Nas存储技术

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NAS存储技术资料大整合

1. 概述

近年来，服务器CPU的速度在不断翻番，随着ATM和千兆以太网的普遍使用，网络带宽不足的矛盾也得到很大缓解。硬盘系统的容量在不断扩大，但I/0的速度始终没有明显的提高，这就使它日益明显地成为制约整个网络系统效率的瓶颈。

网上应用的数据量在迅速膨胀，使数据管理变得越来越复杂。为了简化网络数据管理的复杂性，近年来出现了存贮网络技术。它将硬盘系统与单个的应用服务器脱离，直接挂在网上，将分散的数据集中管理。

随着网络应用的普及，网络系统的可靠性日益成为关系企业生存的关键性因素。为此在存贮系统中越来越广泛地采用磁盘阵列（RAID）技术。但通常的RAID系统是用牺牲效率换取可靠性，这就使存贮系统效率的瓶颈问题更加突出。

NAS系统直接挂在网上的专用文件服务器，具备快速，简单，可靠的性能，支持Unix和WindowNT多种网络环境。

2. 背景

随着Internet的发展，数据成爆炸型增长，而现有网络环境却没有为它提供充分的发展空间。网络系统每时每刻都在调用传输处于服务器后端磁盘阵列中的数据。在很多大的应用系统中，硬盘I/O占用了服务器的大量时间，整个系统都处于对硬盘的等待状态，使整个系统性能下降。磁盘成了服务器的包袱，制约整个网络的瓶颈。

回顾构成整个网络环境的几个关键部件的发展历程，CPU经历了由80286、80386、……、AlphaGHz等过程，可以说目前CPU技术为当前提供了一个比较好的计算环境，而网络带宽由10M、100M发展到目前技术成熟的1000M以太网为当前网络发展提供了足够的带宽，而硬盘的容量也在飞速发展，目前一个硬盘的容量25GB也是常事，但是从始至终一直有一个制约硬盘发展的问题没有得到很好的解决，这就是磁头臂机械移动速度一直没有得到提高，但磁头臂的机械移动速度却已经达到了一个极限。硬盘就好比一个瓶子，瓶肚越来越大，但瓶口却是一直没有改变。

回顾整个计算机发展历程，不难发现计算机走了一条由通用→专用的道路。尤其是在八十年代，一台通用计算机几乎是万能的，例如：打印服务、文件名服务、文件服务、数据库、路由、桥、磁带备份、公用服务等等。随着对各种功能需求的迅速膨胀，专业化成了必然趋势。出现了路由器、打印服务器、数据库服务器、备份服务器等专用服务器。其中路由器是

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最典型的专用设备，它对网络的发展起了极大的推动作用，使网络在可维护性、低成本、易用性等方面达到了一个前所未有的境界。

历史与现实条件促使数据存储要走专业化的道路，要绕过硬盘所带来的I/O瓶颈。

3. NAS系统实现了两个突破

理念上的突破——把存储器直接接到网络上，不再挂在服务器后端，给服务器增加负担。技术上的突破——通过专用软件减少磁头臂机械移动的次数，克服由此造成的延时。

4. 网络存储解决方案NAS与SAN的分析与比较

针对I/O是整个网络系统效率低下的瓶颈问题，专家们提出了许多种解决办法。其中抓住症结并经过实践检验为最有效的办法是：将数据从通用的应用服务器中分离出来以简化存储管理。问题：

由图1可知原来存在的问题：每个新的应用服务器都要有它自己的存储器。这样造成数据处理复杂，随着应用服务器的不断增加，网络系统效率会急剧下降。

解决办法：

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从图2可看出：将存储器从应用服务器中分离出来，进行集中管理。这就是所说的存储网络（StorageNetworks）。

5. 使用存储网络的好处：

 统一性：形散神不散，在逻辑上是完全一体的。

 实现数据集中管理，因为它们才是企业真正的命脉。

 容易扩充，即收缩性很强

 具有容错功能，整个网络无单点故障。

专家们针对这一办法又采取了两种不同的实现手段，即NAS（NetworkAttachedStorage）网络直联存储器和SAN(StorageAreaNetworks)存储区域网。

NAS：用户通过TCP/IP协议访问数据，采用业界标准文件共享协议如：NFS、HTTP、CIFS实现共享。

SAN：通过专用光纤通道交换机访问数据，采用SCSI接口。

什么是NAS和SAN的根本不同点？

NAS和SAN最本质的不同就是文件管理系统在哪里。如图：

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由图3可以看出，SAN结构中，文件管理系统（FS）还是分别在每一个应用服务器上；而NAS则是每个应用服务器通过网络共享协议使用同一个文件管理系统。

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。将来从桌面系统到数据集中管理到存储设备的全面解决方案将是NAS加SAN。

6. NAS和SAN互为补充

尽管NAS和SAN之间存在着区别，但是它们是两种互为补充的存储技术，以提供对不同类型数据的访问。NAS则提供文件级的数据访问功能，而SAN针对海量、面向数据块的数据传输。

例如，SAN在数据块传输和扩展性方面表现优秀，并能够有效地管理设备。企业可以从将SAN应用于关键任务应用、存储集中、备份恢复和高可用性计算等方面受益无穷。

与SAN相比，NAS支持多台对等客户机之间的文件共享。NAS客户机可以在企业中任何地点访问共享的文件。因为在NAS环境中文件访问的逻辑卷较少，对于响应时间要求也不是很高，所以其性能和距离要求也相对较低。

现在，NAS和SAN之间的许多原有差别开始消失。例如，NAS设备逐渐采用SAN来解决与存储扩展和备份恢复相关的问题。尽管这两种技术类似，但是NAS不能提供SAN所带来的全面的商业优势。然而，与传统的服务器附加存储相比，不管是SAN还是NAS技术都能减少用户的总体拥有成本，并能提供更好的投资回报。

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SAN和NAS在数据中心领域对传统的服务器连接存储是强有力的补充和替代。因而，企业级用户逐渐认识到其众多的优点，包括改进的灵活性、更方便的存储部署，以及更低的总体拥有成本。

7. NAS性能分析

1) NAS与磁盘阵列的区别

NAS是一台服务器，有自己的核心，如CPU、内存、操作系统、磁盘系统，而磁盘阵列只是一个存储介质。

NAS直接接到交换机或集线器上，磁盘阵列接到服务器后端。NAS不依赖于服务器，NAS有自己的文件管理系统，把服务器管理文件的包袱卸掉，提高服务器性能，磁盘阵列没有自己文件管理系统，完全依托于服务器，当数据流量很大时，给服务器造成的压力很大，易形成I/O瓶颈，使整个网络系统性能降低。

磁盘阵列技术的出现，是为了提高数据存储的可靠性。它用效率来换取可靠性。NAS把磁盘阵列技术融合在它的文件系统中，这样既提高了数据的可靠性，又利用磁盘的并行操作，提高了系统的整体性能。

2) NAS比磁盘阵列快的原因

控制普通磁盘的是通用操作系统，如UNIX或NT,控制磁盘只是其职能中的一部分，I/O操作算法效率不高。而NAS的操作系统是专用的，它只管磁盘I/O，算法效率最高。

通用文件服务器的CPU当进行I/O操作时，系统发生中断，等待I/O完成后才能恢复应用运行。在有NAS的系统中，应用程序需要进行磁盘I/O操作时，I/O操作由NAS完成，在磁盘I/O操作中最费时间的是写操作，NAS将写请求先写到NVRAM(不掉电内存)中，这个动作完成后，应用程序即可恢复运行，所以效率要高得多。

磁盘操作慢的根本原因在于磁头臂的查找是机械动作，所以减少磁头臂的移动次数是提高效率的关键。NAS对磁盘的I/O操作算法，尤其是写操作，比通用操作系统做了极大的改进，它最大限度地减少了磁头臂的移动次数。其算法保证磁头总是停留在一个可写的位置上，并从这个位置连续写下去。

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通常的RAID(磁盘阵列)系统，对于通用操作系统来说是外加的，是额外负担。人们使用RAID是为了得到高可靠性，但这是以牺牲一定的系统效率做前提的。NAS的RAID系统是设计在它的专用操作系统中的，它不仅不是额外负担，相反由于多个磁盘的磁头臂可以同时并行读写，所以I/O速度更高了。

3) 选好NAS产品

在确定了存储系统基本架构之后，我们还需要进行产品选型。如何选择合适的存储产品，基本可以从数据保护能力、性能、连接性、管理性和附加功能这几个方面来考虑。

4) 数据保护能力：

数据保护能力是指在存储设备的设计方面，对各种偶然性错误和意外情况的预期，以及采取的预防或补救措施。这里，用户需要注意的是，存储系统是一个从软到硬的复杂系统，所以，对数据保护能力的评价应当考虑到整个系统。一些低端磁盘阵列厂商宣称他们的产品由于采用了RAID、热交换磁盘、双电源等技术，数据将永不丢失。对一些中小型用户，这些数据保护技术基本可以满足要求，但是对关键性业务的用户来说，这些技术只能算数据保护的最基本前提。只有对数据完整性的保护，对写缓存的保护，对主机连接的保护以及对远程容灾的支持等方面，才能够体现出存储产品的真正数据保护能力。

5) 性能：

存储产品的性能评价是最容易的，因为这一指标可以被充分量化。对磁盘阵列产品来说，性能指数主要有两个：带宽和IOPs（每秒I/O次数）。带宽决定于整个阵列系统，与所配置的磁盘个数也有一定关系；而IOPs则基本由阵列控制器完全决定。在Web、E-mail、数据库等小文件频繁读写的环境下，性能主要由IOPs决定。在视频、测绘等大文件连续读写的环境下，性能主要由带宽决定。可见，在不同的应用方式中，需要考察的侧重点也不同。对NAS产品来说，主要性能指数也是两个：OPS和ORT，分别代表每秒可响应的并发请求数和每个请求的平均反应时间。对磁带存储设备来说，单个磁带驱动器的读写速度是最重要的性能指标。

6) 管理性：

管理性是任何产品的重要方面之一。首先，用户应考虑产品所提供的管理功能或方式是否实用可靠。其次，支持中心化管理和远程管理的产品一定会令用户省事不少。还有，很多

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产品的故障自动通知机制给用户带来了方便，但同时也是数据安全的隐患。最后，在配置改变或系统扩容时，不需宕机或尽可能缩短宕机时间，是企业级产品的重要特征。

7) 附加功能：

今天的存储产品，尤其是部门级和企业级的在线存储产品，已经不仅仅是存储数据的盒子，而是一个智能的小型系统。各厂商将很多功能性软件都整合到自己的存储设备中，以向用户提供更好的解决方案。目前，比较常见的附加功能主要有以下几种：数据快照功能、LUNMasking功能、异地数据复制功能等

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