания и администрирования, а также высокую скорость обмена данными между системой хранения и сервером. Собственно, именно благодаря этому они завоевали большую популярность в сегменте малых офисов и небольших корпоративных сетей. В то же время DAS-системы имеют и свои недостатки, к которым можно отнести слабую управляемость и неоптимальную утилизацию ресурсов, поскольку каждая DAS-система требует подключения выделенного сервера.

В настоящее время DAS-системы занимают лидирующее положение, однако доля продаж этих систем постоянно уменьшается. На смену DAS-системам постепенно приходят либо универсальные решения с возможностью плавной миграции с NAS-системам, либо системы, предусматривающие возможность их использования как в качестве DAS-, так и NAS- и даже SAN-систем.

Системы DAS следует использовать при необходимости увеличения дискового пространства одного сервера и вынесения его за корпус. Также DAS-системы можно рекомендовать к применению для рабочих станций, обрабатывающих большие объемы информации (например, для станций нелинейного видеомонтажа).

Network Attached Storage (NAS)

NAS-системы - это сетевые системы хранения данных, непосредственно подключаемые к сети точно так же, как и сетевой принт-сервер, маршрутизатор или любое другое сетевое устройство (рис. 2). Фактически NAS-системы представляют собой эволюцию файл-серверов: разница между традиционным файл-сервером и NAS-устройством примерно такая же, как между аппаратным сетевым маршрутизатором и программным маршрутизатором на основе выделенного сервера.

Рис. 2. Пример NAS-системы хранения данных

Для того чтобы понять разницу между традиционным файл-сервером и NAS-устройством, давайте вспомним, что традиционный файл-сервер представляет собой выделенный компьютер (сервер), на котором хранится информация, доступная пользователям сети. Для хранения информации могут использоваться жесткие диски, устанавливаемые в сервер (как правило, они устанавливаются в специальные корзины), либо к серверу могут подключаться DAS-устройства. Администрирование файл-сервера производится с использованием серверной операционной системы. Такой подход к организации систем хранения данных в настоящее время является наиболее популярным в сегменте небольших локальных сетей, однако он имеет один существенный недостаток. Дело в том, что универсальный сервер (да еще в сочетании с серверной операционной системой) - это отнюдь не дешевое решение. В то же время большинство функциональных возможностей, присущих универсальному серверу, в файл-сервере просто не используется. Идея заключается в том, чтобы создать оптимизированный файл-сервер с оптимизированной операционной системой и сбалансированной конфигурацией. Именно эту концепцию и воплощает в себе NAS-устройство. В этом смысле NAS-устройства можно рассматривать как «тонкие» файл-серверы, или, как их иначе называют, файлеры (filers).

Кроме оптимизированной ОС, освобожденной от всех функций, не связанных с обслуживанием файловой системы и реализацией ввода-вывода данных, NAS-системы имеют оптимизированную по скорости доступа файловую систему. NAS-системы проектируются таким способом, что вся их вычислительная мощь фокусируется исключительно на операциях обслуживания и хранения файлов. Сама операционная система располагается во флэш-памяти и предустанавливается фирмой-производителем. Естественно, что с выходом новой версии ОС пользователь может самостоятельно «перепрошить» систему. Подсоединение NAS-устройств к сети и их конфигурирование представляет собой достаточно простую задачу и по силам любому опытному пользователю, не говоря уже о системном администраторе.

Таким образом, в сравнении с традиционными файловыми серверами NAS-устройства являются более производительными и менее дорогими. В настоящее время практически все NAS-устройства ориентированы на использование в сетях Ethernet (Fast Ethernet, Gigabit Ethernet) на основе протоколов TCP/IP. Доступ к устройствам NAS производится с помощью специальных протоколов доступа к файлам. Наиболее распространенными протоколами файлового доступа являются протоколы CIFS, NFS и DAFS.

CIFS (Common Internet File System System - общая файловая система Интернета) - это протокол, который обеспечивает доступ к файлам и сервисам на удаленных компьютерах (в том числе и в Интернет) и использует клиент-серверную модель взаимодействия. Клиент создает запрос к серверу на доступ к файлам, сервер выполняет запрос клиента и возвращает результат своей работы. Протокол CIFS традиционно используется в локальных сетях с ОС Windows для доступа к файлам. Для транспортировки данных CIFS использует TCP/IP-протокол. CIFS обеспечивает функциональность, похожую на FTP (File Transfer Protocol), но предоставляет клиентам улучшенный контроль над файлами. Он также позволяет разделять доступ к файлам между клиентами, используя блокирование и автоматическое восстановление связи с сервером в случае сбоя сети.

Протокол NFS (Network File System - сетевая файловая система) традиционно применяется на платформах UNIX и представляет собой совокупность распределенной файловой системы и сетевого протокола. В протоколе NFS также используется клиент-серверная модель взаимодействия. Протокол NFS обеспечивает доступ к файлам на удаленном хосте (сервере) так, как если бы они находились на компьютере пользователя. Для транспортировки данных NFS использует протокол TCP/IP. Для работы NFS в Интернeте был разработан протокол WebNFS.

Протокол DAFS (Direct Access File System - прямой доступ к файловой системе) - это стандартный протокол файлового доступа, 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.

DAFS проектировался с ориентацией на использование в кластерном и серверном окружении для баз данных и разнообразных Интернет-приложений, ориентированных на непрерывную работу. Он обеспечивает наименьшие задержки доступа к общим файловым ресурсам и данным, а также поддерживает интеллектуальные механизмы восстановления работоспособности системы и данных, что делает его привлекательным для использования в NAS-системах.

Резюмируя вышеизложенное, NAS-системы можно рекомендовать для использования в мультиплатформенных сетях в случае, когда требуется сетевой доступ к файлам и достаточно важными факторами являются простота установки администрирования системы хранения данных. Прекрасным примером является применение NAS в качестве файл-сервера в офисе небольшой компании.

Storage Area Network (SAN)

Собственно, SAN - это уже не отдельное устройство, а комплексное решение, представляющее собой специализированную сетевую инфраструктуру для хранения данных. Сети хранения данных интегрируются в виде отдельных специализированных подсетей в состав локальной (LAN) или глобальной (WAN) сети.

По сути, SAN-сети связывают один или несколько серверов (SAN-серверов) с одним или несколькими устройствами хранения данных. SAN-сети позволяют любому SAN-серверу получать доступ к любому устройству хранения данных, не загружая при этом ни другие серверы, ни локальную сеть. Кроме того, возможен обмен данными между устройствами хранения данных без участия серверов. Фактически SAN-сети позволяют очень большому числу пользователей хранить информацию в одном месте (с быстрым централизованным доступом) и совместно использовать ее. В качестве устройств хранения данных могут использоваться RAID-массивы, различные библиотеки (ленточные, магнитооптические и др.), а также JBOD-системы (массивы дисков, не объединенные в RAID).

Сети хранения данных начали интенсивно развиваться и внедряться лишь с 1999 года.

Подобно тому как локальные сети в принципе могут строиться на основе различных технологий и стандартов, для построения сетей SAN также могут применяться различные технологии. Но точно так же, как стандарт Ethernet (Fast Ethernet, Gigabit Ethernet) стал стандартом де-факто для локальный сетей, в сетях хранения данных доминирует стандарт Fibre Channel (FC). Собственно, именно развитие стандарта Fibre Channel привело к развитию самой концепции SAN. В то же время необходимо отметить, что все большую популярность приобретает стандарт iSCSI, на основе которого тоже возможно построение SAN-сетей.

Наряду со скоростными параметрами одним из важнейших преимуществ Fibre Channel является возможность работы на больших расстояниях и гибкость топологии. Концепция построения топологии сети хранения данных базируется на тех же принципах, что и традиционные локальные сети на основе коммутаторов и маршрутизаторов, что значительно упрощает построение многоузловых конфигураций систем.

Стоит отметить, что для передачи данных в стандарте Fibre Channel используются как оптоволоконные, так и медные кабели. При организации доступа к территориально удаленным узлам на расстоянии до 10 км используется стандартная аппаратура и одномодовое оптоволокно для передачи сигнала. Если же узлы разнесены на большее расстояние (десятки или даже сотни километров), применяются специальные усилители.

Топология SAN-сети

Типичный вариант SAN-сети на основе стандарта Fibre Channel показан на рис. 3. Инфраструктуру такой SAN-сети составляют устройства хранения данных с интерфейсом Fibre Channel, SAN-серверы (серверы, подключаемые как к локальной сети по интерфейсу Ethernet, так и к SAN-сети по интерфейсу Fiber Channel) и коммутационная фабрика (Fibre Channel Fabric), которая строится на основе Fibre Channel-коммутаторов (концентраторов) и оптимизирована для передачи больших блоков данных. Доступ сетевых пользователей к системе хранения данных реализуется через SAN-серверы. При этом важно, что трафик внутри SAN-сети отделен от IP-трафика локальной сети, что, безусловно, позволяет снизить загрузку локальной сети.

Рис. 3. Типичная схема SAN-сети

Преимущества SAN-сетей

К основным преимуществам технологии SAN можно отнести высокую производительность, высокий уровень доступности данных, отличную масштабируемость и управляемость, возможность консолидации и виртуализации данных.

Коммутационные фабрики Fiber Channel с неблокирующей архитектурой позволяют реализовать одновременный доступ множества SAN-серверов к устройствам хранения данных.

В архитектуре SAN данные могут легко перемещаться с одного устройства хранения данных на другое, что позволяет оптимизировать размещение данных. Это особенно важно в том случае, когда нескольким SAN-серверам требуется одновременный доступ к одним и тем же устройствам хранения данных. Отметим, что процесс консолидации данных невозможен в случае использования других технологий, как, например, при применении DAS-устройств, то есть устройств хранения данных, непосредственно подсоединяемых к серверам.

Другая возможность, предоставляемая архитектурой SAN, - это виртуализация данных. Идея виртуализации заключается в том, чтобы обеспечить SAN-серверам доступ не к отдельным устройствам хранения данных, а к ресурсам. То есть серверы должны «видеть» не устройства хранения данных, а виртуальные ресурсы. Для практической реализации виртуализации между SAN-серверами и дисковыми устройствами может размещаться специальное устройство виртуализации, к которому с одной стороны подключаются устройства хранения данных, а с другой - SAN-серверы. Кроме того, многие современные FC-коммутаторы и HBA-адаптеры предоставляют возможность реализации виртуализации.

Следующая возможность, предоставляемая SAN-сетями, - это реализация удаленного зеркалирования данных. Принцип зеркалирования данных заключается в дублировании информации на несколько носителей, что повышает надежность хранения информации. Примером простейшего случая зеркалирования данных может служить объединение двух дисков в RAID-массив уровня 1. В данном случае одна и та же информация записывается одновременно на два диска. Недостатком такого способа можно считать локальное расположение обоих дисков (как правило, диски находятся в одной и той же корзине или стойке). Сети хранения данных позволяют преодолеть этот недостаток и предоставляют возможность организации зеркалирования не просто отдельных устройств хранения данных, а самих SAN-сетей, которые могут быть удалены друг от друга на сотни километров.

Еще одно преимущество SAN-сетей заключается в простоте организации резервного копирования данных. Традиционная технология резервного копирования, которая используется в большинстве локальных сетей, требует выделенного Backup-сервера и, что особенно важно, выделенной полосы пропускания сети. Фактически во время операции резервного копирования сам сервер становится недоступным для пользователей локальной сети. Собственно, именно поэтому резервное копирование производится, как правило, в ночное время.

Архитектура сетей хранения данных позволяет принципиально по-иному подойти к проблеме резервного копирования. В этом случае Backup-сервер является составной частью SAN-сети и подключается непосредственно к коммутационной фабрике. В этом случае Backup-трафик оказывается изолированным от трафика локальной сети.

Оборудование, используемое для создания SAN-сетей

Как уже отмечалось, для развертывания SAN-сети требуются устройства хранения данных, SAN-серверы и оборудование для построения коммутационной фабрики. Коммутационные фабрики включают как устройства физического уровня (кабели, коннекторы), так и устройства подключения (Interconnect Device) для связи узлов SAN друг с другом, устройства трансляции (Translation devices), выполняющие функции преобразования протокола Fibre Channel (FC) в другие протоколы, например SCSI, FCP, FICON, Ethernet, ATM или SONET.

Кабели

Как уже отмечалось, для соединения SAN-устройств стандарт Fibre Channel допускает использование как волоконно-оптических, так и медных кабелей. При этом в одной SAN-сети могут применяться различные типы кабелей. Медный кабель используется для коротких расстояний (до 30 м), а волоконно-оптический - как для коротких, так и для расстояний до 10 км и больше. Применяют как многомодовый (Multimode), так и одномодовый (Singlemode) волоконно-оптические кабели, причем многомодовый используется для расстояний до 2 км, а одномодовый - для больших расстояний.

Сосуществование различных типов кабелей в пределах одной SAN-сети обеспечивается посредством специальных конверторов интерфейсов GBIC (Gigabit Interface Converter) и MIA (Media Interface Adapter).

В стандарте Fibre Channel предусмотрено несколько возможных скоростей передачи (см. таблицу). Отметим, что в настоящее время наиболее распространены FC-устройства стандартов 1, 2 и 4 GFC. При этом обеспечивается обратная совместимость более скоростных устройств с менее скоростными, то есть устройство стандарта 4 GFC автоматически поддерживает подключение устройств стандартов 1 и 2 GFC.

Устройства подключения (Interconnect Device)

В стандарте Fibre Channel допускается использование различных сетевых топологий подключения устройств, таких как «точка-точка» (Point-to-Point), кольцо с разделяемым доступом (Arbitrated Loop, FC-AL) и коммутируемая связная архитектура (switched fabric).

Топология «точка-точка» может применяться для подключения сервера к выделенной системе хранения данных. В этом случае данные не используются совместно с серверами SAN-сети. Фактически данная топология является вариантом DAS-системы.

Для реализации топологии «точка-точка», как минимум, необходим сервер, оснащенный адаптером Fibre Channel, и устройство хранения данных с интерфейсом Fibre Channel.

Топология кольца с разделенным доступом (FC-AL) подразумевает схему подключения устройств, при котором данные передаются по логически замкнутому контуру. При топологии кольца FC-AL в качестве устройств подключения могут выступать концентраторы или коммутаторы Fibre Channel. При использовании концентраторов полоса пропускания делится между всеми узлами кольца, в то время как каждый порт коммутатора предоставляет протокольную полосу пропускания для каждого узла.

На рис. 4 показан пример кольца Fibre Channel с разделением доступа.

Рис. 4. Пример кольца Fibre Channel с разделением доступа

Конфигурация аналогична физической звезде и логическому кольцу, используемым в локальных сетях на базе технологии Token Ring. Кроме того, как и в сетях Token Ring, данные перемещаются по кольцу в одном направлении, но, в отличие от сетей Token Ring, устройство может запросить право на передачу данных, а не ждать получения пустого маркера от коммутатора. Кольца Fibre Channel с разделением доступа могут адресовать до 127 портов, однако, как показывает практика, типичные кольца FC-AL содержат до 12 узлов, а после подключения 50 узлов производительность катастрофически снижается.

Топология коммутируемой связной архитектуры (Fibre Channel switched-fabric) реализуется на базе Fibre Channel-коммутаторов. В данной топологии каждое устройство имеет логическое подключение к любому другому устройству. Фактически Fibre Channel-коммутаторы связной архитектуры выполняют те же функции, что и традиционные Ethernet-коммутаторы. Напомним, что, в отличие от концентратора, коммутатор - это высокоскоростное устройство, которое обеспечивает подключение по схеме «каждый с каждым» и обрабатывает несколько одновременных подключений. Любой узел, подключенный к Fibre Channel-коммутатору, получает протокольную полосу пропускания.

В большинстве случаев при создании крупных SAN-сетей используется смешанная топология. На нижнем уровне применяются FC-AL-кольца, подключенные к малопроизводительным коммутаторам, которые, в свою очередь, подключаются к высокоскоростным коммутаторам, обеспечивающим максимально возможную пропускную способность. Несколько коммутаторов могут быть соединены друг с другом.

Устройства трансляции

Устройства трансляции являются промежуточными устройствами, выполняющими преобразование протокола Fibre Channel в протоколы более высоких уровней. Эти устройства предназначены для соединения Fibre Channel-сети с внешней WAN-сетью, локальной сетью, а также для присоединения к Fibre Channel-сети различных устройств и серверов. К таким устройствам относятся мосты (Bridge), Fibre Channel-адаптеры (Host Bus Adapters (HBA), маршрутизаторы, шлюзы и сетевые адаптеры. Классификация устройств трансляции показана на рис. 5.

Рис. 5. Классификация устройств трансляции

Наиболее распространенными устройствами трансляции являются HBA-адаптеры с интерфейсом PCI, которые применяются для подключения серверов к сети Fibre Channel. Сетевые адаптеры позволяют подключать локальные Ethernet-сети к сетям Fibre Channel. Мосты используются для подключения устройств хранения данных с SCSI интерфейсом к сети на базе Fibre Channel. Cледует отметить, что в последнее время практически все устройства хранения данных, которые предназначены для применения в SAN, имеют встроенный Fibre Channel и не требуют использования мостов.

Устройства хранения данных

В качестве устройств хранения данных в SAN-сетях могут использоваться как жесткие диски, так и ленточные накопители. Если говорить о возможных конфигурациях применения жестких дисков в качестве устройств хранения данных в SAN-сетях, то это могут быть как массивы JBOD, так и RAID-массивы дисков. Традиционно устройства хранения данных для SAN-сетей выпускаются в виде внешних стоек или корзин, оснащенных специализированным RAID-контроллером. В отличие от NAS- или DAS-устройств, устройства для SAN-систем оснащаются Fibre Channel-интерфейсом. При этом сами диски могут иметь как SCSI-, так и SATA-интерфейс.

Кроме устройств хранения на основе жестких дисков, в SAN-сетях широкое применение находят ленточные накопители и библиотеки.

SAN-серверы

Серверы для сетей SAN отличаются от обычных серверов приложений только одной деталью. Кроме сетевого Ethernet-адаптера, для взаимодействия сервера с локальной сетью они оснащаются HBA-адаптером, что позволяет подключать их к SAN-сетям на основе Fibre Channel.

Системы хранения данных компании Intel

Далее мы рассмотрим несколько конкретных примеров устройств хранения данных компании Intel. Строго говоря, компания Intel не выпускает законченных решений и занимается разработкой и производством платформ и отдельных компонентов для построения систем хранения данных. На основе данных платформ многие компании (в том числе и целый ряд российских компаний) производят уже законченные решения и продают их под своими логотипами.

Intel Entry Storage System SS4000-E

Система хранения данных Intel Entry Storage System SS4000-E представляет собой NAS-устройство, предназначенное для применения в небольших и средних офисах и многоплатформенных локальных сетях. При использовании системы Intel Entry Storage System SS4000-E разделяемый сетевой доступ к данным получают клиенты на основе Windows-, Linux- и Macintosh-платформ. Кроме того, Intel Entry Storage System SS4000-E может выступать как в роли DHCP-сервера, так и DHCP-клиента.

Система хранения данных Intel Entry Storage System SS4000-E представляет собой компактную внешнюю стойку с возможностью установки до четырех дисков с интерфейсом SATA (рис. 6). Таким образом, максимальная емкость системы может составлять 2 Тбайт при использовании дисков емкостью 500 Гбайт.

Рис. 6. Система хранения данных Intel Entry Storage System SS4000-E

В системе Intel Entry Storage System SS4000-E применяется SATA RAID-контроллер с поддержкой уровней RAID-массивов 1, 5 и 10. Поскольку данная система является NAS-устройством, то есть фактически «тонким» файл-сервером, система хранения данных должна иметь специализированный процессор, память и прошитую операционную систему. В качестве процессора в системе Intel Entry Storage System SS4000-E применяется Intel 80219 с тактовой частотой 400 МГц. Кроме того, система оснащена 256 Мбайт памяти DDR и 32 Мбайт флэш-памяти для хранения операционной системы. В качестве операционной системы используется Linux Kernel 2.6.

Для подключения к локальной сети в системе предусмотрен двухканальный гигабитный сетевой контроллер. Кроме того, имеются также два порта USB.

Устройство хранения данных Intel Entry Storage System SS4000-E поддерживает протоколы CIFS/SMB, NFS и FTP, а настройка устройства реализуется с использованием web-интерфейса.

В случае применения Windows-клиентов (поддерживаются ОС Windows 2000/2003/XP) дополнительно имеется возможность реализации резервного копирования и восстановления данных.

Intel Storage System SSR212CC

Система Intel Storage System SSR212CC представляет собой универсальную платформу для создания систем хранения данных типа DAS, NAS и SAN. Эта система выполнена в корпусе высотой 2 U и предназначена для монтажа в стандартную 19-дюймовую стойку (рис. 7). Система Intel Storage System SSR212CC поддерживает установку до 12 дисков с интерфейсом SATA или SATA II (поддерживается функция горячей замены), что позволяет наращивать емкость системы до 6 Тбайт при использовании дисков емкостью по 550 Гбайт.

Рис. 7. Система хранения данных Intel Storage System SSR212CC

Фактически система Intel Storage System SSR212CC представляет собой полноценный высокопроизводительный сервер, функционирующий под управлением операционных систем Red Hat Enterprise Linux 4.0, Microsoft Windows Storage Server 2003, Microsoft Windows Server 2003 Enterprise Edition и Microsoft Windows Server 2003 Standard Edition.

Основу сервера составляет процессор Intel Xeon с тактовой частотой 2,8 ГГц (частота FSB 800 МГц, размер L2-кэша 1 Мбайт). Система поддерживает использование памяти SDRAM DDR2-400 с ECC максимальным объемом до 12 Гбайт (для установки модулей памяти предусмотрено шесть DIMM-слотов).

Система Intel Storage System SSR212CC оснащена двумя RAID-контроллерами Intel RAID Controller SRCS28Xs с возможностью создания RAID-массивов уровней 0, 1, 10, 5 и 50. Кроме того, система Intel Storage System SSR212CC имеет двухканальный гигабитный сетевой контроллер.

Intel Storage System SSR212MA

Система Intel Storage System SSR212MA представляет собой платформу для создания систем хранения данных в IP SAN-сетях на основе iSCSI.

Данная система выполнена в корпусе высотой 2 U и предназначена для монтажа в стандартную 19-дюймовую стойку. Система Intel Storage System SSR212MA поддерживает установку до 12 дисков с интерфейсом SATA (поддерживается функция горячей замены), что позволяет наращивать емкость системы до 6 Тбайт при использовании дисков емкостью по 550 Гбайт.

По своей аппаратной конфигурации система Intel Storage System SSR212MA не отличается от системы Intel Storage System SSR212CC.

SAS, NAS, SAN: шаг к сетям хранения данных

Вступление

С повседневным усложнением сетевых компьютерных систем и глобальных корпоративных решений мир начал требовать технологий, которые бы дали толчок к возрождению корпоративных систем хранения информации (сторедж-систем). И вот, одна единая технология приносит в мировую сокровищницу достижений в области сторедж невиданное ранее быстродействие, колоссальные возможности масштабирования и исключительные преимущества общей стоимости владения. Обстоятельства, которые сформировались с появлением стандарта FC-AL (Fibre Channel — Arbitrated Loop) и SAN (Storage Area Network), которая развивается на его основе, обещают революцию в дата-ориентированных технологиях компьютинга.

«The most significant development in storage we"ve seen in 15 years»

Data Communications International, March 21, 1998

Формальное определение SAN в трактовке Storage Network Industry Association (SNIA):

«Сеть, главной задачей которой является передача данных между компьютерными системами и устройствами хранения данных, а также между самими сторедж-системами. SAN состоит из коммуникационной инфраструктуры, которая обеспечивает физическую связь, а также отвечает за уровень управления (management layer), который объединяет связи, сторедж и компьютерные системы, осуществляя передачу данных безопасно и надежно».

SNIA Technical Dictionary, copyright Storage Network Industry Association, 2000

Варианты организации доступа к сторедж-системам

Различают три основных варианта организации доступа к системам хранения:

• SAS (Server Attached Storage), сторедж, присоединенный к серверу;
• NAS (Network Attached Storage), сторедж, подсоединенный к сети;
• SAN (Storage Area Network), сеть хранения данных.

Рассмотрим топологии соответствующих сторедж-систем и их особенности.

SAS

Сторедж-система, присоединенная к серверу. Знакомый всем, традиционный способ подключения системы хранения данных к высокоскоростному интерфейсу в сервере, как правило, к параллельному SCSI интерфейсу.

Рисунок 1. Server Attached Storage

Использование отдельного корпуса для сторедж-системы в рамках топологии SAS не является обязательным.

Основное преимущество сторедж, подсоединенного к серверу, в сравнении с другими вариантами — низкая цена и высокое быстродействие из расчета один сторедж для одного сервера. Такая топология является самой оптимальной в случае использования одного сервера, через который организуется доступ к массиву данных. Но у нее остается ряд проблем, которые побудили проектировщиков искать другие варианты организации доступа к системам хранения данных.

К особенностям SAS можно отнести:

• Доступ к данных зависит от ОС и файловой системы (в общем случае);
• Сложность организации систем с высокой готовностью;
• Низкая стоимость;
• Высокое быстродействие в рамках одной ноды;
• Уменьшение скорости отклика при загрузке сервера, который обслуживает сторедж.

NAS

Сторедж-система, подсоединенная к сети. Этот вариант организации доступа появился сравнительно недавно. Основным его преимуществом является удобство интеграции дополнительной системы хранения данных в существующие сети, но сам по себе он не привносит сколь-нибудь радикальных улучшений в архитектуру сторедж. Фактически NAS есть чистый файл-сервер, и сегодня можно встретить немало новых реализаций сторедж типа NAS на основе технологии тонкого сервера (Thin Server).

Рисунок 2. Network Attached Storage.

Особенности NAS:

• Выделенный файл-сервер;
• Доступ к данным не зависит от ОС и платформы;
• Удобство администрирования;
• Максимальная простота установки;
• Низкая масштабируемость;
• Конфликт с трафиком LAN/WAN.

Сторедж, построенный по технологии NAS, является идеальным вариантом для дешевых серверов с минимальным набором функций.

SAN

Сети хранения данных начали интенсивно развиваться и внедряться лишь с 1999 года. Основой SAN является отдельная от LAN/WAN сеть, которая служит для организации доступа к данным серверов и рабочих станций, занимающихся их прямой обработкой. Такая сеть создается на основе стандарта Fibre Channel, что дает сторедж-системам преимущества технологий LAN/WAN и возможности по организации стандартных платформ для систем с высокой готовностью и высокой интенсивностью запросов. Почти единственным недостатком SAN на сегодня остается относительно высокая цена компонент, но при этом общая стоимость владения для корпоративных систем, построенных с использованием технологии сетей хранения данных, является довольно низкой.

Рисунок 3. Storage Area Network.

К основным преимуществам SAN можно отнести практически все ее особенности:

• Независимость топологии SAN от сторедж-систем и серверов;
• Удобное централизованное управление;
• Отсутствие конфликта с трафиком LAN/WAN;
• Удобное резервирование данных без загрузки локальной сети и серверов;
• Высокое быстродействие;
• Высокая масштабируемость;
• Высокая гибкость;
• Высокая готовность и отказоустойчивость.

Следует также заметить, что технология эта еще довольно молодая и в ближайшее время она должна пережить немало усовершенствований в области стандартизации управления и способов взаимодействия SAN подсетей. Но можно надеяться, что это угрожает пионерам лишь дополнительными перспективами первенства.

FC как основа построения SAN

Подобно LAN, SAN может создаваться с использованием различных топологий и носителей. При построении SAN может использоваться как параллельный SCSI интерфейс, так и Fibre Channel или, скажем, SCI (Scalable Coherent Interface), но своей все возрастающей популярностью SAN обязана именно Fibre Channel. В проектировании этого интерфейса принимали участие специалисты со значительным опытом в разработке как канальных, так и сетевых интерфейсов, и им удалось объединить все важные положительные черты обеих технологий для того, чтобы получить что-то в самом деле революционно новое. Что именно?

Основные ключевые особенности канальных:

• Низкие задержки
• Высокие скорости
• Высокая надежность
• Топология точка-точка
• Небольшие расстояния между нодами
• Зависимость от платформы

• Многоточечные топологии
• Большие расстояния
• Высокая масштабируемость
• Низкие скорости
• Большие задержки

• Высокие скорости
• Независимость от протокола (0-3 уровни)
• Большие расстояния
• Низкие задержки
• Высокая надежность
• Высокая масштабируемость
• Многоточечные топологии

Традиционно сторедж интерфейсы (то, что находится между хостом и устройствами хранения информации) были преградой на пути к росту быстродействия и увеличению объема систем хранения данных. В то же время прикладные задачи требуют значительного прироста аппаратных мощностей, которые, в свою очередь, тянут за собой потребность в увеличении пропускной способности интерфейсов для связи со сторедж-системами. Именно проблемы построения гибкого высокоскоростного доступа к данным помогает решить Fibre Channel.

Стандарт Fibre Channel был окончательно определен за последние несколько лет (с 1997-го по 1999-й), на протяжении которых была проведена колоссальная работа по согласованию взаимодействия производителей различных компонент, и было сделано все необходимое, чтобы Fibre Channel превратился из чисто концептуальной технологии в реальную, которая получила поддержку в виде инсталляций в лабораториях и вычислительных центрах. В году 1997 были спроектированы первые коммерческие образцы краеугольных компонент для построения SAN на базе FC, таких как адаптеры, хабы, свичи и мосты. Таким образом, уже начиная с 1998-го года FC используется в коммерческих целях в деловой сфере, на производстве и в масштабных проектах реализации систем, критичных к отказам.

Fibre Channel — это открытый промышленный стандарт высокоскоростного последовательного интерфейса. Он обеспечивает подключение серверов и сторедж-систем на расстоянии до 10 км (при использовании стандартного оснащения) на скорости 100 MB/s (на выставке Cebit"2000 были представлены образцы продукции, которые используют новый стандарт Fibre Channel со скоростями 200 MB/s на одно кольцо, а в лабораторных условиях уже эксплуатируются реализации нового стандарта со скоростями 400 MB/s, что составляет 800 MB/s при использовании двойного кольца). (На момент публикации статьи ряд производителей уже начал отгружать сетевые карточки и свичи на FC 200 MB/s.) Fibre Channel одновременно поддерживает целый ряд стандартных протоколов (среди которых TCP/IP и SCSI-3) при использовании одного физического носителя, который потенциально упрощает построение сетевой инфраструктуры, к тому же это предоставляет возможности для уменьшения стоимости монтажа и обслуживания. Тем не менее использование отдельных подсетей для LAN/WAN и SAN имеет ряд преимуществ и является рекомендованным по умолчанию.

Одним из важнейших преимуществ Fibre Channel наряду со скоростными параметрами (которые, кстати, не всегда являются главными для пользователей SAN и могут быть реализованы с помощью других технологий) является возможность работы на больших расстояниях и гибкость топологии, которая пришла в новый стандарт из сетевых технологий. Таким образом, концепция построения топологии сети хранения данных базируется на тех же принципах, что и традиционные сети, как правило, на основе концентраторов и коммутаторов, которые помогают предотвратить падение скорости при возрастании количества нод и создают возможности удобной организации систем без единой точки отказов.

Для лучшего понимания преимуществ и особенностей этого интерфейса приведем сравнительную характеристику FC и Parallel SCSI в виде таблицы.

Таблица 1. Сравнение технологий Fibre Channel и параллельного SCSI

В стандарте Fibre Channel предполагается использование разнообразных топологий, таких как точка-точка (Point-to-Point), кольцо или FC-AL концентратор (Loop или Hub FC-AL), магистральный коммутатор (Fabric/Switch).

Топология point-to-point используется для подсоединения одиночной сторедж-системы к серверу.

Loop или Hub FC-AL — для подсоединения множественных сторедж устройств к нескольким хостам. При организации двойного кольца увеличивается быстродействие и отказоустойчивость системы.

Коммутаторы используются для обеспечения максимального быстродействия и отказоустойчивости для сложных, больших и разветвленных систем.

Благодаря сетевой гибкости в SAN заложена чрезвычайно важная особенность — удобная возможность построения отказоустойчивых систем.

Предлагая альтернативные решения для систем хранения данных и возможности по объединению нескольких сторедж для резервирования аппаратных средств, SAN помогает обеспечивать защиту аппаратно-программных комплексов от аппаратных сбоев. Для демонстрации приведем пример создания двухнодовой системы без точек отказов.

Рисунок 4. No Single Point of Failure.

Построение трех- и более нодовых систем осуществляется простым добавлением в FC сеть дополнительных серверов и подключением их к обоим концентраторам/ коммутаторам).

При использовании FC построение устойчивых к сбоям (disaster tolerant) систем становится прозрачным. Сетевые каналы и для сторедж, и для локальной сети можно проложить на основе оптоволокна (до 10 км и больше с использованием усилителей сигнала) как физического носителя для FC, при этом используется стандартная аппаратура, которая дает возможность значительно уменьшить стоимость подобных систем.

Благодаря возможности доступа ко всем компонентам SAN из любой ее точки мы получаем чрезвычайно гибко управляемую сеть данных. При этом следует заметить, что в SAN обеспечивается прозрачность (возможность видеть) всех компонентов вплоть до дисков в сторедж-системах. Эта особенность подтолкнула производителей компонентов к использованию своего значительного опыта в построении систем управления для LAN/WAN с тем, чтобы заложить широкие возможности по мониторингу и управлению во все компоненты SAN. Эти возможности включают в себя мониторинг и управление отдельных нод, сторедж компонентов, корпусов, сетевых устройств и сетевых подструктур.

В системе управления и мониторинга SAN используются такие открытые стандарты, как:

• SCSI command set
• SCSI Enclosure Services (SES)
• SCSI Self Monitoring Analysis and Reporting Technology (S.M.A.R.T.)
• SAF-TE (SCSI Accessed Fault-Tolerant Enclosures)
• Simple Network Management Protocol (SNMP)
• Web-Based Enterprise Management (WBEM)

Системы, построенные с использованием технологий SAN, не только обеспечивают администратору возможность следить за развитием и состоянием сторедж ресурсов, но и открывают возможности по мониторингу и контролю трафика. Благодаря таким ресурсам программные средства управления SAN реализуют наиболее эффективные схемы планирования объема сторедж и балансирование нагрузки на компоненты системы.

Сети хранения данных прекрасно интегрируются в существующие информационные инфраструктуры. Их внедрение не требует каких-либо изменений в уже существующих сетях LAN и WAN, а лишь расширяет возможности существующих систем, избавляя их от задач, ориентированных на передачу больших объемов данных. Причем при интеграции и администрировании SAN очень важным является то, что ключевые элементы сети поддерживают горячую замену и установку, с возможностями динамического конфигурирования. Так что добавить тот или другой компонент или осуществить его замену администратор может, не выключая систему. И весь этот процесс интеграции может быть визуально отображен в графической системе управления SAN.

Рассмотрев вышеперечисленные преимущества, можно выделить ряд ключевых моментов, которые непосредственно влияют на одно из основных преимуществ Storage Area Network — общую стоимость владения (Total Cost Ownership).

Невероятные возможности масштабирования позволяют предприятию, которое использует SAN, вкладывать деньги в серверы и сторедж по мере необходимости. А также сохранить свои вложения в уже инсталлированную технику при смене технологических поколений. Каждый новый сервер будет иметь возможность высокоскоростного доступа к сторедж и каждый дополнительный гигабайт сторедж будет доступен всем серверам подсети по команде администратора.

Прекрасные возможности по построению отказоустойчивых систем могут приносить прямую коммерческую выгоду от минимизации простоев и спасать систему в случае возникновения стихийного бедствия или каких-нибудь других катаклизмов.

Управляемость компонентов и прозрачность системы предоставляют возможность осуществлять централизованное администрирование всех сторедж ресурсов, а это, в свою очередь, значительно уменьшает затраты на их поддержку, стоимость которой, как правило, составляет более 50% от стоимости оснащения.

Влияние SAN на прикладные задачи

Для того чтобы нашим читателям стало понятней, насколько практически полезны технологии, которые рассматриваются в этой статье, приведем несколько примеров прикладных задач, которые без использования сетей хранения данных решались бы неэффективно, требовали бы колоссальных финансовых вложений или же вообще не решались бы стандартными методами.

Резервирование и восстановление данных (Data Backup and Recovery)

Используя традиционный SCSI интерфейс, пользователь при построении систем резервирования и восстановления данных сталкивается с рядом сложных проблем, которые можно очень просто решить, используя технологии SAN и FC.

Таким образом, использование сетей хранения данных выводит решение задачи резервирования и восстановления на новый уровень и предоставляет возможность осуществлять бэкап в несколько раз быстрее, чем раньше, без загрузки локальной сети и серверов работой по резервированию данных.

Кластеризация серверов (Server Clustering)

Одной из типичных задач, для которых эффективно используется SAN, является кластеризация серверов. Поскольку один из ключевых моментов в организации высокоскоростных кластерных систем, которые работают с данными — это доступ к сторедж, то с появлением SAN построение многонодовых кластеров на аппаратном уровне решается простым добавлением сервера с подключением к SAN (это можно сделать, даже не выключая системы, поскольку свичи FC поддерживают hot-plug). При использовании параллельного SCSI интерфейса, возможности по подсоединению и масштабируемость которого значительно хуже, чем у FC, кластеры, ориентированные на обработку данных, было бы тяжело сделать с количеством нод больше двух. Коммутаторы параллельного SCSI — весьма сложные и дорогие устройства, а для FC это стандартный компонент. Для создания кластера, который не будет иметь ни единой точки отказов, достаточно интегрировать в систему зеркальную SAN (технология DUAL Path).

В рамках кластеризации одна из технологий RAIS (Redundant Array of Inexpensive Servers) кажется особенно привлекательной для построения мощных масштабируемых систем интернет-коммерции и других видов задач с повышенными требованиями к мощности. По словам Alistair A. Croll, сооснователя Networkshop Inc, использование RAIS оказывается достаточно эффективным:«Например, за $12000-15000 вы можете купить около шести недорогих одно-двухпроцессорных (Pentium III) Linux/Apache серверов. Мощность, масштабируемость и отказоустойчивость такой системы будет значительно выше, чем, например, у одного четырехпроцессорного сервера на базе процессоров Xeon, а стоимость одинаковая».

Одновременный доступ к видео и распределение данных (Concurrent video streaming, data sharing)

Вообразите себе задачу, когда вам нужно на нескольких (скажем, >5) станциях редактировать видео или просто работать над данными огромного объема. Передача файла размером 100GB по локальной сети займет у вас несколько минут, а общая работа над ним будет очень сложной задачей. При использовании SAN каждая рабочая станция и сервер сети получают доступ к файлу на скорости, эквивалентной локальному высокоскоростному диску. Если вам нужны еще одна станция/сервер для обработки данных, вы сможете ее прибавить к SAN, не выключая сети, простым подсоединением станции к SAN коммутатору и предоставлением ей прав доступа к сторедж. Если же вас перестанет удовлетворять быстродействие подсистемы данных, вы сможете просто прибавить еще один сторедж и с использованием технологии распределения данных (например, RAID 0) получить вдвое большее быстродействие.

Основные компоненты SAN

Среда

Для соединения компонентов в рамках стандарта Fibre Channel используют медные и оптические кабели. Оба типа кабелей могут использоваться одновременно при построении SAN. Конверсия интерфейсов осуществляется с помощью GBIC (Gigabit Interface Converter) и MIA (Media Interface Adapter). Оба типа кабеля сегодня обеспечивают одинаковую скорость передачи данных. Медный кабель используется для коротких расстояний (до 30 метров), оптический — как для коротких, так и для расстояний до 10 км и больше. Используют многомодовый и одномодовый оптические кабели. Многомодовый (Multimode) кабель используется для коротких расстояний (до 2 км). Внутренний диаметр оптоволокна мультимодового кабеля составляет 62,5 или 50 микрон. Для обеспечения скорости передачи 100 МБ/с (200 МБ/с в дуплексе) при использовании многомодового оптоволокна длина кабеля не должна превышать 200 метров. Одномодовый кабель используется для больших расстояний. Длина такого кабеля ограничена мощностью лазера, который используется в передатчике сигнала. Внутренний диаметр оптоволокна одномодового кабеля составляет 7 или 9 микрон, он обеспечивает прохождение одиночного луча.

Коннекторы, адаптеры

Для подсоединения медных кабелей используются коннекторы типа DB-9 или HSSD. HSSD считается более надежным, но DB-9 используется так же часто, потому что он более простой и дешевый. Стандартным (наиболее распространенным) коннектором для оптических кабелей является SC коннектор, он обеспечивает качественное, четкое соединение. Для обычного подключения используются многомодовые SC коннекторы, а для отдаленного — одномодовые. В многопортовых адаптерах используются микроконнекторы.

Наиболее распространены адаптеры для FC под шину PCI 64 bit. Также много FC адаптеров вырабатывается под шину S-BUS, для специализированного использования выпускаются адаптеры под MCA, EISA, GIO, HIO, PMC, Compact PCI. Самые популярные — однопортовые, встречаются двух- и четырехпортовые карточки. На PCI адаптерах, как правило, используют DB-9, HSSD, SC коннекторы. Также часто встречаются GBIC-based адаптеры, которые поставляются как с модулями GBIC, так и без них. Fibre Channel адаптеры отличаются классами, которые они поддерживают, и разнообразными особенностями. Для понимания отличий приведем сравнительную таблицу адаптеров производства фирмы QLogic.

Концентраторы

Fibre Channel HUBs (концентраторы) используются для подключения нод к FC кольцу (FC Loop) и имеют структуру, похожую на Token Ring концентраторы. Поскольку разрыв кольца может привести к прекращению функционирования сети, в современных FC концентраторах используются порты обхода кольца (PBC-port bypass circuit), которые разрешают автоматически открывать/закрывать кольцо (подключать/отключать системы, присоединенные к концентратору). Обычно FC HUBs поддерживают до 10 подключений и могут стекироваться до 127 портов на кольцо. Все устройства, подключенные к HUB, получают общую полосу пропускания, которую они могут разделять между собой.

Коммутаторы

Fibre Channel Switches (коммутаторы) имеют те же функции, что и привычные читателю LAN коммутаторы. Они обеспечивают полноскоростное неблокированное подключение между нодами. Любая нода, подключенная к FC коммутатору, получает полную (с возможностями масштабирования) полосу пропускания. При увеличении количества портов коммутированной сети ее пропускная способность увеличивается. Коммутаторы могут использоваться вместе с концентраторами (которые используют для участков, не требующих выделенной полосы пропуска для каждой ноды) для достижения оптимального соотношения цена/производительность. Благодаря каскадированию свичи потенциально могут использоваться для создания FC сетей с количеством адресов 2 24 (свыше 16 миллионов).

Мосты

FC Bridges (мосты или мультиплексоры) используются для подключения устройств с параллельным SCSI к сети на базе FC. Они обеспечивают трансляцию SCSI пакетов между Fibre Channel и Parallel SCSI устройствами, примерами которых могут служить Solid State Disk (SSD) или библиотеки на магнитных лентах. Следует заметить, что в последнее время практически все устройства, которые могут быть утилизированы в рамках SAN, производители начинают выпускать с вмонтированным FC интерфейсом для прямого их подключения к сетям хранения данных.

Серверы и Сторедж

Несмотря на то что серверы и сторедж — далеко не последние по важности компоненты SAN, мы на их описании останавливаться не будем, поскольку уверены, что с ними хорошо знакомы все наши читатели.

В конце хочется добавить, что эта статья — лишь первый шаг к сетям хранения данных. Для полного понимания темы читателю следует уделить немало внимания особенностям реализации компонент производителями SAN и программным средствам управления, поскольку без них Storage Area Network — это всего лишь набор элементов для коммутации сторедж-систем, которые не принесут вам полноты преимуществ от реализации сети хранения данных.

Заключение

Сегодня Storage Area Network является довольно новой технологией, которая в скором времени может стать массовой в кругу корпоративных заказчиков. В Европе и США предприятия, которые имеют достаточно большой парк инсталлированных сторедж-систем, уже начинают переходить на сети хранения данных для организации сторедж с наилучшим показателем общей стоимости владения.

По прогнозам аналитиков, в 2005 году значительное количество серверов среднего и верхнего уровня будут поставляться с предварительно установленным интерфейсом Fibre Channel (такую тенденцию можно заметить уже сегодня), и лишь для внутреннего подключения дисков в серверах будет использоваться параллельный SCSI интерфейс. Уже сегодня при построении сторедж-систем и приобретении серверов среднего и верхнего уровня следует обратить внимание на эту перспективную технологию, тем более, что уже сегодня она дает возможность реализовать ряд задач куда дешевле, чем с помощью специализированных решений. Кроме того, вкладывая в технологию SAN сегодня, вы не потеряете свои вложения завтра, поскольку особенности Fibre Channel создают прекрасные возможности для использования в будущем вложенных сегодня инвестиций.

P.S.

Предыдущая версия статьи была написана в июне 2000 года, но в связи с отсутствием массового интереса к технологии сетей хранения данных публикация была отложена на будущее. Это будущее настало сегодня, и я надеюсь, что данная статья побудит читателя осознать необходимость перехода на технологию сетей хранения данных, как передовую технологию построения сторедж-систем и организации доступа к данным.

Еще никогда проблема хранения файлов не стояла так остро, как сегодня.

Появление жестких дисков объемом в 3 и даже 4ТБ, Blu-Ray дисков емкостью от 25 до 50ГБ, облачных хранилищ - не решает проблему. Вокруг нас становится все больше устройств, порождающих тяжеловесный контент вокруг: фото и видео-камеры, смартфоны, HD-телевидение и видео, игровые консоли и т.п. Мы генерируем и потребляем (в основном из интернета) сотни и тысячи гигабайт.

Это приводит к тому, что на компьютере среднестатистического пользователя хранится огромное количество файлов, на сотни гигабайт: фотоархив, коллекция любимых фильмов, игр, программ, рабочие документы и т.д.

Это все нужно не просто хранить, но и уберечь от сбоев и прочих угроз.

Псевдо-решения проблемы

Можно оснастить свой компьютер емким жестким диском. Но в этом случае встает вопрос: как и куда архивировать, скажем, данные с 3-терабайтного диска?!

Можно поставить два диска и использовать их в режиме RAID «зеркало» или просто регулярно выполнять резервное копирование с одного на другой. Это тоже не лучший вариант. Предположим, компьютер атакован вирусами: скорее всего, они заразят данные на обеих дисках.

Можно хранить важные данные на оптических дисках, организовав домашний Blu-Ray архив. Но пользоваться им будет крайне неудобно.

Сетевое хранилище - решение проблемы! Отчасти…

Network attached storage (NAS) - сетевое файловое хранилище. Но можно объяснить еще проще:

Предположим, у вас дома два или три компьютера. Скорее всего, они подключены к локальной сети (проводной или беспроводной) и к интернету. Сетевое хранилище - это специализированный компьютер, который встраивается в вашу домашнюю сеть и подключается к интернету.

В результате этого - NAS может хранить какие-либо Ваши данные, а вы можете получать к нему доступ с любого домашнего ПК или ноутбука. Забегая вперед, стоит сказать, что локальная сеть должна быть достаточно современной для того, чтобы вы могли быстро и без проблем «прокачивать» по ней десятки и сотни гигабайт между сервером и компьютерами. Но об этом - позже.

Где взять NAS?

Способ первый: покупка. Более-менее приличный NAS на 2 или 4 жестких диска можно купить за 500-800 долларов. Такой сервер будет упакован в небольшой корпус и готов к работе, что называется, «из коробки».

Однако, ПЛЮС к этим 500-800 долларов добавляется еще стоимость жестких дисков! Так как обычно NAS продаются без них.

Плюсы: вы получаете готовое устройство и тратите минимум времени.

Минусы такого решения: NAS стоит как настольный компьютер, но при этом обладает несравнимо меньшими возможностями. Фактически это просто сетевой внешний диск за большие деньги. За довольно большие деньги вы получаете ограниченный, невыгодный набор возможностей.

Мое решение: самостоятельная сборка!

Это намного дешевле покупки отдельного NAS, хоть и чуть дольше ведь вы собираете машину самостоятельно). Однако, вы получаете полноценный домашний сервер, который при желании можно использовать во всем спектре его возможностей.

ВНИМАНИЕ! Я настоятельно не рекомендую собирать домашний сервер, используя старый компьютер или старые, отработавшие свое комплектующие. Не забывайте, что файловый сервер - это хранилище ваших данных. Не поскупитесь сделать его максимально надежным, чтобы в один прекрасный день все ваши файлы не «сгорели» вместе с жесткими дисками, например, из-за сбоя в цепи питания системной платы…

Итак, мы решили собрать домашний файловый сервер. Компьютер, жесткие диски которого доступны в домашней локальной сети для использования. Соответственно, нам нужно чтобы такой компьютер был экономичным в плане энергопотребления, тихим, компактным, не выделял много тепла и обладал достаточной производительностью.

Идеальным решением исходя из этого является системная плата со встроенным в нее процессором и пассивным охлаждением, компактных размеров.

Я выбрал системную плату ASUS С-60M1-I . Она была куплена в интернет-магазине dostavka.ru:

В комплекте поставки качественное руководство пользователя, диск с драйверами, наклейка на корпус, 2 кабеля SATA и задняя панель для корпуса:

ASUS, как впрочем и всегда, укомплектовал плату очень щедро. Полные спецификации платы вы можете узнать здесь: http://www.asus.com/Motherboard/C60M1I/#specifications . Я скажу лишь о некоторых важных моментах.

При стоимости всего в 3300 рублей - она обеспечивает 80% всего того, что нам нужно для сервера.

На борту платы находится двухъядерный процессор AMD C-60 со встроенным графическим чипом. Процессор имеет частоту 1 ГГц (автоматически может увеличиваться до 1,3 ГГц). На сегодня он устанавливается в некоторые нетбуки и даже ноутбуки. Процессор класса Intel Atom D2700. Но всем известно, что Atom имеет проблемы с параллельными вычислениями, что часто сводит его производительность на «нет». А вот C-60 - лишен этого недостатка, и в добавок оснащен довольно мощной для этого класса графикой.

В наличии два слота для памяти DDR3-1066 , с возможностью установки до 8 ГБ памяти.

Плата содержит на борту 6 портов SATA 6 Гбит . Что позволяет подключить к системе целых 6 дисков(!), а не только 4, как в обычном NAS для дома.

Что САМОЕ важное - плата построена на базе UEFI , а не привычного нам BIOS. Это значит, что система сможет нормально работать с жесткими дисками более 2,2 ТБ. Она «увидит» весь их объем. Системные платы на BIOS не могут работать с жесткими дисками более 2,2 ГБ без специальных «утилит-костылей». Разумеется, использование такого рода утилит недопустимо, если мы ведем речь о надежности хранения данных и о серверах.

С-60 довольно холодный процессор, поэтому он охлаждается с помощью одного только алюминиевого радиатора. Этого достаточно, чтобы даже в момент полной загрузки температура процессора не повышалась более 50-55 градусов. Что является нормой.

Набор портов вполне стандартный, огорчает только отсутствие нового USB 3.0. А особо хочется ответить наличие полноценного гигабитного сетевого порта:

На эту плату я установил 2 модуля по 2 ГБ DDR3-1333 от Patriot:

Система Windows 7 Ultimate устанавливалась на жесткий диск WD 500GB Green, а для данных я приобрел HDD Hitachi-Toshiba на 3 ТБ:

Все это оборудование у меня питается от БП FSP на 400 Ватт, что, разумеется - с запасом.

Финальным этапом была сборка всего этого оборудования в корпус mini-ATX.

Сразу после сборки я установил на компьютер Windows 7 Ultimate (установка заняла порядка 2 часов, что нормально, учитывая низкое быстродействие процессора).

После всего этого я отключил от компьютера клавиатуру, мышь и монитор. Фактически, остался один системный блок подключенный к локальной сети по кабелю.

Достаточно запомнить локальный IP этого ПК в сети, чтобы подключатся к нему с любой машины через стандартную Windows-утилиту «Подключение к удаленному рабочему столу»:

Я намеренно не стал устанавливать специализированные операционные системы для организации файлового хранилища, типа FreeNAS. Ведь в таком случае, не было бы особого смысла собирать отдельный ПК под эти нужды. Можно было бы просто купить NAS.

А вот отдельный домашний сервер, который можно загрузить работой на ночь и оставить - это интереснее. К тому же, привычным интерфейсом Windows 7 удобно управлять.

Итого общая стоимость домашнего сервера БЕЗ жестких дисков составила 6 000 рублей.

Важное дополнение

При использовании любого сетевого хранилища очень важна пропускная способность сети. Причем, даже обычная 100 Мегабитная кабельная сеть не приводит в восторг, когда вы, скажем, выполняете архивацию со своего компьютера на домашний сервер. Передать 100 ГБ по 100 Мегабитной сети - это уже несколько часов.

Что уж говорить о Wi-Fi. Хорошо, если вы используете Wi-Fi 802.11n - в этом случае скорость сети держится в районе 100 Мегабит. А если стандарт 802.11g, где скорость редко бывает больше 30 Мегабит? Это очень, очень мало.

Идеальный вариант, когда взаимодействие с сервером происходит по кабельной сети Gigabit Ethernet . В этом случае - это действительно быстро.

Но о том, как создать такую сеть быстро и с минимальными затратами - я расскажу в отдельной статье.

И прочего, среды передачи данных и подключенных к ней серверов. Обычно используется достаточно крупными компаниями, имеющими развитую IT инфраструктуру, для надежного хранения данных и скоростного доступа к ним.
Упрощенно, СХД — это система, позволяющая раздавать серверам надежные быстрые диски изменяемой емкости с разных устройств хранения данных.

Немного теории.
Сервер к хранилищу данных можно подключить несколькими способами.
Первый и самый простой — DAS, Direct Attached Storage (прямое подключение), без затей ставим диски в сервер, или массив в адаптер сервера — и получаем много гигабайт дискового пространства со сравнительно быстрым доступом, и при использовании RAID-массива — достаточную надежность, хотя копья на тему надежности ломают уже давно.
Однако такое использование дискового пространства не оптимально — на одном сервере место кончается, на другом его еще много. Решение этой проблемы — NAS, Network Attached Storage (хранилище, подключенное по сети). Однако при всех преимуществах этого решения — гибкости и централизованного управления — есть один существенный недостаток — скорость доступа, еще не во всех организациях внедрена сеть 10 гигабит. И мы подходим к сети хранения данных.

Главное отличие SAN от NAS (помимо порядка букв в аббревиатурах) — это то, каким образом видятся подключаемые ресурсы на сервере. Если в NAS ресурсы подключаются протоколам NFS или SMB , в SAN мы получаем подключение к диску, с которым можем работать на уровне операций блочного ввода-вывода, что гораздо быстрее сетевого подключения (плюс контроллер массива с большим кэшем добавляет скорости на многих операциях).

Используя SAN, мы сочетаем преимущества DAS — скорость и простоту, и NAS — гибкость и управляемость. Плюс получаем возможность масштабирования систем хранения до тех пор, пока хватает денег, параллельно убивая одним выстрелом еще несколько зайцев, которых сразу не видно:

* снимаем ограничения на дальность подключения SCSI -устройств, которые обычно ограничены проводом в 12 метров,
* уменьшаем время резервного копирования,
* можем грузиться с SAN,
* в случае отказа от NAS разгружаем сеть,
* получаем большую скорость ввода-вывода за счет оптимизации на стороне системы хранения,
* получаем возможность подключать несколько серверов к одному ресурсу, это нам дает следующих двух зайцев:
- на полную используем возможности VMWare — например VMotion (миграцию виртуальной машины между физическими) и иже с ними,
- можем строить отказоустойчивые кластеры и организовывать территориально распределенные сети.

Что это дает?
Помимо освоения бюджета оптимизации системы хранения данных, мы получаем, вдобавок к тому что я написал выше:

* увеличение производительности, балансировку нагрузки и высокую доступность систем хранения за счет нескольких путей доступа к массивам;
* экономию на дисках за счет оптимизации расположения информации;
* ускоренное восстановление после сбоев — можно создать временные ресурсы, развернуть на них backup и подключить к ним сервера, а самим без спешки восстанавливать информацию, или перекинуть ресурсы на другие сервера и спокойно разбираться с умершим железом;
* уменьшение время резервного копирования — благодаря высокой скорости передачи можно бэкапиться на ленточную библиотеку быстрее, или вообще сделать snapshot (мгновенный снимок) с файловой системы и спокойно архивировать его;
* дисковое место по требованию — когда нам нужно — всегда можно добавить пару полок в систему хранения данных.
* уменьшаем стоимость хранения мегабайта информации — естественно, есть определенный порог, с которого эти системы рентабельны.
* надежное место для хранения mission critical и business critical данных (без которых организация не может существовать и нормально работать).
* отдельно хочу упомянуть VMWare — полностью все фишки вроде миграции виртуальных машин с сервера на сервер и прочих вкусностей доступны только на SAN.

Из чего это состоит?
Как я писал выше — СХД состоит из устройств хранения, среды передачи и подключенных серверов. Рассмотрим по порядку:

Системы хранения данных обычно состоят из жестких дисков и контроллеров, в уважающей себя системе как правило всего по 2 — по 2 контроллера, по 2 пути к каждому диску, по 2 интерфейса, по 2 блока питания, по 2 администратора. Из наиболее уважаемых производителей систем следует упомянуть HP, IBM, EMC и Hitachi. Тут процитирую одного представителя EMC на семинаре — «Компания HP делает отличные принтеры. Вот пусть она их и делает!» Подозреваю, что в HP тоже очень любят EMC. Конкуренция между производителями нешуточная, впрочем, как и везде. Последствия конкуренции — иногда вменяемые цены за мегабайт системы хранения и проблемы с совместимостью и поддержкой стандартов конкурентов, особенно у старого оборудования.

Среда передачи данных .

Обычно SAN строят на оптике, это дает на текущий момент скорость в 4, местами в 8 гигабит на канал. При построении раньше использовались специализированные хабы, сейчас больше свитчи, в основном от Qlogic, Brocade, McData и Cisco (последние два на площадках не видел ни разу). Кабели используются традиционные для оптических сетей — одномодовые и многомодовые , одномодовые более дальнобойные.
Внутри используется FCP — Fibre Channel Protocol , транспортный протокол. Как правило внутри него бегает классический SCSI, а FCP обеспечивает адресацию и доставку. Есть вариант с подключением по обычной сети и iSCSI , но он обычно использует (и сильно грузит) локальную, а не выделенную под передачу данных сеть, и требует адаптеров с поддержкой iSCSI, ну и скорость помедленнее, чем по оптике.

Есть еще умное слово топология, которое встречается во всех учебниках по SAN. Топологий несколько, простейший вариант — точка-точка (point to point), соединяем между собой 2 системы. Это не DAS, а сферический конь в вакууме простейший вариант SAN. Дальше идет управляемая петля (FC-AL), она работает по принципу «передай дальше» — передатчик каждого устройства соединен с приемником последующего, устройства замкнуты в кольцо. Длинные цепочки имеют свойство долго инициализироваться.

Ну и заключительный вариант — коммутируемая структура (Fabric), она создается с помощью свитчей. Структура подключений строится в зависимости от количества подключаемых портов, как и при построении локальной сети. Основной принцип построения — все пути и связи дублируются. Это значит, что до каждого устройства в сети есть минимум 2 разных пути. Здесь тоже употребимо слово топология , в смысле организации схемы подключений устройств и соединения свитчей. При этом как правило свитчи настраиваются так, что сервера не видят ничего, кроме предназначенных им ресурсов. Это достигается за счет создания виртуальных сетей и называется зонированием, ближайшая аналогия — VLAN . Каждому устройству в сети присваивается аналог MAC -адреса в сети Ethernet, он называется WWN — World Wide Name . Он присваивается каждому интерфейсу и каждому ресурсу (LUN) систем хранения данных. Массивы и свитчи умеют разграничивать доступ по WWN для серверов.

Сервера подключают к СХД через HBA - Host Bus Adapter -ы. По аналогии с сетевыми картами существуют одно-, двух-, четырехпортовые адаптеры. Лучшие "собаководы" рекомендуют ставить по 2 адаптера на сервер, это позволяет как осуществлять балансировку нагрузки, так и обеспечивает надежность.

А дальше на системах хранения нарезаются ресурсы, они же диски (LUN) для каждого сервера и оставляется место в запас, все включается, установщики системы прописывают топологию, ловят глюки в настройке свитчей и доступа, все запускается и все живут долго и счастливо*.
Я специально не касаюсь разных типов портов в оптической сети, кому надо — тот и так знает или прочитает, кому не надо — только голову забивать. Но как обычно, при неверно установленном типе порта ничего работать не будет.

Из опыта.
Обычно при создании SAN заказывают массивы с несколькими типами дисков: FC для скоростных приложений, и SATA или SAS для не очень быстрых. Таким образом получаются 2 дисковые группы с различной стоимостью мегабайта — дорогая и быстрая, и медленная и печальная дешевая. На быструю вешаются обычно все базы данных и прочие приложения с активным и быстрым вводом-выводом, на медленную — файловые ресурсы и все остальное.

Если SAN создается с нуля — имеет смысл строить ее на основе решений от одного производителя. Дело в том, что, несмотря на заявленное соответствие стандартам, существуют подводные грабли проблемы совместимости оборудования, и не факт, что часть оборудования будет работать друг с другом без плясок с бубном и консультаций с производителями. Обычно для утряски таких проблем проще позвать интегратора и дать ему денег, чем общаться с переводящими друг на друга стрелки производителями.

Если SAN создается на базе существующей инфраструктуры — все может быть сложно, особенно если есть старые SCSI массивы и зоопарк старой техники от разных производителей. В этом случае имеет смысл звать на помощь страшного зверя интегратора, который будет распутывать проблемы совместимости и наживать третью виллу на Канарах.

Часто при создании СХД фирмы не заказывают поддержку системы производителем. Обычно это оправдано, если у фирмы есть штат грамотных компетентных админов (которые уже 100 раз назвали меня чайником) и изрядный капитал, позволяющий закупить запасные комплектующие в потребных количествах. Однако компетентных админов обычно переманивают интеграторы (сам видел), а денег на закупку не выделяют, и после сбоев начинается цирк с криками «Всех уволю!» вместо звонка в саппорт и приезда инженера с запасной деталью.

Поддержка обычно сводится к замене умерших дисков и контроллеров, ну и к добавлению в систему полок с дисками и новых серверов. Много хлопот бывает после внезапной профилактики системы силами местных специалистов, особенно после полного останова и разборки-сборки системы (и такое бывает).

Про VMWare. Насколько я знаю (спецы по виртуализации поправьте меня), только у VMWare и Hyper-V есть функционал, позволяющий «на лету» перекидывать виртуальные машины между физическими серверами. И для его реализации требуется, чтобы все сервера, между которыми перемещается виртуальная машина, были подсоединены к одному диску.

Про кластеры. Аналогично случаю с VMWare, известные мне системы построения отказоустойчивых кластеров (Sun Cluster, Veritas Cluster Server) — требуют подключенного ко всем системам хранилища.

Пока писал статью — у меня спросили — в какие RAIDы обычно объединяют диски?
В моей практике обычно делали или по RAID 1+0 на каждую дисковую полку с FC дисками, оставляя 1 запасной диск (Hot Spare) и нарезали из этого куска LUN-ы под задачи, или делали RAID5 из медленных дисков, опять же оставляя 1 диск на замену. Но тут вопрос сложный, и обычно способ организации дисков в массиве выбирается под каждую ситуацию и обосновывается. Та же EMC например идет еще дальше, и у них есть дополнительная настройка массива под приложения, работающие с ним (например под OLTP, OLAP). С остальными вендорами я так глубоко не копал, но догадываюсь, что тонкая настройка есть у каждого.

* до первого серьезного сбоя, после него обычно покупается поддержка у производителя или поставщика системы.

Итак, выпуск №1 – «Системы хранения данных».

Системы хранения данных.

По-английски они называются одним словом – storage, что очень удобно. Но на русский это слово переводится довольно коряво – «хранилище». Часто на слэнге «ИТ-шников» используют слово «сторадж» в русской транскрипции, или слово «хранилка», но это уже совсем моветон. Поэтому будем использовать термин «системы хранения данных», сокращенно СХД, или просто «системы хранения».

К устройствам хранения данных можно отнести любые устройства для записи данных: т.н. «флешки», компакт-диски (CD, DVD, ZIP), ленточные накопители (Tape), жесткие диски (Hard disk, их еще называют по старинке «винчестеры», поскольку первые их модели напоминали обойму с патронами одноименной винтовки 19 века) и пр. Жесткие диски используются не только внутри компьютеров, но и как внешние USB-устройства записи информации, и даже, например, одна из первых моделей iPod’а – это небольшой жесткий диск диаметром 1,8 дюйма, с выходом на наушники и встроенным экраном.

В последнее время все большую популярность набирают т.н. «твердотельные» системы хранения SSD (Solid State Disk, или Solid State Drive), которые по принципу действия схожи с «флешкой» для фотоаппарата или смартфона, только имеют контроллер и больший объем хранимых данных. В отличие от жесткого диска, SSD-диск не имеет механически движущихся частей. Пока цены на такие системы хранения достаточно высоки, но быстро снижаются.

Все это – потребительские устройства, а среди промышленных систем следует выделить, прежде всего, аппаратные системы хранения: массивы жестких дисков, т.н. RAID-контроллеры для них, ленточные системы хранения для долговременного хранения данных. Кроме того, отдельный класс: контроллеры для систем хранения, для управления резервированием данных, создания «мгновенных снимков» (Snapshot) в системе хранения для последующего их восстановления, репликации данных и т.д.). В системы хранения данных также входят сетевые устройства (HBА, коммутаторы Fiber Channel Switch, кабели FC/SAS и пр.). И, наконец, разработаны масштабные решения по хранению данных, архивации, восстановления данных и устойчивости к катастрофам (disater recovery).

Откуда берутся данные, которые необходимо хранить? От нас, любимых, пользователей, от прикладных программ, электронной почты, а также от различного оборудования – файловых серверов, и серверов баз данных. Кроме того, поставщик большого количества данных – т.н. устройства М2М (Machine-to-Machine communication) – разного рода датчики, сенсоры, камеры и пр.

По частоте использования хранимых данных, СХД можно подразделить на системы краткосрочного хранения (online storage), хранения средней продолжительности (near-line storage) и системы долговременного хранения (offline storage).

К первым можно отнести жесткий диск (или SSD) любого персонального компьютера. Ко вторым и третьим – внешние системы хранения DAS (Direct Attached Storage), которые могут представлять собой массив внешних, по отношению к компьютеру, дисков (Disk Array). Их, в свою очередь также можно подразделить на «просто массив дисков» JBOD (Just a Bunch Of Disks) и массив с управляющим контроллером iDAS (intelligent disk array storage).

Внешние системы хранения бывают трех типов DAS (Direct Attached Storage), SAN (Storage Area Network) и NAS (Network attached Storage). К сожалению, даже многие опытные ИТ-шники не могут объяснить разницу между SAN и NAS, говоря, что когда-то эта разница была, а теперь – ее, якобы, уже и нет. На самом деле, разница есть, и существенная (см. рис. 1).

Рисунок 1. Различие между SAN и NAS.

В SAN с системой хранения связаны фактически сами серверы через сеть области хранения данных SAN. В случае NAS – сетевые серверы связаны через локальную сеть LAN с общей файловой системой в RAID.

Основные протоколы подключения СХД

Протокол SCSI (Small Computer System Interface), произносится как «скáзи», протокол, разработанный в середине 80-х годов для подключения внешних устройств к мини мини-компьютерам. Его версия SCSI-3 является основой для всех протоколов связи систем хранения данных и использует общую систему команд SCSI. Его основные преимущества: независимость от используемого сервера, возможность параллельной работы нескольких устройств, высокая скорость передачи данных. Недостатки: ограниченность числа подключенных устройств, дальность соединения сильно ограничена.

Протокол FC (Fiber Channel), внутренний протокол между сервером и совместно используемой СХД, контроллером, дисками. Это широко используемый протокол последовательной связи, работающий на скоростях 4 или 8 Гигабит в секунду (Gbps). Он, как явствует из его названия, работает через оптоволокно (fiber), но и по меди тоже может работать. Fiber Channel – основной протокол для систем хранения FC SAN.

Протокол iSCSI (Internet Small Computer System Interface), стандартный протокол для передачи блоков данных поверх широко известного протокола TCP/IP т.е. «SCSI over IP». iSCSI может рассматриваться как высокоскоростное недорогое решение для систем хранения, подключаемые удаленно, через Интернет. iSCSI инкапсулирует команды SCSI в пакеты TCP/IP для передачи их по IP-сети.

Протокол SAS (Serial Attached SCSI). SAS использует последовательную передачу данных и совместим с жесткими дисками SATA. В настоящий момент SAS может передавать данные со скоростью 3Gpbs или 6Gpbs, и поддерживает режим полного дуплекса, т.е. может передавать данные в обе стороны с одинаковой скоростью.

Типы систем хранения.

Можно различить три основных типа систем хранения:

• DAS (Direct Attached Storage)
• NAS (Network attached Storage)
• SAN (Storage Area Network)

СХД c непосредственном подключением дисков DAS были разработаны еще в конце

Рисунок 2. DAS

70-х годов, вследствие взрывного увеличения пользовательских данных, которые уже просто физически не помещались во внутренней долговременной памяти компьютеров (для молодых сделаем примечание, что здесь речь идет не о персоналках, их тогда еще не было, а больших компьютерах, т.н. мейнфреймах). Скорость передачи данных в DAS была не очень невысокой, от 20 до 80 Мбит/с, но для тогдашних нужд ее вполне хватало.

СХД с сетевым подключением NAS появились в начале 90-х годов. Причиной стало быстрое развитие сетей и критические требования к совместному использованию больших массивов данных в пределах предприятия или сети оператора. В NAS использовалась специальная сетевая файловая система CIFS (Windows) или NFS (Linux), поэтому разные серверы разных пользователей могли считывать один и тот же файл из NAS одновременно. Скорость передачи данных была уже повыше: 1 — 10Gbps.

Рисунок 3. NAS

В середине 90-х появились сети для подключения устройств хранения FC SAN. Разработка их была вызвана необходимостью организации разбросанных по сети данных. Одно устройство хранения в SAN может быть разбито на несколько небольших узлов, называемых LUN (Logical Unit Number), каждый из которых принадлежит одному серверу. Скорость передачи данных возросла до 2-8 Gbps. Такие СХД могли обеспечивать технологии защиты данных от потерь (snapshot, backup).

Рисунок 4. FC SAN

Другая разновидность SAN – IP SAN(IP Storage Area Network), разработанная в начале 2000-х. Системы FC SAN были дороги, сложны в управлении, а сети протокола IP находились на пике развития, поэтому и появился этот стандарт. СХД подключались к серверам при помощи iSCSI-контроллера через IP-коммутаторы. Скорость передачи данных: 1 — 10 Гбит/с.

Рис.5. IP SAN.

В таблице показаны некоторые сравнительные характеристики всех рассмотренных систем хранения:

Кратко, SAN предназначены для передачи массивных блоков данных в СХД, в то время как NAS обеспечивают доступ к данным на уровне файлов. Комбинацией SAN + NAS можно получить высокую степень интеграции данных, высокопроизводительный доступ и совместный доступ к файлам. Такие системы получили название unified storage – «унифицированные системы хранения».

Унифицированные системы хранения: архитектура сетевых СХД, которая поддерживает как файлово-ориентированную систему NAS, так и блоко-ориентированную систему SAN. Такие системы были разработаны в начале 2000-х годов с целью разрешить проблемы администрирования и высокой суммарной стоимости владения раздельными системами на одном предприятии. Такая СХД поддерживает практически все протоколы: FC, iSCSI, FCoE, NFS, CIFS.

Жесткие диски

Все жесткие диски можно подразделить на два основных типа: HDD (Нard Disk Drive, что, собственно, и переводится как «жесткий диск») и SSD (Solid State Drive, — т.н. «твердотельный диск»). Т.е., и тот и другой диск – жесткие. Что же тогда «мягкий диск», такие бывают? Да, в прошлом были, назывались «флоппи-диски» (так их прозвали из-за характерного «хлопающего» звука в дисководе при работе). Приводы для них ещё можно увидеть в системных блоках старых компьютеров, которые сохранились в некоторых госучреждениях. Однако, при всем желании, такие магнитные диски их вряд ли можно отнести к СИСТЕМАМ хранения. Это были некие аналоги теперешних «флешек».

Различие HDD и SSD в том, что HDD имеет несколько соосных магнитных дисков внутри и сложную механику, перемещающую магнитные головки считывания-записи, а SSD не имеет механически движущихся частей, и представляет собой, по сути, просто микросхему, запрессованную в пластик. Поэтому называть «жесткими дисками» только HDD, строго говоря, некорректно.

Жесткие диски можно классифицировать по следующим параметрам:

• Конструктивное исполнение: HDD, SSD;
• Диаметру HDD в дюймах: 5.25, 3.5 , 2.5, 1.8 дюйма;
• Интерфейсу: ATA/IDE, SATA/NL SAS, SCSI, SAS, FC
• Классу использования: индивидуальные (desktop class), корпоративные (enterprsie class).

Характеристики жестких дисков :

• Ёмкость

В современных жестких дисках емкость измеряется в гигабайтах или терабайтах. Для HDD эта величина кратна ёмкости одного магнитного диска внутри коробки, умноженной на число магнитных, которых обычно бывает несколько.

• Скорость вращения (только для HDD)

Скорость вращения магнитных дисков внутри привода, измеряется в оборотах в минуту RPМ (Rotation Per Minute), обычно составляет 5400 RPM или 7200 RPM. HDD с интерфейсами SCSI/SAS имеют скорость вращения 10000－15000 RPM.

• Среднее время доступа = Среднее время поиска (Mean seek time) + Среднее время ожидания (Mean wait time), т.е. время извлечения информации с диска.
• Скорость передачи данных

Это скорости считывания и записи данных на жестком диске, измеряемая в мегабайтах в секунду (MB/S). Они обычно отличаются друг от друга по величине.

• IOPS (Input/Output Per Second)

Число операций ввода-вывода (или чтения-записи) в секунду (Input/Output Operations Per Second), один из основных индикаторов измерения производительности диска. Для приложений с частые операции чтения и записи, таких как OLTP (Online Transaction Processing) – онлайн-обработка транзакций, IOPS – самый важный показатель, т.к. именно от него зависит быстродействие бизнес-приложения. Другой важный показатель – data throughput, что примерно можно перевести как «пропускная способность данных», т.е. какой объем данных можно передать за единицу времени.

RAID

Как бы ни были надежны жесткие диски, а все же данные в них иногда теряются, по разным причинам. Поэтому была предложена технология RAID (Redundant Array of Independent Disks) – массив независимых дисков с избыточностью хранения данных. Избыточность означает то, что все байты данных при записи на один диск дублируются на другом диске, и могут быть использованы в том случае, если первый диск откажет. Кроме того, эта технология помогает увеличить IOPS.

Основные понятия RAID – stripping (т.н. «располосование» или разделение) и mirroring (т.н. «зеркалирование», или дублирование) данных. Их сочетания определяют различные виды RAID-массивов жестких дисков.

Различают следующие уровни RAID-массивов:

Комбинации этих видов порождают еще несколько новых видов RAID:

Рисунок поясняет принцип выполнения RAID 0 (разделение):

Рис. 6. RAID 0.

А так выполняется RAID 1 (дублирование):

Рис. 7. RAID 1.

А вот так работает RAID 3. XOR – логическая функция исключающее ИЛИ (eXclusive OR). При помощи нее вычисляется значение паритета для блоков данных A, B, C, D… , который записывается на отдельный диск.

Рис. 8. RAID 3.

Вышеприведенные схемы хорошо иллюстрируют принцип действия RAID и в комментариях не нуждаются. Мы не будем приводить схемы работы остальных уровней RAID, желающие могут их найти в Интернете.

Основные характеристики видов RAID приведены в таблице.

Программное обеспечение систем хранения

Программное обеспечение для систем хранения можно подразделить на следующие категории:

1. Управление и администрирование (Management): управление и задание параметров инфраструктуры: вентиляции, охлаждения, режимы работы дисков и пр., управление по времени суток и пр.
2. Защита данных: Snapshot («моментальный снимок» состояния диска), копирование содержимого LUN, множественное дублирование (split mirror), удаленное дублирование данных (Remote Replication), непрерывная защита данных CDP (Continuous Data Protection) и др.
3. Повышение надежности: различное ПО для множественного копирования и резервирования маршрутов передачи данных внутри ЦОД и между ними.
4. Повышение эффективности: Технология тонкого резервирования (Thin Provisioning), автоматическое разделение системы хранения на уровни (tiered storage), устранение повторений данных (deduplication), управление качеством сервиса, предварительное извлечение из кэш-памяти (cache prefetch), разделение данных (partitioning), автоматическая миграция данных, снижение скорости вращения диска (disk spin down)

Очень интересна технология «thin provisioning ». Как это часто бывает в ИТ, термины часто трудно поддаются адекватному переводу на русский язык, например, трудно точно перевести слово «provisioning» («обеспечение», «поддержка», «предоставление» – ни один из этих терминов не передает смысл полностью). А уж когда оно – «тонкое» (thin)…

По принципу «thin provisioning», например, работает банковский кредит. Когда банк выдает десять тысяч кредитов лимитом в 500 тысяч, ему не нужно иметь на счету 5 миллиардов, так как пользователи карточек обычно не тратят весь кредит сразу. Тем не менее, каждый пользователь в отдельности может воспользоваться всей или почти всей суммой кредита, если общий объем средств банка не исчерпан.

Так же работают водопроводные и электрические компании. Предоставляя услуги водо- или электро-снабжения, они рассчитывают, что все жители не станут разом открывать все краны или включать все имеющие в домах электроприборы. За счет более гибкого потребления ресурсов удается сэкономить на их цене и мощности ресурса.

Рис. 9. Thin provisioning .

Таким образом, использование thin provisioning позволяет решить проблему неэффективного распределения пространства в SAN, сэкономить место, облегчить административные процедуры распределения пространства приложениям на хранилище, и использовать так называемый oversubscribing, то есть выделить приложениям места больше, чем мы располагаем физически, в расчете на то, что приложения не затребуют одновременно все пространство. По мере же возникновения в нем потребности позже возможно увеличить физическую емкость хранилища.

Разделение системы хранения на уровни (tiered storage) предполагает, что различные данные хранятся в устройствах хранения, быстродействие которых соответствует частоте обращения к этим данным. Например, часто используемые данные можно размещать в «online storage» на дисках SSD с высокой скоростью доступа, высокой производительностью. Однако, цена таких дисков пока высока, поэтому их целесообразно использовать только для online storage (пока).

Скорость дисков FC/SAS также достаточно высока, а цена умерена. Поэтому такие диски хорошо походят для «near-line storage», где хранятся данные, обращения к которым происходят не так часто, но в то же время и не так редко.

Наконец, диски SATA/NL-SAS имеют относительно невысокую скорость доступа, но зато отличаются большой емкостью и относительно дешевы. Поэтому на них обычно делают offline storage, для данных редкого использования.

Как только система управления замечает, что обращения к данным в offline storage участились, она переводит их в near-line storage, а при дальнейшей активизации их использования – и в online storage» на дисках SSD.

Дедупликация (устранение повторений) данных (deduplication, DEDUP): как следует из названия, устраняет повторы данных на пространстве диска, обычно используемого в части резервирования данных. Хотя система неспособна определить, какая информация избыточна, она может определить наличие повторов данных. За счет этого становится возможным значительно сократить требования к емкости системы резевирования.

Снижение скорости вращения диска (Disk spin-down ) – то, что обычно называют «гибернацией» (засыпанием) диска. Данные на каком-то диске могут не использоваться долгое время, в этом случае технология снижения скорости диска переводит их в режим гибернации, чтобы снизить потребление энергии на бесполезное вращение диска на обычной скорости. При этом также повышается срок службы диска, и увеличивается надежность системы в целом. При поступлении первого запроса к данным на этом диске, он «просыпается», скорость его вращения увеличивается. Платой за экономию энергии и повышение надежности является некоторая задержка при первом обращении к данным на диске, но эта плата вполне оправдана.

«Моментальный снимок» состояния диска (Snapshot ). Snapshot – это полностью пригодная к использованию копия определенного набора данных на диске на момент съема этой копии (поэтому она и называется «моментальным снимком»). Такая копия используется для частичного восстановления состояния системы на момент копирования. При этом непрерывность работы системы совершенно не затрагивается, и быстродействие не ухудшается.

Удаленная репликация данных (Remote Replication) : работает с использованием технологии зеркалирования. Может поддерживать несколько копий данных на двух или более сайтах для предотвращения потери данных в случае стихийных бедствий. Существует два типа репликации: синхронная и асинхронная, различие между ними пояснено на рисунке.

Рис. 10. Удаленная репликация данных (Remote Replication).

Непрерывная защита данных CDP (Continuous data protection) , также известная как continuous backup или real-time backup, представляет собой создание резервной копии автоматически при каждом изменении данных. При этом становится возможным восстановление данных при любых авариях в любой момент времени, причем при этом доступны актуальная копия данных, а не тех, что были несколько минут или часов назад.

Программы управления и администрирования (Management Software): сюда входит разнообразное программное обеспечение по управлению и администрированию различных устройств: простые программы конфигурации (cofiguration wizards), программы централизованного мониторинга: отображение топологии, мониторинг в реальном времени механизмы формирования отчетов о сбоях. Также сюда входят программы «гарантии непрерывности бизнеса» (Business Guarantee): многоразмерная статистика производительности, отчеты и запросы производительности и пр.

Восстановление при стихийных бедствиях (DR, Disaster Recovery) . Это довольно важная составляющая серьезных промышленных СХД, хотя и достаточно затратная. Но эти затраты необходимо нести, чтобы не потерять в одночасье «то, что нажито непосильным трудом» и куда и так уже вложены значительные средства. Рассмотренные выше системы защиты данных (Snapshot, Remote Replication, CDP) хороши до тех пор, пока в населенном пункте, где расположена система хранения не произошло какое-либо стихийное бедствие: цунами, наводнение, землетрясение или (тьфу-тьфу-тьфу) – ядерная война. Да и любая война тоже способна сильно подпортить жизнь людям, которые занимаются полезными делами, например, хранением данных, а не беганием с автоматом с целью оттяпать себе чужие территории или наказать каких-нибудь «неверных». Удаленная репликация подразумевает, что реплицирующая СХД находится в том же самом городе, или как минимум поблизости. Что, например, при цунами не спасает.

Технология Disaster Recovery предполагает, что центр резервирования, используемый для восстановления данных при стихийных бедствиях, располагается на значительном удалении от места основного ЦОД, и взаимодействует с ним по сети передачи данных, наложенной на транспортную сеть, чаще всего оптическую. Использовать при таком расположении основного и резервного ЦОД, например, технологию CDP будет просто невозможно технически.

В технологии DR используются три основополагающих понятия:

• BW (Backup Window) – «окно резевирования», время, необходимое для системы резевирования для того, чтобы скопировать принятый объем данных рабочей системы.
• RPO (Recovery Point Objective) – «Допустимая точка восстановления», максимальный период времени и соответствующий объем данных, который допустимо потерять для пользователя СХД.
• RTO (Recovery Time Objective) – «допустимое время недоступности», максимальное время, в течение которого СХД может быть недоступной, без критического воздействия на основной бизнес.

Рис. 11. Три основополагающих понятия технологии DR.

Данное эссе не претендует на полноту изложения и лишь поясняет основные принципы работы СХД, хотя и далеко не в полном объеме. В различных источниках в Интернете содержится много документов, более подробно описывающих все изложенные (и не изложенные) здесь моменты.