学文网摘要：随着Internet和网络技术的飞速发展，现代信息系统的数据呈爆炸式增长，数据的安全性和作业的连续性较之硬件设备本身更加重要，高速数据访问和平滑简单的扩容要求日益迫切。以前的存储技术只是将存储设备作为服务器的一个附属设备，服务器之间的大容量数据交换只能依赖传统的网络，在速度，安全性，跨平台共享，无限扩容等方面都无法适应IT技术发展的要求。SAN技术就是在这种情况下应运而生的。
关键词：网络附加存储；存储区域网络；光纤通道；ISCSI；CIFS；FC-SAN；IP-SAN
中***分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)26-6326-03
SAN Storage Technology Overview
LU Lin-lin1, TONG Ben-shang2
(1.Software College, Dalian University of Foreign Language, Dalian 116044, China;2. Agricultural Bank of China, Beijing 100073, China)
Abstract: With the rapid development of internet and network technology, the data of modern information systems grows in explosion way. Data security and continuity of operations is more important than the hardware itself, the demand of high-speed data access and smooth simple expansion becomes urgent day by day. The previous storage technology just treat storage device as appendant equipment of the server, large volume data exchange between servers can only rely on traditional network, it can't adapt to the development of IT technology in terms of speed, security, cross-platform sharing, unlimited expansion, etc. SAN technology is born in this case.
Key words: network attached storage; storage area network; fiber channel; ISCSI; CIFS; FC-SAN; IP-SAN
随着计算机技术的发展和广泛应用，存储技术已经得到了业界和各个应用领域专业人士的重视。数据量的迅速增长为企业的发展提出了新的问题，如何确保数据的一致性、安全性和可靠性，如何实现不同数据的集中管理，如何实现网络上的数据集中访问，如何实现不同主机类型的数据访问和保护等。所有这些都呼唤着新的网络存储技术及其产品的出现。
存储技术经过多年的发展，目前存在三种较为流行的形式，即直接附加存储(DAS，Direct Attached Storage)，网络附加存储(NAS，Network Attached Storage)和存储区域网络(SAN，Storage Area Network)。
1 SAN存储技术
存储区域网络(SAN)是通过专用高速网将一个或多个网络存储设备和服务器连接起来的专用存储系统，未来的信息存储将以SAN存储方式为主。SAN通常由两部分组成: 存储系统和一个逻辑上***的网络。存储系统包括磁盘存储、磁带库和SAN管理软件。网络包括适配器、布线和交换机。
1.1 SAN特点
SAN是一种以光纤通道(Fiber Channel, FC) 实现服务器和存储设备之间通讯的网络结构(如果SAN是基于TCP/IP的网络，则通过iSCSI技术，实现IP-SAN网络)。 SAN的核心是FC，其中的服务器和存储系统各自***，地位平等，通过高带宽(传输速率为80OMb/s，双全工时可达16Gb/s)FC集线器或FC交换机相连，可避免大流量数据传输时发生阻塞和冲突。各个应用工作站通过局域网访问服务器，在各存储设备之间交换数据时可以不通过服务器，这样就大大减轻了服务器承受的压力。
SAN具有出色的可扩展性。传统的服务器连接存储通常难于更新或集中管理，每台服务器必须关闭才能增加和配置新的存储。相比较而言，SAN不必关机和中断与服务器的连接即可增加存储。
SAN可以更好地控制存储网络环境，适合那些基于交易的系统在性能和可用性方面的需求。SAN利用高可靠和高性能的光纤通道协议来满足这种需要。
SAN存储技术已经渐入人心。SAN可以取代基于服务器的存储模式，性能更加优越。然而，互操作性仍是实施过程中存在的主要问题。SAN本身缺乏标准，尤其是在管理上更是如此。虽然光纤通道技术标准的确存在，但各家厂商却有不同的解释。
1.2 SAN与NAS区别
NAS是在RAID的基础上增加了存储操作系统，而SAN是***出一个数据存储网络，网络内部的数据传输率很快，但操作系统仍停留在服务器端，用户不是在直接访问SAN的网络，因此这就造成SAN在异构环境下不能实现文件共享。SAN是只能独享的数据存储池，NAS是共享与独享兼顾的数据存储池。而NAS则是每个应用服务器通过网络共享协议（如：NFS、CIFS）使用同一个文件管理系统。换句话说：NAS和SAN存储系统的区别是NAS有自己的文件系统管理。NAS是将目光集中在应用、用户和文件以及它们共享的数据上。SAN是将目光集中在磁盘、磁带以及联接它们的可靠的基础结构。
SAN和NAS经常被视为两种竞争技术，实际上，二者还能够很好地相互补充，以提供对不同类型数据的访问。SAN针对海量、面向数据块的数据传输，而NAS则提供文件级的数据访问功能。SAN已经渐渐与NAS环境相结合，以提供用于NAS设备的高性能海量存储。事实上，许多SAN目前都用于NAS设备的后台，满足存储扩展性和备份的需要。
2 SAN类型
SAN存储网络依据组成架构主要分为两种，即FC-SAN和IP-SAN。
2.1 FC-SAN
FC-SAN在架构上通常以光纤作为传输媒介，因此具有传输速度快、可靠性高、传输距离远等特点。目前，光纤通道的传输速度已经达到4Gb/S 。***1是典型的FC-SAN结构。显然，这种SAN以处理数据的多种服务器为中心，存在两张网，一张是面对应用（Client/Server架构、Browser /Web server架构）。另一张是存储网（由主机中的FC HBA卡、FC交换机及存储设备三层结构组成的SAN），它专门解决主机系统对磁盘的块级（Block-Level）存储数据调用。NAS未建立***的存储网，只能解决对文件级的调用。只有SAN才能支持数据库的块级调用。
尽管FC-SAN有许多优势。但是，它仍然存在许多问题，首先是设备的兼容性问题，由于标准的不统一，各个FCSAN产品的生产厂家所生产的设备不兼容。其次，FC协议在距离上的限制使得FC-SAN网络形成了一个个“数据孤岛”，无法实现数据的广泛共享，同时FC-SAN的构建复杂，所用的基于光纤通道协议的交换机、集线器等网络互连设备价格非常昂贵。
2.2 IP-SAN
IP-SAN存储技术是一种封装串行SCSI实现在IP网络中传输的存储区域网络技术，利用IP存储网络技术，企业能够建立本地数据中心，能够实现数据备份和远程容灾。IP存储区域网络技术主要包括从FC存储区域网络到IP存储区域网络的过渡技术。目前IP存储网络技术主要有三种技术FCIP(Fiber Channel over IP)技术、iFCP(Internet Fiber Channel Protocol)技术和iSCSI(Internet SCSI)技术。
FCIP协议的原理是将FC帧封装到IP数据包中，使得FC数据包可以在IP网络
中传送，在封装后的IP数据包中同时保存了两种地址:FC地址和IP地址，由于保留了FC协议，这种技术适合用于远距离的孤立的FC-SAN之间的互连，没有涉及到单个FC-SAN的本地构建技术。本地的FC-SAN仍采用FC技术，内部不做任何特殊的配置，只在出口处安装1台FCIP的路由器即可， 不用单独布线，极大地降低了成本。iFCP是一种网关协议，它将对FC帧进行协议转换，对FC数据包解析，剥离FC协议后，在得到的纯数据上加入TCP/IP协议。然后在IP网络中传输，在iFCP中只有一种地址，即IP地址，这种协议可以使FC-SAN得到IP地址，实现FC-SAN到IP存储网络的无缝连接。iSCSI协议基本构架是在SCSI的数据包上加上TCP/IP协议，iSCSI使用TCP中定义的流量拥塞控制和分段机制，并且依赖IP的设备发现和寻址机制。由于加入了TCP/IP协议iSCSI协议可以使SCSI数据包在普通的IP网络上实现直接、透明传输，iSCSI协议它整合了现有的存储协议SCSI和网络协议TCP/IP两种主流协议，实现了存储和网络的无缝融合，iSCSI协议与FC协议没有任何联系，该协议的最终目的是取代FC协议在SAN中的位置。在这些基于IP的互联技术中，最典型的是iSCSI技术， iSCSI的实现方式目前有如下三种:
1) 纯软件方式
采用普通的以太网卡，iSCSI和TCP/IP协议功能层都由主机CPU完成，这种方式的硬件成本最低，但大大增加了主机CPU的运行开销，造成主机系统性能的下降，严重时还可能使主机成为系统的瓶颈。
2) 智能iSCSI网卡实现方式
采用特定的智能网卡，iSCSI层的功能由主机来完成，而TCP/IP协议功能由网卡来完成，这种方式部分降低了主机CPU的运行开销。
3) SCSI HBA卡实现方式
采用主机总线适配器的方式，iSCSI和TCP/IP协议功能均由该主机总线适配器来完成，对主机的CPU需求最少。
2.3 FC-SAN与IP-SAN对比
1) 存储设备的结构对比
一般来说IP-SAN存储设备的磁盘控制器不是采用FC-SAN存储设备中的硬件RAID芯片+中央处理器的结构，而是采用每个磁盘柜中分为多个磁盘组，而每个磁盘组由一个微处理芯片控制所有的磁盘RAID操作(采用软件计算，效率较低)和RAID组的管理操作。每一次磁盘I/O操作都将经过IP-SAN存储内置的一个类似交换机的设备从前端众多的主机端口中读取或者写入数据， 而这些操作都是基于IP交换协议，其协议本身就要求每一个微处理芯片工作时需要大容量的缓存来支持数据包队列的排队操作，所以一般我们看到的IP-SAN 存储都具有几十GB的缓存。因为在具有海量存储的时候，不可能所有的数据均载入到系统缓存中，这个时候就需要大量的磁盘I/O操作来查找数据，而且还要进行数据格式转化，如iSCSI数据向ATA格式数据转化。也就是说IP-SAN存储存在一个缓存Cache到磁盘的数据I/O和数据处理瓶颈。
采用FC磁盘的FC-SAN存储设备就不存在这样的问题。通过2条甚至4条冗余的后端光纤磁盘通道，可以获得一个非常高的磁盘读写带宽，而且FC的磁盘读写协议不存在一个数据格式转换的问题，因为他们内部采用的都是SCSI协议传输，避免了效率的损失。而且FC-SAN存储设备由于光纤交换和数据传输的高效性，并不需要很大的缓存就能够获得一个好的数据命中率和读写性能，一般2Gb或者4Gb即可满足要求。另外由于具备专门的硬件RAID校验控制芯片，所以磁盘RAID性能将比软件RAID性能好很多，并且可靠性更好。
2) 连接拓扑结构对比
FC-SAN中存在着其灵活的连接方式，可根据不通的应用需求而选择不同的连接拓扑，其主要连接方式有点对点，仲裁环和全交换。
仲裁环：允许两台以上的设备通过一个共享带宽进行通信与交流，在此拓扑结构中，任意一个进程的创建者在发送一段报文之前，都将首先与传输介质就如何存取信息达成协议，因此所有设备均能通过仲裁协议实现对通信介质的有序访问。
全交换：通过链路层交换提供及时、多路的点对点的连接。通过专用、高性能的光纤通道交换机进行连接，同时可进行多对设备之间点对点的通信，从而使整个系统的带宽随着设备增多而相应增大，在增多的同时丝毫不影响这个系统的性能。
在IP-SAN 中基于以太网的数据传输与存取中，虽然在物理上可体现为总线或者星型连接，但其实质为带冲突检测多路载波侦听(C***A/CD)方式进行广播式数据传输的总线拓扑，因此随着负载以及网络中通信客户端的增加，其实际效率会随着相应的降低。
3) 网络设备及传输介质对比
FC-SAN使用专用光纤通道设备。在链路中使用光纤介质，不仅完全可以避免因传输过程中各种电磁干扰，而且可以有效达到远距离的I/O通道连接。在FC-SAN 中所使用的核心交换设备光纤交换机均带具有高可靠性及高性能的ASIC芯片设计，使整个处理过程完全基于硬件级别的高效处理。同样在连接至主机的HBA设计中，绝大多数操作***处理，完全不耗费主机处理资源。
IP-SAN使用通用的IP网络及设备。在传输介质中使用铜缆、双绞线、光纤等介质进行信号的传输，但在普通的廉价介质存在信号衰减严重等缺点，而使用光纤也同样需要特有的光电转换设备等。在IP网络中，
可借助IP路由器进行传输,但根据其距离远
近，会产生相应的传输延迟。核心使用各种性能的网络交换机，受传输协议本身的限制，其实际处理效率不高。在主机端通常使用廉价的各种速率的网卡，大量耗费主机的应用处理资源。
4) 响应的并发操作能力对比
相对于IP-SAN，FC-SAN可以承接更多的并发访问用户数。当并发访问存储的用户数不多的情况时，FC-SAN与IP-SAN二者性能相差无几。但一旦当外接用户数呈大规模增长趋势时，FC-SAN就显示出其在稳定、安全、以及高性能传输率等方面的优势。
除此之外， FC-SAN在设备的稳定性、可扩展性方面比IP-SAN有优势。但是FC-SAN是贵族产品，设备昂贵,构建复杂，中小企业望而却步。 IP-SAN设备便宜，实施过程简单，一般能提供较好的服务。因为是基于IP网络的存储系统，所以数据迁移和远程镜像非常容易，只要网络带宽支持，基本没有距离限制，更好的支持异地容灾，支持跨平台数据共享。FC SAN与IP SAN各具特色，究竟如何选择，主要看企业的实际需求。
参考文献：
[1] Richard Barker,Paul Massiglia.存储区域网络精华--深入理解SAN[M].舒继武,译.北京:电子工业出版社,2004.
[2] 李斯伟.基于IP的SAN存储技术研究[J].电讯技术,2004,3.
[3] W.Curtis Preston.使用SAN与NAS[M].邓劲生,译.北京:中国电力出版社,2003.