Тенденции развития современных инфраструктурных решений. Быстрый выбор сервера. Коммутаторы White-box, Bare-metal и Open Networking

В деле познания SAN столкнулся с определённым препятствием - труднодоступностью базовой информации. В вопросе изучения прочих инфраструктурных продуктов, с которыми доводилось сталкиваться, проще - есть пробные версии ПО, возможность установить их на вирутальной машине, есть куча учебников, референс гайдов и блогов по теме. Cisco и Microsoft клепают очень качественные учебники, MS вдобавок худо-бедно причесал свою адскую чердачную кладовку под названием technet, даже по VMware есть книга, пусть и одна (и даже на русском языке!), причём с КПД около 100%. Уже и по самим устройствам хранения данных можно получить информацию с семинаров, маркетинговых мероприятий и документов, форумов. По сети же хранения - тишина и мёртвые с косами стоять. Я нашёл два учебника, но купить не решился. Это "Storage Area Networks For Dummies " (есть и такое, оказывается. Очень любознательные англоговорящие «чайники» в целевой аудитории, видимо) за полторы тысячи рублей и "Distributed Storage Networks: Architecture, Protocols and Management " - выглядит более надёжно, но 8200р при скидке 40%. Вместе с этой книгой Ozon рекомендует также книгу «Искусство кирпичной кладки».

Что посоветовать человеку, который решит с нуля изучить хотя бы теорию организации сети хранения данных, я не знаю. Как показала практика, даже дорогостоящие курсы могут дать на выходе ноль. Люди, применительно к SAN делятся на три категории: те, кто вообще не знает что это, кто знает, что такое явление просто есть и те, кто на вопрос «зачем в сети хранения делать две и более фабрики» смотрят с таким недоумением, будто их спросили что-то вроде «зачем квадрату четыре угла?».

Попробую восполнить пробел, которого не хватало мне - описать базу и описать просто. Рассматривать буду SAN на базе её классического протокола - Fibre Channel.

Итак, SAN - Storage Area Network - предназначена для консолидации дискового пространства серверов на специально выделенных дисковых хранилищах. Суть в том, что так дисковые ресурсы экономнее используются, легче управляются и имеют большую производительность. А в вопросах виртуализации и кластеризации, когда нескольким серверам нужен доступ к одному дисковому пространству, подобные системы хранения данных вообще незаменимая штука.

Кстати, в терминологиях SAN, благодаря переводу на русский, возникает некоторая путаница. SAN в переводе означает «сеть хранения данных» - СХД. Однако классически в России под СХД понимается термин «система хранения данных», то есть именно дисковый массив (Storage Array ), который в свою очередь состоит из Управляющего блока (Storage Processor, Storage Controller ) и дисковых полок (Disk Enclosure ). Однако, в оригинале Storage Array является лишь частью SAN, хотя порой и самой значимой. В России получаем, что СХД (система хранения данных) является частью СХД (сети хранения данных). Поэтому устройства хранения обычно называют СХД, а сеть хранения - SAN (и путают с «Sun», но это уже мелочи).

Компоненты и термины

Технологически SAN состоит из следующих компонентов:

1. Узлы, ноды (nodes)

• Дисковые массивы (системы хранения данных) - хранилища (таргеты )
• Серверы - потребители дисковых ресурсов (инициаторы ).

2. Сетевая инфраструктура

• Коммутаторы (и маршрутизаторы в сложных и распределённых системах)
• Кабели

Особенности

Если не вдаваться в детали, протокол FC похож на протокол Ethernet с WWN-адресами вместо MAC-адресов. Только, вместо двух уровней Ethernet имеет пять (из которых четвёртый пока не определён, а пятый - это маппинг между транспортом FC и высокоуровневыми протоколами, которые по этому FC передаются - SCSI-3, IP). Кроме того, в коммутаторах FC используются специализированные сервисы, аналоги которых для IP сетей обычно размещаются на серверах. Например: Domain Address Manager (отвечает за назначение Domain ID коммутаторам), Name Server (хранит информацию о подключенных устройствах, эдакий аналог WINS в пределах коммутатора) и т.д.

Для SAN ключевыми параметрами являются не только производительность, но и надёжность. Ведь если у сервера БД пропадёт сеть на пару секунд (или даже минут) - ну неприятно будет, но пережить можно. А если на это же время отвалится жёсткий диск с базой или с ОС, эффект будет куда более серьёзным. Поэтому все компоненты SAN обычно дублируются - порты в устройствах хранения и серверах, коммутаторы, линки между коммутаторами и, ключевая особенность SAN, по сравнению с LAN - дублирование на уровне всей инфраструктуры сетевых устройств - фабрики.

Фабрика (fabric - что вообще-то в переводе с английского ткань, т.к. термин символизирует переплетённую схему подключения сетевых и конечных устройств, но термин уже устоялся) - совокупность коммутаторов, соединённых между собой межкоммутаторными линками (ISL - InterSwitch Link ).

Высоконадёжные SAN обязательно включают две (а иногда и более) фабрики, поскольку фабрика сама по себе - единая точка отказа. Те, кто хоть раз наблюдал последствия кольца в сети или ловкого движения клавиатуры, вводящего в кому коммутатор уровня ядра или распределения неудачной прошивкой или командой, понимают о чём речь.

Фабрики могут иметь идентичную (зеркальную) топологию или различаться. Например одна фабрика может состоять из четырёх коммутаторов, а другая - из одного, и к ней могут быть подключены только высококритичные узлы.

Топология

Различают следующие виды топологий фабрики:

Каскад - коммутаторы соединяются последовательно. Если их больше двух, то ненадёжно и непроизводительно.

Кольцо - замкнутый каскад. Надёжнее просто каскада, хотя при большом количестве участников (больше 4) производительность будет страдать. А единичный сбой ISL или одного из коммутаторов превращает схему в каскад со всеми вытекающими.

Сетка (mesh ). Бывает Full Mesh - когда каждый коммутатор соединяется с каждым. Характерно высокой надёжностью, производительностью и ценой. Количество портов, требуемое под межкоммутаторные связи, с добавлением каждого нового коммутатора в схему растёт экспоненциально. При определённой конфигурации просто не останется портов под узлы - все будут заняты под ISL. Partial Mesh - любое хаотическое объединение коммутаторов.

Центр/периферия (Core/Edge) - близкая к классической топологии LAN, но без уровня распределения. Нередко хранилища подключаются к Core-коммутаторам, а серверы - к Edge. Хотя для хранилищ может быть выделен дополнительный слой (tier) Edge-коммутаторов. Также и хранилища и серверы могут быть подключены в один коммутатор для повышения производительности и снижения времени отклика (это называется локализацией). Такая топология характеризуется хорошей масштабируемостью и управляемостью.

Зонинг (зонирование, zoning)

Ещё одна характерная для SAN технология. Это определение пар инициатор-таргет. То есть каким серверам к каким дисковым ресурсам можно иметь доступ, дабы не получилось, что все серверы видят все возможные диски. Достигается это следующим образом:

• выбранные пары добавляются в предварительно созданные на коммутаторе зоны (zones);
• зоны помещаются в наборы зон (zone set, zone config), созданные там же;
• наборы зон активируются в фабрике.

Для первоначального поста по теме SAN, думаю, достаточно. Прошу прощения за разномастные картинки - самому нарисовать на работе пока нет возможности, а дома некогда. Была мысль нарисовать на бумаге и сфотографировать, но решил, что лучше так.

Напоследок, в качестве постскриптума, перечислю базовые рекомендации по проектированию фабрики SAN .

• Проектировать структуру так, чтобы между двумя конечными устройствами было не более трёх коммутаторов.
• Желательно чтобы фабрика состояла не более чем из 31 коммутатора.
• Стоит задавать Domain ID вручную перед вводом нового коммутатора в фабрику - улучшает управляемость и помогает избежать проблем одинаковых Domain ID, в случаях, например, переподключения коммутатора из одной фабрики в другую.
• Иметь несколько равноценных маршрутов между каждым устройством хранения и инициатором.
• В случаях неопределённых требований к производительности исходить из соотношения количества Nx-портов (для конечных устройств) к количеству ISL-портов как 6:1 (рекомендация EMC) или 7:1 (рекомендация Brocade). Данное соотношение называется переподпиской (oversubscription).
• Рекомендации по зонингу:
  - использовать информативные имена зон и зон-сетов;
  - использовать WWPN-зонинг, а не Port-based (основанный на адресах устройств, а не физических портов конкретного коммутатора);
  - каждая зона - один инициатор;
  - чистить фабрику от «мёртвых» зон.
• Иметь резерв свободных портов и кабелей.
• Иметь резерв оборудования (коммутаторы). На уровне сайта - обязательно, возможно на уровне фабрики.

Что это?
Сеть хранения данных , или Storage Area Network - это система, состоящая из собственно устройств хранения данных - дисковых, или RAID - массивов, ленточных библиотек 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 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, то нам дает следующих двух зайцев:
o на полную используем возможности VMWare - например VMotion (миграцию виртуальной машины между физическими) и иже с ними,
o 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.
Поскольку в песочнице комментариев нет, закину в личный блог.

В простейшем случае SAN состоит из СХД , коммутаторов и серверов, объединённых оптическими каналами связи. Помимо непосредственно дисковых СХД в SAN можно подключить дисковые библиотеки, ленточные библиотеки (стримеры), устройства для хранения данных на оптических дисках (CD/DVD и прочие) и др.

Пример высоконадёжной инфраструктуры, в которой серверы включены одновременно в локальную сеть (слева) и в сеть хранения данных (справа). Такая схема обеспечивает доступ к данным, находящимся на СХД, при выходе из строя любого процессорного модуля, коммутатора или пути доступа.

Использование SAN позволяет обеспечить:

• централизованное управление ресурсами серверов и систем хранения данных ;
• подключение новых дисковых массивов и серверов без остановки работы всей системы хранения;
• использование ранее приобретенного оборудования совместно с новыми устройствами хранения данных;
• оперативный и надежный доступ к накопителям данных, находящимся на большом расстоянии от серверов, *без значительных потерь производительности;
• ускорение процесса резервного копирования и восстановления данных - BURA .

История

Развитие сетевых технологий привело к появлению двух сетевых решений для СХД – сетей хранения Storage Area Network (SAN) для обмена данными на уровне блоков, поддерживаемых клиентскими файловыми системами, и серверов для хранения данных на файловом уровне Network Attached Storage (NAS). Чтобы отличать традиционные СХД от сетевых был предложен еще один ретроним – Direct Attached Storage (DAS).

Появлявшиеся на рынке последовательно DAS, SAN и NAS отражают эволюционирующие цепочки связей между приложениями, использующими данные, и байтами на носителе, содержащим эти данные. Когда-то сами программы-приложения читали и писали блоки, затем появились драйверы как часть операционной системы. В современных DAS, SAN и NAS цепочка состоит из трех звеньев: первое звено – создание RAID-массивов, второе – обработка метаданных, позволяющих интерпретировать двоичные данные в виде файлов и записей, и третье – сервисы по предоставлению данных приложению. Они различаются по тому, где и как реализованы эти звенья. В случае с DAS СХД является «голой», она только лишь предоставляет возможность хранения и доступа к данным, а все остальное делается на стороне сервера, начиная с интерфейсов и драйвера. С появлением SAN обеспечение RAID переносится на сторону СХД, все остальное остается так же, как в случае с DAS. А NAS отличается тем, что в СХД переносятся к тому же и метаданные для обеспечения файлового доступа, здесь клиенту остается только лишь поддерживать сервисы данных.

Появление SAN стало возможным после того, как в 1988 году был разработан протокол Fibre Channel (FC) и в 1994 утвержден ANSI как стандарт. Термин Storage Area Network датируется 1999 годом. Со временем FC уступил место Ethernet, и получили распространение сети IP-SAN с подключением по iSCSI.

Идея сетевого сервера хранения NAS принадлежит Брайану Рэнделлу из Университета Ньюкэстла и реализована в машинах на UNIX-сервере в 1983 году. Эта идея оказалась настолько удачной, что была подхвачена множеством компаний, в том числе Novell, IBM , и Sun, но в конечном итоге сменили лидеров NetApp и EMC.

В 1995 Гарт Гибсон развил принципы NAS и создал объектные СХД (Object Storage, OBS). Он начал с того, что разделил все дисковые операции на две группы, в одну вошли выполняемые более часто, такие как чтение и запись, в другую более редкие, такие как операции с именами. Затем он предложил в дополнение к блокам и файлам еще один контейнер, он назвал его объектом.

OBS отличается новым типом интерфейса, его называют объектным. Клиентские сервисы данных взаимодействуют с метаданными по объектному API (Object API). В OBS хранятся не только данные, но еще и поддерживается RAID, хранятся метаданные, относящиеся к объектам и поддерживается объектный интерфейс. DAS, и SAN, и NAS, и OBS сосуществуют во времени, но каждый из типов доступа в большей мере соответствует определенному типу данных и приложений.

Архитектура SAN

Топология сети

SAN является высокоскоростной сетью передачи данных, предназначенной для подключения серверов к устройствам хранения данных. Разнообразные топологии SAN (точка-точка, петля с арбитражной логикой (Arbitrated Loop) и коммутация) замещают традиционные шинные соединения «сервер - устройства хранения» и предоставляют по сравнению с ними большую гибкость, производительность и надежность. В основе концепции SAN лежит возможность соединения любого из серверов с любым устройством хранения данных, работающим по протоколу Fibre Channel . Принцип взаимодействия узлов в SAN c топологиями точка-точка или коммутацией показан на рисунках. В SAN с топологией Arbitrated Loop передача данных осуществляется последовательно от узла к узлу. Для того, чтобы начать передачу данных передающее устройство инициализирует арбитраж за право использования среды передачи данных (отсюда и название топологии – Arbitrated Loop).

Транспортную основу SAN составляет протокол Fibre Channel, использующий как медные, так и волоконно-оптические соединения устройств.

Компоненты SAN

Компоненты SAN подразделяются на следующие:

• Ресурсы хранения данных;
• Устройства, реализующие инфраструктуру SAN;

Host Bus Adaptors

Ресурсы хранения данных

К ресурсам хранения данных относятся дисковые массивы , ленточные накопители и библиотеки с интерфейсом Fibre Channel . Многие свои возможности ресурсы хранения реализуют только будучи включенными в SAN. Так дисковые массивы высшего класса могут осуществлять репликацию данных между масcивами по сетям Fibre Channel, а ленточные библиотеки могут реализовывать перенос данных на ленту прямо с дисковых массивов с интерфейсом Fibre Channel, минуя сеть и серверы (Serverless backup). Наибольшую популярность на рынке приобрели дисковые массивы компаний EMC , Hitachi , IBM , Compaq (семейство Storage Works , доставшееся Compaq от Digital), а из производителей ленточных библиотек следует упомянуть StorageTek , Quantum/ATL , IBM .

Устройства, реализующие инфраструктуру SAN

Устройствами, реализующими инфраструктуру SAN, являются коммутаторы Fibre Channel (Fibre Channel switches , FC switches),концентраторы (Fibre Channel Hub) и маршрутизаторы (Fibre Channel-SCSI routers).Концентраторы используются для объединения устройств, работающих в режиме Fibre Channel Arbitrated Loop (FC_AL). Применение концентраторов позволяет подключать и отключать устройства в петле без остановки системы, поскольку концентратор автоматически замыкает петлю в случае отключения устройства и автоматически размыкает петлю, если к нему было подключено новое устройство. Каждое изменение петли сопровождается сложным процессом её инициализации . Процесс инициализации многоступенчатый, и до его окончания обмен данными в петле невозможен.

Все современные SAN построены на коммутаторах, позволяющих реализовать полноценное сетевое соединение. Коммутаторы могут не только соединять устройства Fibre Channel , но и разграничивать доступ между устройствами, для чего на коммутаторах создаются так называемые зоны. Устройства, помещенные в разные зоны, не могут обмениваться информацией друг с другом. Количество портов в SAN можно увеличивать, соединяя коммутаторы друг с другом. Группа связанных коммутаторов носит название Fibre Channel Fabric или просто Fabric. Связи между коммутаторами называют Interswitch Links или сокращенно ISL.

Программное обеспечение

Программное обеспечение позволяет реализовать резервирование путей доступа серверов к дисковым массивам и динамическое распределение нагрузки между путями. Для большинства дисковых массивов существует простой способ определить, что порты, доступные через разные контроллеры , относятся к одному диску. Специализированное программное обеспечение поддерживает таблицу путей доступа к устройствам и обеспечивает отключение путей в случае аварии, динамическое подключение новых путей и распределение нагрузки между ними. Как правило, изготовители дисковых массивов предлагают специализированное программное обеспечение такого типа для своих массивов. Компания VERITAS Software производит программное обеспечение VERITAS Volume Manager , предназначенное для организации логических дисковых томов из физических дисков и обеспечивающее резервирование путей доступа к дискам, а также распределение нагрузки между ними для большинства известных дисковых массивов.

Используемые протоколы

В сетях хранения данных используются низкоуровневые протоколы:

• Fibre Channel Protocol (FCP), транспорт SCSI через Fibre Channel. Наиболее часто используемый на данный момент протокол . Существует в вариантах 1 Gbit/s, 2 Gbit/s, 4 Gbit/s, 8 Gbit/s и 10 Gbit/s.
• iSCSI , транспорт SCSI через TCP/IP .
• FCoE , транспортировка FCP/SCSI поверх "чистого" Ethernet.
• FCIP и iFCP , инкапсуляция и передача FCP/SCSI в пакетах IP.
• HyperSCSI , транспорт SCSI через Ethernet .
• FICON транспорт через Fibre Channel (используется только мейнфреймами).
• ATA over Ethernet , транспорт ATA через Ethernet.
• SCSI и/или TCP/IP транспорт через InfiniBand (IB).

Преимущества

• Высокая надёжность доступа к данным, находящимся на внешних системах хранения. Независимость топологии SAN от используемых СХД и серверов.
• Централизованное хранение данных (надёжность, безопасность).
• Удобное централизованное управление коммутацией и данными.
• Перенос интенсивного трафика ввода-вывода в отдельную сеть – разгрузка LAN.
• Высокое быстродействие и низкая латентность.
• Масштабируемость и гибкость логической структуры SAN
• Географические размеры SAN, в отличие от классических DAS, практически не ограничены.
• Возможность оперативно распределять ресурсы между серверами.
• Возможность строить отказоустойчивые кластерные решения без дополнительных затрат на базе имеющейся SAN.
• Простая схема резервного копирования – все данные находятся в одном месте.
• Наличие дополнительных возможностей и сервисов (снапшоты, удаленная репликация).
• Высокая степень безопасности SAN.

Совместное использование систем хранения как правило упрощает администрирование и добавляет изрядную гибкость, поскольку кабели и дисковые массивы не нужно физически транспортировать и перекоммутировать от одного сервера к другому.

Другим приемуществом является возможность загружать сервера прямо из сети хранения. При такой конфигурации можно быстро и легко заменить сбойный

7 Структурные элементы SAN

В предыдущих разделах приведен обзор топологий и протокола Fibre Channel. Теперь рассмотрим различные устройства и компоненты, которые используются для создания сетей хранения данных Fibre Channel. К основным структурным элементам SAN относятся:

■ адаптеры шины;

■ кабели Fibre Channel;

■ разъемы;

■ устройства подключения, в число которых входят концентраторы, коммутаторы и коммутаторы связной архитектуры.

Обратите внимание, что все адресуемые компоненты в пределах сети хранения данных на основе Fibre Channel имеют уникальные имена WWN (World Wide Names), которые представляют собой аналоги уникальных адресов MAC. Имя WWN в спецификации Fibre Channel - это 64-разрядное число, записываемое в виде XX: XX: XX: XX: XX: XX: XX: XX. Институт IEEE назначает каждому производителю определенный диапазон адресов. Производитель отвечает за уникальное выделение назначенных адресов.

7.1 Адаптеры шины

Адаптер шины (host bus adapter - НВА ) подключается к компьютеру и обеспечивает взаимодействие с устройствами хранения данных. В мире персональных компьютеров под управлением Windows адаптеры шины обычно подключаются к шине PCI и могут предоставлять подключение для устройств IDE, SCSI и Fibre Channel. Адаптеры шины работают под управлением драйвера устройства, т.е. драйвера мини-порта SCSIPort или Storport.
При инициализации порт адаптера шины регистрируется на коммутаторе связной архитектуры (если таковой доступен) и регистрирует хранящиеся на нем атрибуты. Атрибуты доступны приложениям с помощью API от производителя коммутатора или адаптера шины. Ассоциация SNIA (Storage Networking Industry Association) pa6oтaeт над стандартизированным API, поддерживающим различные API производителей.
Для сети хранения данных, к которой выдвигаются серьезные требования по отказоустойчивости, некоторые производители адаптеров шины предоставляют дополнительные возможности, например автоматическое переключение на другой адаптер шины при отказе в работе основного.
В кольце с разделением доступа только два устройства могут одновременно осуществлять прием и передачу данных. Предположим, что одно из них - это адаптер шины, подключенный к узлу и получающий данные от устройства хранения. Но, если этот адаптер подключен к сети хранения данных на основе коммутируемой связной архитектуры, он может одновременно отправлять несколько запросов на чтение нескольким устройствам хранения.

Ответы на эти запросы могут приходить в любом порядке. Обычно коммутатор связной архитектуры предоставляет службу циклического обслуживания для портов, что еще более усложняет задачу адаптера шины; в этом случае порядок поступления пакетов окажется таким, что каждый следующий пакет будет приходить от другого источника.
Адаптеры шины позволяют решить эту проблему одним из двух способов. Первая стратегия, которая называется сохранить и отсортировать, подразумевает хранение данных в памяти узла с последующей сортировкой буферов за счет центрального процессора. Очевидно, что это неэффективный подход с точки зрения центрального процессора и общая нагрузка связана с переключением контекста каждые несколько десятков микросекунд. Другая стратегия - на лету - подразумевает использование дополнительной системной логики и микросхем на самом адаптере шины, что позволяет осуществлять переключение контекста без использования циклов центрального процессора. Обычно время между переключениями контекста при использовании такой стратегии составляет несколько секунд.
Одно резервирование позволяет отправить один кадр Fibre Channel. Перед отправкой следующего кадра отправитель должен получить сигнал Receiver Ready . Для эффективного использования канала Fibre Channel необходимо одновременно передавать несколько кадров, что потребует несколько резервирований, следовательно, понадобится больший объем памяти для принятия кадров. Некоторые адаптеры шины имеют четыре буфера размером 1 Кбайт и два буфера по 2 Кбайт, хотя на некоторых высокоуровневых адаптерах устанавливается 128 и 256 Кбайт для резервирования буфера. Обратите внимание, что для этой памяти обычно требуется два порта; т.е. когда одна область памяти принимает данные от SAN Fibre Channel, остальные области памяти могут передавать данные шине PCI узла.
Кроме того, адаптеры шины играют роль в обеспечении-отказоустойчивости и в архитектуре с аварийным восстановлением данных, в которой предоставляется несколько маршрутов ввода-вывода к одному устройству хранения данных.

7.1.1 Операционная система Windows и адаптеры шины

В Windows NT и Windows 2000 адаптеры Fibre Channel рассматриваются как устройства SCSI, а драйверы создаются в виде драйверов мини-портов SCSI. Проблема состоит в том, что драйвер SCSIPort устарел и не поддерживает возможности, предоставляемые новыми устройствами SCSI, не говоря уже об устройствах Fibre Channel. Поэтому в Windows Server 2003 была введена новая модель драйвера Storport, которая должна заменить модель SCSIPort, особенно для устройств SCSI-3 и Fibre Channel. Обратите внимание, что диски Fibre Channel используются Windows в качестве DAS - устройств, что обеспечивается уровнем абстракции, предоставляемым драйверами SCSIPort и Storport.

7.1.2 Двойные маршруты

Иногда необходима повышенная производительность и надежность, даже за счет увеличения стоимости готового решения. В таких случаях сервер подключается к двухпортовым дискам через несколько адаптеров шины и несколько независимых сетей хранения данных Fibre Channel. Основная идея - исключить единую точку отказа в работе сети. Кроме того, в те моменты, когда система работает нормально, несколько маршрутов могут использоваться для балансировки нагрузки и повышения производительности.

7.2 Типы кабелей Fibre Channel

В основном используется два типа кабелей: оптические и медные. Ниже перечислены основные преимущества и недостатки кабелей.

■ Медные кабели дешевле оптических.

■ Оптические кабели поддерживают более высокие скорости передачи данных по сравнению с медными кабелями.

■ Медный кабель может использоваться на меньшем расстоянии, до 30 метров. При этом оптический кабель может использоваться на расстоянии до 2 километров (многомодовый кабель) или до 10 километров (одномодовый кабель).

■ Медный кабель более восприимчив к электромагнитным помехам и взаимному влиянию других кабелей.

■ Оптические данные обычно должны быть преобразованы в электрические сигналы для передачи через коммутатор и обратно в оптическую форму для дальнейшей передачи.
Существует только один тип медного кабеля, в отличие от оптического, который представлен двумя видами: многомодовым и одномодовым.
На коротких дистанциях используется многомодовый кабель, который имеет сердцевину диаметром 50 или 62,5 микрона (микрон - микрометр, или одна миллионная часть метра.) Световая волна, которая используется в многомодовом кабеле, имеет длину 780 нанометров, что не поддерживается в одномодовых кабелях. Для больших расстояний предназначен одномодовый кабель, диаметр сердцевины которого составляет 9 микрон. В одномодовом кабеле используется световой луч с длиной волны в 1300 нанометров. Несмотря на тематику этой главы (интерфейс Fibre Channel), стоит упомянуть, что такие кабели могут использоваться для построения сетей на основе других интерфейсов, например Gigabit Ethernet.

7.3 Разъемы

Поскольку интерфейсом Fibre Channel поддерживается несколько типов кабелей (и технологий передачи данных), устройства (например, адаптеры шины, устройства взаимодействия и хранения данных) выпускаются с разъемами, которые поддерживают подключение к передающей среде, что делается для снижения общих затрат. Существует несколько видов разъемов, предназначенных для различных передающих сред и интерфейсов.

■ Конверторы интерфейса Gigabit (Gigabit interface converters - GBIC) поддерживают последовательную и параллельную трансляцию передаваемых данных. Конверторы GBIC предоставляют возможность "горячего" подключения, т.е. включение/выключение GBIC не влияет на работу других портов. Конверторами используется 20-битовый параллельный интерфейс.

■ Модули линий Gigabit (Gigabit link modules - GLM) предоставляют функции, аналогичные GBIC, но для своей установки требуют отключения устройства. С другой стороны, они несколько дешевле, чем GBIC.

■ Адаптеры интерфейса носителя (Media Interface Adapters) используются для преобразования сигналов между медным и оптическим носителем и наоборот. Адаптеры интерфейса носителя обычно используются в адаптерах шины, но могут применяться и на коммутаторах и концентраторах.

■ Адаптеры малого формфактора (Small Form Factor Adapters - SFF) позволяют размещать большее количество разъемов различных интерфейсов на плате определенного размера.

7.4 Устройства взаимодействия

Устройства взаимодействия соединяют между собой компоненты сетей хранения данных. К ним относятся различные устройства, начиная от дешевых концентраторов Fibre Channel и заканчивая дорогими, высокопроизводительными и управляемыми коммутаторами связной архитектуры.

7.4.1 Концентраторы кольца Fibre Channel с разделением доступа

Концентраторы FC-AL представляют собой бюджетный вариант для подключения нескольких узлов Fibre Channel (устройств хранения данных, серверов, компьютерных систем, других концентраторов и коммутаторов) в кольцевую конфигурацию. Обычно в концентраторах предоставляется от 8 до 16 портов. Концентратор может поддерживать различные среды передачи, например медные или оптические.
Концентраторы Fibre Channel - это пассивные устройства, т.е. любое другое устройство в кольце не может обнаружить их присутствия. Концентраторы обеспечивают следующие возможности:

■ внутренние соединения, которые позволяют любому порту подключаться к любому другому порту;

■ возможность обхода порта, к которому подключено неправильно работающее устройство.
Самая большая проблема в работе портов связана с тем, что в текущий момент времени они могут поддерживать только одно подключение Fibre Channel. На рисунке показано, что, если порт 1 получил управление для установки сеанса с портом 8, ни один другой порт не сможет передавать данные, пока установленный сеанс не завершится.
Концентраторы могут быть подключены к коммутаторам связной архитектуры Fibre Channel без модификации. Кроме того, можно создавать каскад концентраторов, соединив два концентратора кабелем.
Концентраторы FC-AL занимают лидирующее положение на рынке Fibre Channel, но в процессе снижения стоимости коммутаторы связной архитектуры Fibre Channel становятся все более популярными.
Концентраторы FC-AL создаются такими компаниями, как Gadzoox Networks, Emulex и Brocade.

7.4.2 Коммутаторы кольца Fibre Channel с разделением доступа

Самое значительное преимущество коммутаторов FC-AL перед концентраторами состоит в одновременной поддержке нескольких подключений, тогда как концентраторы поддерживают только одно подключение в текущий момент времени.

Рис. Концентратор Fibre Channel

Возможность одновременной поддержки нескольких подключений связана с определенными сложностями. Устройства, подключенные к коммутатору кольца, даже не "подозревают" о своей роли. Коммутаторы кольца участвуют как в передаче данных, так и в адресации кольца. Ниже приводится дополнительная информация по этому вопросу, а также рассматривается роль коммутаторов в сетях хранения данных и методы, с помощью которых поставщики добавляют новые функции к своим продуктам.

Рис.Коммутатор Fibre Channel

Коммутаторы кольца и передача данных

Сервер, который намерен получить доступ к устройству хранения данных, должен отправить арбитражный запрос на управление кольцом. В нормальном кольце FC-AL на базе концентратора каждое устройство получает арбитражный пакет до его возвращения адаптеру шины сервера, благодаря чему сервер получает контроль над кольцом. Коммутатор кольца отправит ответ об успешном получении управления немедленно, не отправляя запросы другим узлам. На этом этапе адаптер шины отправит базовый пакет Open предназначенный для порта устройства хранения, который будет передан коммутатором кольца. Если порт в это время не выполняет передачи данных, особых проблем не должно возникнуть. В противном случае возможно появление конфликтных ситуаций. Для решения этой проблемы коммутатор кольца должен предоставить буфера для временного хранения кадров предназначенных для порта 7. Некоторые поставщики коммутаторов предоставляют для этих целей 32 буфера на каждый порт.

Коммутаторы кольца и адресация FC-AL

Концентраторы FC-AL не играют роли в назначении адресов устройствам а только передают базовые кадры адресов по кольцу. То же можно сказать и о большинстве коммутаторов. Однако некоторые устройства могут настаивать на получении определенного адреса. Некоторые концентраторы имеют возможность управлять порядком инициализации портов, что позволяет определенному порту инициализироваться первому, после чего устройство будет подключено к требующемуся порту.

Коммутаторы и инициализация кольца

Протокол FC-AL требует повторной инициализации кольца при подключении, отключении или повторной инициализации устройства. Такая инициализация кольца может привести к нарушению существующей связи между другими двумя устройствами. Некоторые производители коммутаторов предоставляют возможность выборочно экранировать и передавать пакеты LIP (Loop Initialization Primitives). Эта операция предназначена для минимизации проблем, сокращения времени повторной инициализации кольца и по возможности сохранения существующих сеансов передачи данных. В то же время необходимо обеспечить уникальность адресов устройств.
Если все устройства принимают участие в повторной инициализации кольца, дублирования адресов не происходит, так как устройства "защищают" свои адреса. Но, если некоторые устройства не принимают участия в повторной инициализации кольца, необходимо предотвратить назначение уже распределенных адресов устройствам, принимающим участие в повторной инициализации кольца. Уникальность адресов обеспечивается дополнительной логикой коммутатора кольца. При добавлении устройства хранения пакет LIP должен быть отправлен на сервер, однако LIP не требуется передавать устройствам хранения, которые никогда не устанавливают связь с другими устройствами хранения данных.
Некоторые устройства хранения могут устанавливать связь непосредственно с другими устройствами хранения, что используется для резервного копирования данных.

Коммутаторы кольца и связная архитектура

Если все устройства в кольце "знают" о связной архитектуре, коммутатор кольца передает обычным образом необходимые кадры, например кадры Fabric Login Если устройства в кольце не поддерживают связную архитектуру, коммутатор кольца должен самостоятельно выполнять достаточно большой
объем работы.
Коммутаторы кольца некоторых поставщиков не поддерживают каскадирование. Кроме того, некоторым коммутаторам кольца требуется обновление прошивки перед подключением к коммутаторам связной архитектуры. Ряд коммутаторов следует модернизировать для полной поддержки связной архитектуры перед их подключением к SAN.
Коммутаторы FC-AL производятся такими компаниями, как Brocade, McDATA, Gadzoox Networks, Vixel и QLogic.

7.4.3 Коммутаторы связной архитектуры Fibre Channel

Коммутаторы связной архитектуры Fibre Channel (Fibre Channel Fabric Switches - FC-SW) обеспечивают несколько выскоскоростных сеансов связи одновременно со всеми устройствами. На данный момент основные коммутаторы поддерживают быстродействие порядка 1 Гбит/с, в то время как скорость в 2 Гбит/с также перестает быть диковинкой. В основном коммутаторы связной архитектуры в пересчете на один порт стоят дороже чем концентраторы и коммутаторы FC-AL, но они предоставляют намного больше функциональных возможностей.
Коммутаторы связной архитектуры более эффективны в сравнении с концентраторами и коммутаторами FC-AL. Например, коммутаторы предоставляют специальные службы, описанные выше, обеспечивают управление потоком с помощью базовых пакетов управления, а также, что гораздо важнее, некоторые коммутаторы способны эмулировать функции FC-AL для обеспечения обратной совместимости с более старыми устройствами.
Некоторые коммутаторы связной архитектуры поддерживают маршрутизацию без буферизации. Суть ее в том, что при получении заголовка кадра коммутатор быстро находит заголовок трчки назначения, пока кадр все еще принимается. Преимущество такого подхода - снижение задержек при доставке кадра и отсутствие необходимости хранения содержимого кадра в памяти буфера. А недостаток заключается в немедленной передаче всех кадров, включая поврежденные.
Коммутаторы связной архитектуры играют важную роль в безопасности сетей хранения данных на основе Fibre Channel.

7.4.4 Сравнение трех устройств подключения

В таблице.приведены функциональные возможности и различия между тремя типами устройств Fibre Channel.

7.4.5 Мосты и маршрутизаторы

Как в этой главе, так и во всей статье термины мосты (bridges) и маршрутизаторы (routers) не относятся к традиционным мостам Ethernet и маршрутизаторам IP. В данном случае под мостами и маршрутизаторами подразумеваются устройства для Fibre Channel, а не для сетевых протоколов 2-го и 3-го уровней.
Мосты - это устройства, обеспечивающие взаимодействие между Fibre Channel и устаревшими протоколами, например SCSI. Мосты Fibre Channel-SCSI позволяют сохранить существующие инвестиции в устройства хранения SCSI. Такие мосты поддерживают интерфейсы SCSI и Fibre Channel и преобразуют данные двух протоколов. Таким образом, новый сервер с установленным адаптером шины Fibre Channel может получить доступ к существующим устройствам хранения SCSI. Мосты предоставляют интерфейс между параллельной шиной SCSI и интерфейсом Fibre Channel. Маршрутизаторы обладают аналогичными возможностями, но для нескольких шин SCSI и интерфейсов Fibre Channel. Маршрутизаторы систем хранения данных, или "интеллектуальные" мосты, предоставляют такие дополнительные возможности, как маскировка и отображение LUN, а также поддерживают команды SCSI Extended Copy. В качестве устройств, передающих данные, маршрутизаторы применяют команды Extended Copy для использования библиотеками хранения, что позволяет копировать данные между указанным целевым устройством и подключенной библиотекой. Эта функция также называется независимым резервным копированием (без сервера).
В качестве примера производителей маршрутизаторов и мостов можно привести такие компании, как Crossroads Systems, Chaparral Network Storage, Advanced Digital Information Corporation (ADIC после приобретения Path-light) и MTI.