网络存储关键技术及其应用

网络存储关键技术及其应用

摘要：在数据信息呈指数增长的时代，数据存储始终扮演着至关重要的角色。从最早的穿孔卡片到现在普及的U盘和充满潜力的云存储，随着计算机技术和网络技术的发展，数据存储的方式和架构也在不断更新迭代。在互联网时代，可靠的大数据加上坚实的网络平台和框架正帮助各行各业迈向工业革命4.0的同时加速工业互联网的建设，尤其是健康领域的工业互联网。本文将介绍并比较DAS、NAS和SAN三种主流存储技术，并简单介绍医学检验实验室基于NAS技术在网络存储的应用。

关键词：网络存储技术；NAS；DAS；SAN

大数据时代，网络存储发挥着无法比拟的作用。工业网驱动了第四次工业革命[1]，而中国具有全产业链条工业体系，是世界上唯一一个联合国认证、具备完善39大类工业体系的国家[2]。大数据与工业互联网相辅相成、齐头并进，那么网络存储作为数据与网络结合产物也推进大数据与工业互联网产业的蓬勃发展，应用先进网络存储技术推进医疗大数据与健康工业互联网的发展也是趋势。

1.网络存储技术概述

目前存储系统可以分为封闭系统和开放系统两类。现如今，开放系统中的外挂系统被广大用户所采用，它可以分为直连式存储（DAS）和网络存储（FAS）两大类；FAS中又包括网络接入存储（NAS）和存储区域网络（SAN）[3]。它们在连接方式、架构和特性等方面都存在一定差别，应用场景也有所不同。

2.三种关键存储技术介绍

以上三类存储方式随着科学技术的发展从DAS到NAS再到SAN，各有所长，以各自的优势满足不同单位信息化的需求，具体特点如下：

2.1直连式存储（Direct Attached Storage）

直连式存储简称DAS，该技术由来最久，最早可以追溯到80年代。该方式是将存储设备通常直接连接到服务器，然而因为存储设备不带有操作系统，所以DAS的文件系统位于服务器端，客户端访问存储资源时都必须经过服务器[4]。在DAS架构下，请求命令由客户端发送给服务器，服务器在查询缓冲区和存储区后向客户端给予反馈信息。由于连接在服务器各个节点上的存储设备相互独立，导致DAS架构下存储的数据不具有集中性，分散的存储方式难以实现文档共享。

DAS的直接连接方式架构简单，只需要增加存储设备就能够达到容量扩展的目的，建设和维护的成本较低，难度较小。但是，由于存储设备独立分散，不同服务器连接的存储设备无法实现数据共享，在多台存储设备都进行重复存储，及其浪费存储空间。分散的架构对系统的拓展性和管理性也造成了影响，新增服务器需要单独配置存储设备，无法对所有设备进行统一集中的管理。此外，由于DAS存储对服务器的高度依赖，其I/O操作和管理备份工作都要在服务器上实现，这无形中增加了服务器的工作量，在面对更庞大的数据量时，服务器的相应性能会受到影响。基于以上特点和局限性，DAS存储通常应用于连接距离短、数据存储要求较小的单机或双机环境，比如一些中小型企业。

2.2网络附加存储（Network Attached Storage）

网络附加存储是基于IP协议的文件级数据存储，简称为NAS。随着技术的发展，到了20世纪90年代以后，NAS逐步取代DAS。NAS配备的网络文件系统可以外提供文件访问服务，存储设备通过以太网、频分双工等网络拓扑结构连接到计算机上。NAS设备以数据为中心，该结构可以有效地将服务器和存储设备隔离开来[5]。NAS的架构能够实现数据共享和集中管理功能[6]。在NAS存储架构中，服务器不转发客户端接收到的消息，I/O操作的减少使NAS较DAS拥有更高的响应性能。NAS存储具有即插即用的优点，并且支持多种文件系统，能够为不同操作系统提供文件共享服务[7]。同时，NAS的网络部署和管理相对简单，构建成本也比较低。虽然摆脱了服务器的限制，但是NAS实际只是将DAS存储中服务器的附加工作转移到网络上，占用网络带宽进行管理备份工作，因此对访问速度要求过高的话则不适用。由于NAS只支持文件级别服务，所以并不能应用于块级别应用和多数据库应用上。

2.3存储区域网络（Storage Area Network）

存储区域网络缩写是SAN，它将多台存储设备相互连接到服务器的后端，所形成得高速共享的存储网络。SAN同样是80年代便产生，但是SAN技术仍在不断发展。理论上讲，基于其结构特点，SAN支持服务器连接和存储阵列之间进行任意连接，因此服务器在一定程度上摆脱了地域限制，可以直接对数据进行存取操作[8]。和DAS类似的是，SAN的文件系统位于服务器上，本身不带操作系统，存储阵列的架构能够实现海量存储数据共享，因此，SAN存储兼具支持DAS的块级数据访问和NAS存储空间大的优势，并且能够实现对文件的集中管理和更快的响应速度。虽然SAN存储具有异构化程度低、资源利用率高、可扩展性强的优势，但在成本和架构复杂性上仍具有局限性，导致其在构建和维护的难度和费用较高。基于存储距离约束小、传输速度快、成本昂贵的特点，SAN主要被大型企业中看好。在对距离和速度要求较高的云计算技术中，SAN能够发挥优势为存储提供解决方案[9]。SAN存储的高扩展性和集中管理实现了云计算中心对大量数据的存储，在地域和距离方面的优势能够适应云计算的多中心存储布置，高带宽的网络还可以将数据分段以减轻云计算工作量。因此，二者的结合是云存储得到广泛的应用，减少了企业的存储成本。

3.关键技术比较与联系

3.1对比DAS、NAS和SAN技术

作为目前网络存储的三种关键技术，DAS、NAS和SAN各具优势，其架构、协议、管理模式等方面的差异决定了它们不同的应用场景，见表一：DAS、NAS和SAN技术优劣势对比及其应用。相比于另外两种存储网络架构，DAS的配置简单、结构复杂度小，能够快速部署，因此初始投资成本较低。DAS配置通常通过其连接的服务器完成，操作和后续的管理相对简单，十分适合用于中小型企业管理本地数据。DAS的主要应用环境为服务器数量较少的局域网中，并且环境拥有独立操作平台，对文件共享没有要求。NAS在效率、灵活性、扩展性、可用性、安全性等多方面都比DAS有更出色的表现，并且使用NFS和CIFS两种标准文件共享协议，能够实现高度文档共享。NAS同样适合中小型企业，通常应用于服务器等类型的数量较多的局域网中，并且能够满足文件共享和异质文件存储的需求，例

如WEB服务器、多媒体文件存储、存储资源共享等类型的业务。SAN和NAS均属于网络存储范畴，但不同于NAS基于现有LAN的构建方式，SAN更类似一个网络概念，基于光纤通道网络构建。相较于DAS和NAS，SAN的构建和管理难度都相对较大，但其容灾性、安全性都大幅提升，并且能够实现更高程度的文件共享，支持更复杂格式的文件。基于上述优势，SAN应用于服务器数量多、操作系统多、网络复杂、同时文档共享需求高的环境中，如大型企业的资料库、数据库等。

表1 DAS、NAS和SAN技术优劣势对比及其应用

3.基于NAS技术在网络存储的应用

在比较了三种网络存储技术的优劣势之后，对于NAS在某种特定场景能很好地应用于需要存储资源共享的单位，如医学实验室，NAS在三种储存系统里显示出了一定优势。实验室工作人员分布于医学院校、医院、实验基地等多个点，共享实验数据成为工作过程中的难点，从这点上NAS较DAS更有助于实现文档共享。另外实验室没有专门的网络管理团队，网络存储访问人数较少且固定，那么NAS较SAN搭建方便，足以应对实验室对数据存储与共享的需求。基于市售的威联通科技(QNAP Systems,Inc.)的NAS设备，通过安装开源Linux系统，首先搭建了实验室私有云盘，通过自主配置账号，在传输大规模基因测序、芯片数据、其他行政文书管理数据上提高了传输效率，由于数据在私有云而非公有云也保障了生物信息的安全性及自主性。如前文所述NAS支持多种文件系统，能够为不同操作系统提供文件共享服务，因此允许多种操作系统进行访问，不仅可以远程办公、甚至可以移动办公，操作也简便，为共享数据提供了条件，提高了工作效率。另外该NAS设备上也应用了容器技术，容器应用有很大部分为开源应用，通过安装

不同的容器应用，例如协同办公类应用及实验室信息管理系统应用等，即便工作人员分布在各个点，数据可以有效地、方便地进行收集、管理、备份与恢复。但是医学实验室也逐步承担起医学检验的工作，数据的访问不局限于内部实验人员，逐步涉及到被检验对象访问数据库查询检验结果，那么依托医院的庞大的存储系统或自己搭建基于SAN技术存储系统是必然的。

4.结语

目前，在信息时代下，又随着计算机网络技术腾飞发展， 数据信息几乎每时每刻都在指数级增长，网络存储的应用愈加广泛，云存储、云计算等新技术的发展同样使网络存储发挥着越来越关键的作用。因此，认清当前的技术特点，弥补短板，明确解决策略和发展方向是网络存储技术未来发展的基础。

参考文献：

[1]姚冬琴.全国人大代表周云杰:工业互联网平台定会成为第四次工业革命的核心[J].中国经济周刊,2017(10):2.

[2]水木然.工业4.0大革命[J].当代劳模,2015,67(12):77.

[3]李宏明,李智彦.基于NAS技术微视频档案数字化建设研究[J].山西档案,

2019(3):4.

[4]曹玉平.基于SAN与NAS的数字图书馆网络存储系统研究[J].现代情报,

2007,27(9):4..

[5]刘炜炜.NAS在图书馆存储系统中的应用[J].辽宁行政学院学报,

2014(9):3.

[6]李芹.基于Hadoop的区域医学影像协作服务平台的关键技术研究[D]. 南方医科大学, 2019.

[7]王纪奎.成就存储专家之路:存储从入门到精通[M].清华大学出版社,

2009.

[8]龚明明.上海铌铭计算机技术有限公司发展战略研究[D].上海交通大学.

[9]任少波,陈源.基于云计算的SAN存储的应用研究[J].无线互联科技,

2020,17(13):3.

【作者简介】周密（1982.04-），女，汉族，上海人，硕士研究生学历，上海市儿童医院，主要研究方向：实验室信息管理。

【项目基金】本研究受PP202201上海市胚胎与生殖工程重点实验室培育项目基金资助。