công nghệ mạng storage area network

công nghệ mạng storage area network

DANH SÁCH NHÓM

1 TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan

SAN (Storage Area Network) là một mạng được thiết kế để kết nối các máy chủ tới hệ thống lưu trữ dữ liệu, trong đó các máy chủ truy cập tới hệ thống lưu trữ ở mức block

Với những ưu điểm nổi chội SANs đã trở thành một giải pháp rất tốt cho lưu trữ thông tin cho doanh nghiệp hay tổ chức SAN cho phép kết nối từ xa tới các thiết

bị lưu trữ trên mạng như: Disks và Tape drivers Các thiết bị lưu trữ trên mạng, hay các ứng dụng chạy trên đó được thể hiện trên máy chủ như một thiết bị của máy chủ (as locally attached divices)

Hình 1 Sơ đồ tổng quát mạng SAN

1.2 Định nghĩa SAN

Lưu trữ mạng có thể được hiểu như một phương pháp truy cập dữ liệu ứng dụng trên nền tảng mạng mà quá trình truyền dữ liệu trên mạng tương tự như quá trình

truyền dữ liệu từ các thiết bị quen thuộc trên máy chủ như Disks Drivers như ATA, SCSI.

Hình 2 Lưu trữ trên PC và trên mạng lưu trữ

Trong một mạng lưu trữ, một máy chủ sử dụng một yêu cầu cho một gói dữ liệu cụ thể hay một dữ liệu cụ thể, từ một đĩa lưu trữ và các yêu cầu được đáp ứng Phương pháp này được biết là block storage Các thiết bị được làm việc như một thiết

bị lưu trữ bên trong máy chủ và được truy cập một cách bình thường thông qua các yêu cầu cụ thể và quá trình đáp ứng bằng cách gửi các yêu cầu và nhận được trên môi trường mạng mà thôi

Theo truyền thống phương pháp truy cập vào file như SMB/CIFS hay NFS, một máy chủ sử dụng các yêu cầu cho một file như một thành phần của hệ thống file trên máy, và được quản lý bình thường với máy chủ Quá trình điều khiển đó được quyết định từ tầng vật lý của dữ liệu, truy cập vào nó như một ổ đĩa bên trong máy chủ

và được điều khiển và sử dụng trực tiếp trên máy chủ Chỉ khác một điều dữ liệu bình thường thông qua hệ thống bus còn SAN dựa trên nền mạng

Các hệ thống lưu trữ mạng sử dụng giao thức SCSI cho quá trình truyền dữ liệu

từ máy chủ đến các thiết bị lưu trữ, không thông qua các Bus hệ thống Cụ thể tầng vật

lý của SAN được sử dụng dựa trên các cổng quang để truyền dữ liệu: 1 Gbit Fiber Channel, 2Gbit Fiber Channel, 4Gbit Fiber Channel, và 1Gbit iSCSI Giao thức SCSI

thông tin được vận truyển trên một giao thức thấp dựa trên quá trình mapping layer Hầu hết các hệ thống SANs hiện hay đều sử dụng SCSI dựa trên hệ thống cáp quang

để truyền dữ liệu và quá trình chuyển đội (mapping layer) từ SCSI qua cáp quang và máy chủ vẫn hiểu như SCSI là (SCSI over Fiber Channel) và FCP được coi là một chuẩn trong quá trình chuyển đổi đó iSCSI là một dạng truyển đổi tương tự với phương pháp thiết kế mang các thông tin SCSI trên nền IP

1.3 Ưu Điểm của SAN

Dễ dàng chia sẻ lưu trữ và quản lý thông tin, mở rộng lưu trữ dễ dàng

thông qua quá trình thêm các thiết bị lưu trữ vào mạng không cần phải thay đổi các thiết bị như máy chủ hay các thiết bị lưu trữ hiện có Ứng dụng cho các hệ thống Data centrer và các Cluster Và mỗi thiết bị lưu trữ trong mạng SAN được quản lý bởi một máy chủ cụ thể Trong quá trình quản lý của SAN sử dụng Network Attached Storage (NAS) cho phép nhiều máy tính truy cập vào cùng một file trên một mạng Và ngày nay có thể tích hợp giữa SAN và NAS tạo nên một hệ thống lưu trữ thông tin hoàn thiện

SANs được thiết kế dễ dàng cho tận dụng các tính năng lưu trữ, cho phép nhiều máy chủ cùng chia sẻ một thiết bị lưu trữ.

Một ứng dụng khác của SAN là khả năng cho phép máy tính khởi động trực

tiếp từ SAN mà chúng quản lý Điều này cho phép dễ dàng thay các máy chủ bị lỗi khi đang sử dụng và có thể cấu hình lại cho phép thay đổi hay nâng cấp máy chủ một

cách dễ dàng và dữ liệu không hề ảnh hưởng khi máy chủ bị lỗi Và quá trình đó có thể chỉ cần nửa giờ để có một hệ thống Data Centers Và được thiết kế với tốc độ truyền dữ liệu cực lớn và độ an toàn của hệ thống được coi là vấn đề hàng đầu

SAN cung cấp giải pháp khôi phục dữ liệu một cách nhanh chóng bằng cách

thêm và các thiết bị lưu trữ và có khả năng khôi phục cực nhanh dữ liệu khi một thiết

bị lưu trữ bị lỗi hay không truy cập được (secondary aray) Các hệ thống SAN mới hiện nay cho phép (duplication) sao chép hay một tập tin được ghi tại hai vùng vật lý khác nhau (clone) cho phép khôi phục dữ liêu cực nhanh

2 PHÂN LOẠI SAN:

Như đã trình bày, giao thức mà SAN sử dụng là SCSI, một chuẩn giao tiếp rất phổ biến trong lưu trữ Vì vậy trong phần này chúng ta sẽ phân loại SAN theo chuẩn giao tiếp Một số loại SAN như:

• ATA over Ethernet (AoE), mapping of ATA over Ethernet

• Fibre Channel Protocol (FCP), the most prominent one, is a mapping of SCSI over Fibre Channel

• Fibre Channel over Ethernet (FCoE)

• ESCON over Fibre Channel (FICON), used by mainframe computers

• HyperSCSI, mapping of SCSI over Ethernet

• iFCP[2] or SANoIP[3] mapping of FCP over IP

• iSCSI, mapping of SCSI over TCP/IP

• iSCSI Extensions for RDMA (iSER), mapping of iSCSI over InfiniBand

Ta sẽ đi qua 2 chuẩn phổ biến nhất là: fibre và iSCSI

2.1 IP SAN (theo chuẩn iSCSI)

Hình 3 IP SAN

- iSCSI (Internal Small Computer System Interface) là giao thức được thiết kế với mục đích cho phép dòng dữ liệu SCSI được đóng gói và truyền tải qua mạng TCP/IP truyền thống

- Một mạng IP dành riêng cho mục đích này được gọi là IP-SAN

2.1.2 Mô hình phân lớp của giao thức iSCSI:

Hình 5 Mô hình phân cấp IP SAN theo mô hình OSI

• Application: Giao diện người dùng.

• Operating System: Quản lý truyền nhận gói tin.

• Standard SCSI Command Set: Đặt ra các câu lệnh để kết nối giữa host

và device

• iSCSI: định tuyến gói tin ra mạng ngoài IP

• TCP: Kiểm tra độ tin cây của gói tin trả lời

• IP: kết nối tới cơ sở hạ tầng của IP toàn cầu

2.1.3 Các bước iSCSI hoạt động:

Hình 6 Minh hoạt nguyên tắc hoạt động iSCSI

1/ Ứng dụng hoặc người dùng đưa ra yêu cầu về file,data, … Hệ thống điều hành (Operating system) đưa ra những lệnh SCSI và yêu cầu data

2/ Các lênh và yêu cầu được đóng gói, mã hóa nếu cần thiết, và thêm phần header vào sau đó được chuyển qua đường internet

3/ Ở đầu nhận, gói tin sẽ được mở ra, và giải mã Sau quá trình này thì lệnh SCSI và yêu cầu data được tách biệt

4/ Lệnh SCSI và yêu cầu data sẽ được gửi tới SCSI Controller sau đó tới SCSI Storagedevice để lấy file hoặc data yêu cầu Tương tự, dữ liệu sẽ được gửi về nơi yêu cầu quacác bước như trên

2.2 Fibre channel SAN

Hiện nay FC được xem như là một chuẩn cho hầu hết các SAN

• FC-1: định nghĩa sơ đồ mã hóa, dùng để đồng bộ dữ liệu khi truyền.

• FC-2: định nghĩa giao thức framing (giao thức này tự động cấu hình và hỗ trợ kết nối điểm-điểm) và điều khiển dòng

• FC-3: định nghĩa các dịch vụ chung cho các node Một dịch vụ đã được định nghĩa

là multicast, một nơi phát đến nhiều nơi

• FC-4: định nghĩa sự ánh xạ giao thức lớp trên cùng Các giao thức như: FCP (SCSI), FICON và IP có thể được ánh xạ đến dịch vụ truyền tải Fibre Channel

Fibre Channel kết nối các nodes với nhau thông qua 3 kiểu kết nối:

Hình 8 Mô hình mạng

2.2.3.1 Topology (Point to Point)

Topology điểm-điểm là cấu hình đơn giản nhất có thể có cho mạng SAN bao gồm một server được nối với một thiết bị lưu trữ đứng một mình Do chỉ có một địa chỉ để chuyển gói tin nên không cần địa chỉ mạng Băng thông lớn

2.2.3.2 Topology Arbitrated Loop

Trong dạng này, các thiết bị được kết nối dạng vòng, giống như mạng token ring Nếu một thiết bị trong mô hình này bị lỗi sẽ làm cả mạng mất kết nối Các thiết

bị trong mạng được kết nối cáp với nhau

Topology Arbitrated loop có nhược điểm là tại một thời điểm chỉ có một thiết

bị được truyền dữ liệu trên mạng Khi số lượng thiết bị trên mạng tăng lên sẽ gây ra sựsụt giảm chất lượng mạng Do đó, Topology Arbitrated loop chỉ được sử dụng cho cácmạng SAN có quy mô nhỏ và lưu lượng dữ liệu hạn chế

2.2.3.3 Topology SAN Fabric

Trong Fibre Channel, thuật ngữ “chuyển mạch nối giữa các thiết bị” được gọi

là Fabric

Topology SAN Fabric là topology có chỉ tiêu cao nhất và được sử dụng cho cácmạng SAN có quy mô và lưu lượng dữ liệu lớn Các fabric rất lớn có thể được xây dựng bằng cách liên kết nhiều chuyển mạch với nhau Do đó, mạng SAN dựa trên fabric có thể được mở rộng bằng cách thêm các chuyển mạch vào mạng

Topology SAN fabric có các kiểu topology sau:

2.2.3.3.1 Director-Based Fabric

Fabric thực hiện đơn giản nhất là Director Based Fabric Fabric này gồm có một chuyển mạch chủ đơn lẻ với một số lượng cổng rất lớn

Một director-Based Fabric có các đặc điểm sau:

1 Director-Based Fabric đưa ra một kiểu lưu trữ tập trung với tất cả thiết bị lưu

trữ nối tới điểm duy nhất

2 Nếu chuyển mạch chủ gặp sự cố, toàn mạng sẽ gặp sự cố Kết quả, tất cả các

server và thiết bị lưu trữ bị mất các kết nối

3 Topology Director-Based Fabric không có tính khả thi cao, một chuyển mạch

chủ lớn không phải luôn luôn là một giải pháp đạt hiệu quả về chi phí Khi có

sự chuyển đổi về công nghệ sang các công nghệ mới hơn, toàn bộ chuyển mạch

có thể cần phải được thay thế, thay vì chỉ thay thế các thành phần của mạng lưới

2.2.3.3.2 Topology chuyển mạch nối tầng (Cascaded Switch

Topology)

Topology chuyển mạch nối tầng là ít phức tạp nhất trong fabric.Topology này bao gồm một số lượng tương đối nhỏ các chuyển mạch được liên kết với nhau theo kiểu tuyến tính

Hình 9 Topology nối tầng

Chuyển mạch cuối cùng của fabric cũng có thể được liên kết với chuyển mạch đầu tiên bằng cách sử dụng thêm một đường ISL (Inter-Switch Lịnk) tạo thành một topology ring Topology chuyển mạch nối tầng có các đặc điểm:

• Sử dụng số lượng cổng tối thiểu để liên kết các chuyển mạch

• Các chuyển mạch nối tầng không có chuyển mạch dự Do đó, một chuyển mạch có sự cố sẽ dẫn tới fabric bị chia tách Kết quả là các thiết

bị được nối với một chuyển mạch này không thể truy nhập vào các thiết

bị trên chuyển mạch khác

2.2.3.3.3 Topology fabric lưới (Mesh Fabric Topology)

Topology fabric lưới bao gồm các chuyển mạch được nối với nhau dưới một sốdạng hình học Tất cả các chuyển mạch trong fabric được liên kết với nhau

Hình 10 Topology lưới

Topology Fabric lưới có thể được mở rộng bằng cách thêm các chuyển mạch khi cần thiết Ngoài ra, topology này có một số lượng dự phòng bị giới hạn do các đường dẫn bổ sung giữa các chuyển mạch

2.2.3.3.4 Topology SAN Building-Block Fabric

Topology SAN Building - Block Fabric được dựa trên nhiều chuyển mạch nhỏ hơn (building-block) được nối với nhau bằng cách sử dụng một đường trục của một hoặc nhiều chuyển mạch

Hình 11 Topologic Building-Block

Topology này dễ dàng thực hiện các mạng SAN có quy mô và số lượng cổng lớn Mỗi building-block gồm các đường dẫn dự phòng và được cung cấp các kết nối chính xác với các chuyển mạch đường trục Topology này có đặc điểm:

• Thực hiện đơn giản khi thiết lập một mạng SAN có quy mô lớn

• Các chuyển mạch đường trục nối giữa các building-block với nhau có thể được sử dụng như là một điểm tập trung cho các thiết bị được sử dụng chung một cách thường xuyên (heavily shared device) như các ổ băng, thiết bị lưu trữ

• Sử dụng nhiều cổng để liên kết các chuyển mạch gây ra sự lãng phí cổng

Hình 12 Mạng SAN dựa trên 4 building block và 7 chuyển mạch liên kết

2.2.3.3.5 Topology SAN Island

Topology SAN Island do công ty BCS (Brocade Communications Systems) đưa ra Topology này được sử dụng khi các phòng chức năng trong một trung tâm muốn có khả năng dùng chung một số thiết bị

Topology SAN Island được thiết lập bằng cách sử dụng một chuyển mạch đường trục kết nối mạng SAN của các phòng trong trung tâm với nhau Tất cả các thiết bị dùng chung như các ổ băng từ và các thiết bị lưu trữ khác đều được nối với chuyển mạch đường trục Bằng cách chia vùng, các mạng SAN ở các phòng tùy theo

nhu cầu, có thể được bảo vệ khỏi sự truy nhập từ bên ngoài hoặc được thiết lập để dùng chung

Hình 13 Topology 3 Island

2.2.3.3.6 Mạng Metropolitan và Wide Area SAN

Mạng Metropolitan Area SAN sử dụng để kết nối các mạng SAN ở phạm vi vùng (khoảng cách tới 100km) Khi thực hiện mạng Metropolitan SAN, tiêu chuẩn Fibre channel được áp dụng bằng cách sử dụng bộ ghép kênh quang theo bước sóng (DWDM - Dense Wavelength Division Multiplexer)

Hình 14

Mạng Wide Area SAN sử dụng để kết nối các mạng lưu trữ trong các trung tâm lưu trữ ở phạm vi quốc gia (nationwide) Phương pháp phổ biến để thực hiện mạng Wide Area SAN là sử dụng Fibre Channel qua ATM (Assynchronous Transfer Mode) được truyền tải trên SONET

Hình 15

2.2.3.4 Topology dự phòng

2.2.3.4.1 Dự phòng cơ bản:

Dự phòng cơ bản trong mạng lưu trữ có thể được thực hiện bằng một số

phương pháp khác nhau và được thực hiện ở hai mức cơ bản, hoặc ở mức thiết bị hoặc

Thực hiện dự phòng ở mức mạng: Các server được trang bị với các HBA kép

để mỗi server có thể được nối với hai chuyển mạch khác nhau trong fabric Một cách tương tự, các khối lưu trữ có các cổng kép được nối tới hai chuyển mạch khác nhau trong fabric Bằng cách này, sự hỏng hóc của một chuyển mạch trong fabric sẽ không gây ra sự mất truy nhập vào server và các khối lưu trữ nối với nó Nhiều đường dẫn cũng được thiết lập trong fabric để bảo đảm vẫn có các đường dẫn giữa các chuyển

mạch khi chuyển mạch trên đường ngắn nhất bị sự cố Trong trường hợp cần thiết, toàn bộ mạng kết nối có thể được nhân đôi để tạo thành một sự dự phòng hoàn toàn vàmạng chống lỗi

2.2.3.4.2 Topology Remote mirroring:

Topology Remote mirroring bổ sung một mức dự phòng khác và thậm chí tốt hơn về mặt thời gian chuyển đổi từ thiết bị chính sang dự phòng so với các cấu hình

dự phòng đơn giản vì topology này không phụ thuộc vào một vị trí đơn lẻ

Các cấu hình Remote Mirroring cung cấp khả năng chịu được thảm hoạ(lửa, động đất và các thiên tai khác) hoàn toàn bằng cách thiết lập một bản sao (duplicate) của mạng SAN tại vị trí cách xa

Hình 16 Topology Remote Mirroring dùng Fibre Channel

Tất cả các khối lưu trữ ở mạng chính cũng như đường trục đều được nhân đôi

Vì có một lưu lượng dữ liệu tương đối lớn truyền giữa mạng cục bộ và mạng ở xa, do

đó cần thiết có nhiều đường dẫn nối giữa chúng Hai mạng được nối với nhau có thể

sử dụng sợi quang đơn mode cho phép khoảng cách truyền dẫn lên tới 70km qua các chuyển mạch được nối tầng hay tới 10km sử dụng chuyển mạch đơn lẻ

Một lựa chọn khác để thực hiện cấu hình remote mirroring là cung cấp kết nối

từ xa qua mạng WAN (Wide Area Network) Khi đó, khoảng cách giữa hai mạng sẽ còn lớn hơn

Hình 17 Topology Remote Mirroring dùng WAN cho kết nối từ xa

Point to Point Arbitrated Loop Switched fabric

Kích thước địa chỉ 8 bit 24 bit

Ảnh hưởng khi 1 port

lỗi Mất kết nối Mất kết nối Không ảnh hưởng mạng

Tỷ lệ trộn các link

khác nhau

Không có Không có CóKết nối qua trung gian Kết nối riêng Kết nối trung gian Kết nối riêng

Nhận xét về fibre channel:

Ưu điểm Nhược điểm

- Băng thông lớn

- Kiến trúc an toàn nhanh chóng với khả

năng quản lí dữ liệu toàn cầu

Hình 18 Các thành phần mạng SAN

Các thành phần của SAN như sau:

 Host Component: Là các máy chủ (servers) trong hệ thống Những

máy chủ này truy xuất tới hệ thống Storage thông qua mạng SAN để truy xuất

dữ liệu

 Fabric (kết cấu) : Kết cấu SAN là một mạng thực tế của SAN Khi

một hoặc nhiều SAN switches được kết nối, một kết nối được tạo ra Giao thức

FC được sử dụng để truyền thông trên toàn bộ hệ thống mạng Một SAN có thể

bao gồm nhiều loại kết cấu kết nối với nhau, Thậm chí một SAN đơn giản thường bao gồm 2 loại kết cấu để dự phòng.

 Storage: là hệ thống ổ đĩa (disk array) dùng để lưu trữ dữ liệu Hệ thống đĩa

được dùng ở đây có tốc độ cao, hỗ trợ tính năng RAID để cải thiện tốc độ; có controller để cho phép nhiều server truy xuất đĩa cùng lúc Hệ thống tape library để sao lưu dữ liệu cũng nằm trong thành phần này

Các thành phần của một SAN bao gồm bản thân các server và các thành phần cho phép các server kết nối vật lý đến SAN