SAN与NAS融合的存储备份系统的设计与应用(二)_存储_基础信息化_167

SAN与NAS融合的存储备份系统的设计与应用(二)_存储_基础信息化_167 SAN与NAS融合的存储备份系统的设计与应用(二)_存储_ 基础信息化 第二章 存储备份系统简介 目前，常见的存储架构主要有三种，即直连式存储(Direct Attached Storage，简称DAS)、网络附加存储(Network Attached Storage，简称NAS)和存储区域网(Storage Area Networker，简称SAN);常见的备份方法主要有:硬件级、软件级和人工级。 2.1直连式存储 直连式存储(DAS)已经有近四十年的使用历史，随着用户数据的不断增长，尤其是达数百GB以上时，其在备份、恢复、扩展、灾备等困扰系统管理员和用户的问题变得日益突出。 直连式存储依赖服务器主机操作系统进行数据的I/O读写和存储维护管理。数据备份和恢复要求占用服务器主机资源(包括CPU、系统I/O等)，即数据流需要先回流主机，然后再到与服务器相连的磁带机，数据备份通常占用服务器主机资源的20—30%，因此许多企业用户的日常数据备份常常在深夜或业务系统不繁忙时进行，以免影响正常业务系统的运行。直连式存储的数据量越大，备份和恢复的时间就越长，对服务器硬件的依赖性和影响就越大。 直连式存储的拓扑结构如图2-1所示，它与服务器主机之间的连接通道通常采用SCSI连接，带宽为10MB/s、20MB/s、40MB/s、80MB/s等。随着服务器CPU的处理能力越来越强，存储硬盘空间越来越大，阵列的硬盘数量越来越多，SCSI通道将会成为I/O瓶颈。因服务器主机SCSI ID资源有限，所以能够建立的SCSI通道连接也是有限的。 无论是直连式存储的扩展还是服务器主机的扩展，即从一台服务器扩展为多台服务器组成的群集(Cluster)，或存储阵列容量的扩展，都会造成业务系统的停机，从而给企业带来经济损失，对于银行、电信、传媒等行业7×24小时服务的关键业务系统，这是不可接受的。并且直连式存储或服务器主机的升级扩展，只能由原设备厂商提供，往往受原设备厂商限制。 2.2网络附加存储 对网络附加存储(NAS)的定义可以通过物理架构来看，其拓扑结构如图2-2所示。NAS使用了传统以太网和IP，利用 NFS和CIFS协议进行文件共享。由于NFS和CIFS都是基于操作系统的文件共享协议，所以NAS的性能特点是进行小文件级的共享存取。 从NAS的简单机制可引申出它的一些明显的优缺点。其优点:一是NAS的部署非常简单，只须与传统交换机连接即可;二是它的成本较低，因为NAS的投资仅限于一台NAS服务器，而不像SAN是整个存储网络的昂贵投资，同时，NAS服务器的价格往往是针对中小企业定位的;三是NAS服务器的管理非常简单，它一 般都支持Web的客户端管理，对熟悉操作系统的网络管理人员来说，其设置既熟悉又简单。在简单易用的背后，NAS的缺点也非常明显。从性能上看，由于与应用使用同一网络，NAS会增加网络拥塞，反过来，NAS性能也严重受制于网络传输数据能力;其次，从数据安全性看，NAS一般只提供两级用户安全机制，虽然这能简化使用，但还需要用户额外增加适当级别的文件安全手段。 在NAS解决中，通常将NAS设备配置为文件服务器，由工作站或服务器通过网络协议(如TCP/IP)和应用程序(如网络文件系统NFS或者通用Internet文件系统CIFS)来进行文件访问。大多数NAS连接，在工作站客户机和NAS文件共享设备之间进行，这些连接依赖于企业的网络基础设施来保证其正常运行。 为了提高系统性能和不间断的用户访问，NAS采用了专业化的操作系统用于网络文件的访问，这些操作系统既支持的文件访问，也支持相应的网络协议。NAS使文件访问操作更为快捷，并且易于向基础设施增加文件存储容量。因为NAS关注的是文件服务而不是实际文件系统的执行情况，所以NAS设备经常是自包含的，而且相当易于部署。 NAS设备与客户机之间主要是进行数据传输。在LAN/WAN上传输的大量数据被分成许多小的数据块。传输的处理过程需要占用处理器资源来中断和重新访问数据流。如果数据包的处理占用太多的处理器资源，则在同一服务器上运行的应用程序将会受到影响。由于网络拥堵影响NAS的性能，所以，NAS性能局限性之一是使网络传输数据能力受限。 NAS存储的可扩展性也受到其设备大小的限制。增加一台NAS设备非常容易，但是要像访问一台机器上的数据那样访问网络环境中的内容并不容易，因为NAS设备通常具有独特的网络标识符。由于上述这些限制，NAS环境中的数据备份不是集中化的，因此仅限于使用直接连接设备(如专用磁带机或磁带库)或者基于网络的策略，在该策略中，设备上的数据通过企业或专用LAN进行备份。 2.3存储区域网 存储区域网(SAN)是一种新型的用于存储的网络。SAN就是以数据为中心，采用可伸缩的网络拓扑结构，通过具有高速传输速率的光纤通道连接方式，提供任一节点之刚的多路自动选择的直接连接方式的数据交换，并只将数据存储管理集中在与应用网络分离的专用的存储区域网内，其拓扑结构如图2-3所示。 SAN技术与传统技术相比，最大的区别是SAN技术将存储设备从传统的以太网中隔离出来，成为独立的存储区域网络(SAN)。SAN技术的另大特点是完全采用光纤连接，从而保证巨大的数据传输带宽，达到200MB/s，对于所有的应用都可以很好地满足，在这一点上，传统技术是无法比拟的。SAN技术通过磁盘阵列将数据集中存放，可以更好地管理与备份，节约了大量的人力和物力;形成一个数据中心，供访问者检索所需的数据。大量的数据只是在服务器和存储设备之间流动，不占用网络带宽，使访问者只得到他想要的数据，极大的提高防问速度。SAN技术也方便了对关键数据的备份，直接从存储设备通过光纤到磁带设备，不 占用以太网的网络带宽，也不占用服务器资源。SAN技术支持无阻的扩展，且是开放式的，小考虑厂商是谁，只要遵守SAN规范就可以。 2.3.1 SAN的主要特点 要正确理解SAN，最好还是从物理架构来定义它。从图2-3可以看出，高性能的光纤通道交换机和光纤通道网络协议是SAN的关键。把以光纤通道交换机为骨干的网络拓扑结构称为“SAN Fabric”，而光纤通道协议是SAN的另一个本质特征。SAN正足利用光纤通道协议上加载SCSI协议来达到可靠的块级数据传输。为了实现最大的灵活性，某些公司还对其产品进行了专门设计，以便支持现有和新研制的协议，比如基于IP的光纤通道协议、iSCSI和InfiniBand等，这些协议均符合开放式行业标准以及全面的互用性测试，有助于实现可靠的多厂商SAN解决方案。 SAN以光纤通道交换机和光纤通道协议为主要特征的本质决定了它的诸多优点，可以简单地概括为性能、距离、管理等方面。 首先，在一些关键应用中，传输块级数据要求必须使用SAN，尤其是在多个服务器共同向大型存储设备进行读取时，更多的采用SAN架构的存储系统。由于数据在传输时被分成小段，SAN在通信结点(尤其是服务器)上的处理费用开销更少，可以有效地传送爆发性的块数据，因此，采用光纤通道的SAN架构的存储系统在传送大数据块时非常有效，这使得光纤通道协议非常适用于存储密集型环境，从而使SAN的性能及可靠性就得到了充分的发挥。同时基于SAN的操作能显著减少备份和恢复的时间，减少了企业网络上的信息流量，使传统上用于数据备份的网络带宽可以节约下来用于其他应用。 其次，通过城域网(WAN)，SAN可以实现远程灾难恢复。通过将SAN拓展到城域网基础设施上，SAN可以与远程设备无缝地连接，从而提高容灾的能力。SAN 部署在城域网基础设施上可以增加SAN设备间的距离，其距离可达150公里，而且几乎不会降低性能。企业可以利用这一点，通过部署关键任务应用和用于关键应用服务器的远程数据复制来提高容灾能力。备份和恢复设备是实现远程管理的需要。另外，基于交易的数据库应用从SAN部署中获益颇多。其无缝连接增加了存储能力，可以减少数据备份的时间。 第三，很重要的一点，SAN的管理是集中而且高效的。传统的服务器与存储系统的连接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不必中断与服务器的连接即可增加存储容量，用户可以在线添加、删除设备、动态调整存储网络，将异构设备统一纳入SAN的管理范围。SAN的集中管理数据的特点大大降低了企业的总体拥有成本。 -Free备份模式是一种彻底解决传统备份方式需要占用LAN 基于SAN的LAN 带宽问题的解决方案。它将磁带库和磁盘阵列各自作为独立的光纤结点，多台主机共享磁带库备份时，数据流不再经过LAN网络而直接从磁盘阵列传到磁带库内，无需占用网络带宽(LAN-Free)，因此无论何时进行数据备份，都不会对业务网络系统造成影响，同时通过光纤通道进行数据备份极大地提高了备份的效率。 2.3.2 SAN与NAS的比较 概括来说，SAN对于高容量块状级数据传输具有明显的优势，而NAS则更加适合文件级别上的数据处理。尽管二者存在根本特性上的差异，但SAN和NAS实际上也是能够相互补充的存储技术。例如，SAN擅长块数据传输，极易扩展且管理设备有效。用户可以使用SAN运行关键应用，比如数据库、备份等，以进行数据的集中存取与管理;而NAS支持若干客户端之间文件共享，所以用户可以将NAS用于日常办公中需要经常交换小文件的地方，比如存储网页等。在实际情况中SAN和NAS是可以并存在一个系统中。例如，SAN更多与NAS联合使用，可以为NAS设备提供高性能、大容量的存储设备，同时许多SAN通常驻留在NAS应用中。 2.4备份系统简介 存储备份系统是数据的存放地和应用系统正常工作的基础，而且正日益成为一个单位正常开展工作的基石之一。人们对数据存储备份一词并不陌生，然而对备份的真正内涵并不完全了解。在一般人脑海里，往往把备份和拷贝等同起来，把备份单纯看作是更换磁带、为磁带编号等一个完全程式化的、单调的操作过程。其实不然，因为除了拷贝外，还包括更重要的内容即管理。备份管理包括备份的可计划性，磁带机的自动化操作、历史记录的保存以及日志记录等。事实上，备份管理是一个全面的概念，它不仅包含制度的制定和磁带的管理，而且还能决定如何引进备份技术，如备份技术的选择、备份设备的选择、介质的选择乃至软件技术的挑选等。 有不少人往往也把双机热备份、磁盘阵列备份以及磁盘镜象备份等硬件备份的内容和数据存储备份相提并论。事实上，所有的硬件备份都不能代替数据存储备份，硬件备份只是拿一个系统、一个设备等作牺牲来换取另一台系统或设备在 短暂时间内的安全。若发生人为的错误、自然灾害、电源故障、病毒侵袭等，引起的后果就不堪设想，如造成所有系统瘫痪，所有设备无法运行，由此引起的数据丢失也就无法恢复了。事实证明，只有数据存储备份才能为人们提供万无一失的数据安全保护。 综上所述，用户特别是网络用户理想的数据存储备份就是用一种容量大、具有先进自动管理功能、价格又相对便宜的设备对整个系统，特别是对整个网络系统的数据进行备份，才是人们所希望的数据存储备份。 可以说，网络中如果没有相应的数据备份解决方案，就不算是完整的网络系统方案。计算机系统不是永远可靠的。双机热备份、磁盘阵列、磁盘镜像、数据库软件的自动复制等功能均不能称为完整的数据备份系统，它们解决的只是系统可用性的问题，而计算机网络系统的可靠性问题需要完整的数据存储备份管理系统来解决。因此，对原网络增加数据存储备份管理系统和在新建网络方案中列入数据备份管理系统就显得相当重要。 2.4.1 常见的备份方式 硬件级的备份是指用多余的硬件来保证系统的连续运行。比如容错等方式，如果一个硬件损坏，后备硬件马上能够接替其工作。但这种方式无法防止逻辑上的错误，如人为误操作、病毒、数据错误等。据有关统计，计算机系统中80%以上的错误属于人为误操作。当逻辑错误发生时，硬件备份只会将错误复制一遍，无法真正保护数据。硬件备份的作用实际上是保证系统在出现故障时能够连续运行，更应称为硬件容错，而非硬件备份。 软件级的备份是指将系统数据保存到其他介质上，当系统出错时可以将系统恢复到备份时的状态。由于这种备份是由软件来完成的，所以称为软件备份。当然，这种方法备份和恢复都要花费一定时间。但这种方法可以完全防止逻辑错误，因为备份介质和计算机系统是分开的，错误不会复写到介质上。这就意味着，只要保存足够长时间的历史数据，就一定能够恢复正确的数据。 人工级的备份最为原始，也最简单和有效。如果每笔交易都有文字记录，不愁恢复不了数据。但如果要从头恢复数据，耗费的时间恐怕相当相当长。因此，全部数据都用手工方式恢复是不可取的。 理想的备份系统，是软件备份和手工方式相结合的。如果系统出错，备份之前的数据用软件方法恢复;备份之后的数据用手工方式恢复。采用这两种方式的结合，不仅能够有效地防止逻辑错误，还能够节省备份和恢复的时间。网络备份实际上不仅仅是指网络上各计算机的文件备份，它实际上包含了整个网络系统的一套备份体系。 2.4.2理想的备份产品应具有的功能特色 理想的网络备份系统主要有四个不可或缺的功能: 1)文件备份和恢复 优秀的网络备份方案能够在一台计算机上实现整个网络的文件备份。因为网络备份系统通常使用专用备份设备，网络上每台计算机都配置专用设备显然是不现实的。所以利用网络进行高速的备份是网络备份方案必需的功能。 2)数据库备份和恢复 在许多人的观念里，数据库和文件还是一个概念。如果你的数据库系统是基于文件系统的，当然可以用备份文件的方法备份数据库。但发展至今，数据库系统已经相当复杂和庞大，再用文件的备份方式来备份数据库已不适用。是否能够将需要的数据从庞大的数据库文件中抽取出来进行备份，是网络备份系统是否先进的标志之一。 3)系统灾难恢复 网络备份的最终目的是保障网络系统的顺利进行。所以优秀的网络备份方案能够备份系统的关键数据，并在网络出现故障甚至损坏时，能够迅速地恢复网络系统。从发现故障到完全恢复系统，理想的备份方案耗时不应超过半个工作日。 4)备份任务管理 对于大多数机房管理人员来说，备份是一项繁重的任务。每天都要小心翼翼，不敢有半点闪失，网络系统备份对他们来说，更是任务艰巨。脑子里要记的东西太多:机器A上的XXX目录下的文件在每天五点前备好;机器B上的YYY目录下的文件必须等到六点以后另外一个任务完成后才能开始备份，这些琐碎的小事常常把人搅得晕头转向。网络备份能够实现定时自动备份，大大减轻管理员的压力。 2.5本章小结 通过对DAS、NAS和SAN几种存储系统架构进行研究，不难发现它们各自的优缺点以及适用的场合，SAN和NAS是在DAS基础上发展起来的，NAS侧重于网络通用性和数据共享，SAN侧重于解决网络带宽问题;数据备份也是在解决存储问题的同时需要考虑的问题，因此在进行存储、备份系统的方案设计时应根据系统需求选择合适的存储系统架构和备份方式。