Công nghệ mạng lưu trữ và ứng dụng

MÔ HÌNH KẾT NỐI, CÔNG NGHỆ VÀ GIAO THỨC SỬ DỤNG TRONG MẠNG LƯU TRỮ .... MỞ ĐẦUMạng lưu trữ Storage Area Network - SAN ngày càng phát triển cùng với sự phát triển của các ứng dụng lớn ví

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Nguyễn Văn Dũng

CÔNG NGHỆ MẠNG LƯU TRỮ VÀ ỨNG DỤNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà nội, 2006

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Nguyễn Văn Dũng

CÔNG NGHỆ MẠNG LƯU TRỮ VÀ ỨNG DỤNG

Ngành: Công nghệ thông tin

Mã số: 1.01.10

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Văn Tam

Hà nội, 2006

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 5

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ CÁI VIẾT TẮT 6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 7

MỞ ĐẦU 9

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ MẠNG LƯU TRỮ 10

1.1.TỔNGQUANVỀCÔNGNGHỆMẠNGLƯUTRỮ 10

1.1.1 Khái niệm mạng lưu trữ 10

1.1.2 Lợi ích của SAN Error! Bookmark not defined

1.2.CÁCGIẢIPHÁPLƯUTRỮ E RROR ! B OOKMARK NOT DEFINED

1.2.1 Thiết bị lưu trữ kết nối trực tiếp (Direct attached storage - DAS) Error!

Bookmark not defined

1.2.2 Thiết bị lưu trữ kết nối qua mạng (Network Attached Storage - NAS) Error!

Bookmark not defined

1.2.3 Mạng lưu trữ (Storage Area Network – SAN) Error! Bookmark not defined

1.3.CÁCTHÀNHPHẦNTẠONÊNSAN E RROR ! B OOKMARK NOT DEFINED

1.3.1 SAN Server Error! Bookmark not defined 1.3.2 Host Bus Adapter (HBA) Error! Bookmark not defined 1.3.3 Hub và Switch kênh quang Error! Bookmark not defined 1.3.4 Router và gateway kênh quang Error! Bookmark not defined 1.3.5 Bridge và Multiplexer kênh quang Error! Bookmark not defined 1.3.6 Thiết bị lưu trữ Error! Bookmark not defined 1.3.7 Thiết bị backup Error! Bookmark not defined 1.3.8 Các thành phần phần mềm Error! Bookmark not defined

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH KẾT NỐI, CÔNG NGHỆ VÀ GIAO THỨC SỬ DỤNG TRONG MẠNG LƯU TRỮ ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED

2.1.CÁCMÔHÌNHKẾTNỐITRONGMẠNGLƯUTRỮE RROR ! B OOKMARK NOT DEFINED

2.1.1 Điểm-tới-điểm (Point-to-point) Error! Bookmark not defined 2.1.2 Mạng vòng (FC-AL) Error! Bookmark not defined 2.1.3 Mạng Fabric (FC-SW) Error! Bookmark not defined

2.2.CÁCCÔNGNGHỆSỬDỤNGTRONGMẠNGLƯUTRỮE RROR ! B OOKMARK NOT DEFINED

2.2.1 Công nghệ ảo hóa lưu trữ Error! Bookmark not defined 2.2.2 Công nghệ RAID Error! Bookmark not defined

2.3.CÁCGIAOTHỨCSỬDỤNGTRONGMẠNGLƯUTRỮE RROR ! B OOKMARK NOT DEFINED

2.3.1 Giao thức FC (Fibre Channel) Error! Bookmark not defined

2.3.2 Giao thức iFCP (Internet Fiber Channel Protocol) Error! Bookmark not

defined

2.3.3 Giao thức iSCSI (Internet SCSI Protocol) Error! Bookmark not defined 2.3.4 So sánh iFCP và iSCSI Error! Bookmark not defined

CHƯƠNG 3 GIẢI PHÁP CẢI TIẾN MẠNG LƯU TRỮ TRONG MỘT HỆ

THỐNG NGÂN HÀNG ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED

3.1.MỘTSỐVẤNĐỀCẦNLƯUÝKHICẢITIẾNHỆTHỐNGMẠNGLƯUTRỮ

E RROR ! B OOKMARK NOT DEFINED

3.2.THỰCTRẠNGMẠNGLƯUTRỮTRONGMỘTHỆTHỐNGNGÂNHÀNG

E RROR ! B OOKMARK NOT DEFINED

3.2.1 Hệ thống Xử lý giao dịch trực tuyến - OLTP Error! Bookmark not defined 3.2.2 Hệ thống kho dữ liệu – DataWarehouse Error! Bookmark not defined 3.2.3 Hệ thống đào tạo – Training Error! Bookmark not defined 3.2.4 Một số đánh giá chung về các hệ thống Error! Bookmark not defined

3.3.MỘTSỐGIẢIPHÁPCẢITIẾN E RROR ! B OOKMARK NOT DEFINED

3.3.1 Yêu cầu đặt ra của các hệ thống Error! Bookmark not defined 3.3.2 Tích hợp các hệ thống về một SAN thống nhấtError! Bookmark not defined 3.3.3 Tăng cường khả năng sẵn sàng của hệ thống fabric Error! Bookmark not

defined

3.3.4 Phương pháp đồng bộ giữa hai tủ đĩa Error! Bookmark not defined 3.3.5 Nâng cao tính sẵn sàng (clustering) Error! Bookmark not defined 3.3.6 Phân vùng (zoning) Error! Bookmark not defined 3.3.7 Cải tiến hệ thống sao lưu và phục hồi dữ liệuError! Bookmark not defined

3.4.ANTOÀNVÀBẢOMẬTCHOHỆTHỐNGSAN E RROR ! B OOKMARK NOT DEFINED

3.4.1 Các đặc trưng chính Error! Bookmark not defined 3.4.2 Các lợi ích thu được khi thiết lập các chính sách bảo mật Error! Bookmark

not defined

3.4.3 Một số kỹ thuật sử dụng trong an toàn và bảo mật mạngError! Bookmark not

defined

KẾT LUẬN ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED TÀI LIỆU THAM KHẢO 11

LỜI CẢM ƠN

Luận văn được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Văn Tam - Viện Công nghệ thông tin - Viện khoa học tự nhiên và Công nghệ quốc gia

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến người thầy kính mến về sự hướng dẫn nhiệt tình, những ý kiến đóng góp quý báu và luôn tạo điều kiện thuật lợi cho tôi hoàn thành tốt bản luận văn này

Xin cảm ơn Khoa Công nghệ thông tin - Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà nội và các thầy cô giáo đã tạo điều kiện tốt về mọi mặt để tôi hoàn thành được bản luận văn

Hà nội, ngày 20 tháng 11 năm 2006

Tác giả

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ CÁI VIẾT TẮT

ACL - Access Control List

CSDL - Cơ sở dữ liệu

CNTT - Công nghệ thông tin

CRC - Cyclic Redundant Check

DAS - Direct Attached Storage

DES - Data Encryption Standard

FC - Fibre Channel

FC-AL - Fibre Channel Arbitrated Loop

FCP - Fibre Channel Protocol

FCIP - Fibre Channel over IP

GBIC - Gigabit Interface Converters

HBA - Host Bus Adapter

ID - Identification

iFCP - Internet Fibre Channel Protocol

I/O - Input/Output

IOPS - Inputs/Outputs Per Second

IP - Internet Protocol

iSCSI - Internet Small Computer System Interface

ISL - Inter-Switch Link

iSNS - Internet Storage Name Services

KDC - Key Distribution Center

LAN - Local Area Network

NAS - Network Attached Storage

NIC - Network Interface Card

OLTP - Online Transaction Processing

PKI - Public Key Infrastructure

QoS - Quality of Service

RAID - Redundant Array of Independent Disk

RD - Running Disparity

SAN - Storage Area Network

SNS - Simple Name Server

SHA - Secure Hash Algorithm

TCP - Transmission Control Protocol

UDP - User Datagram Protocol

ULP - Upper Layer Protocol

WAN - Wide Area Network

WWN - World Wide Name

WWPN - World Wide Port-Name

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1-1: Các thành phần trong môi trường mạng SAN 11

Hình 1-2: Thiết bị lưu trữ kết nối trực tiếp - DAS 12

Hình 1-3: Thiết bị lư trữ kết nối qua mạng - NAS 14

Hình 1-4: Mạng lưu trữ - SAN 14

Hình 1-5: Hub 17

Hình 1-6: Switch 17

Hình 1-7: Router kênh quang 18

Hình 1-8: Bridge 19

Hình 2-1: Các mô hình kết nối trong mạng lưu trữ 21

Hình 2-2: Mô hình kết nối điểm - tới - điểm 22

Hình 2 - 3: Mô hình kết nối mạng vòng FC-AL 22

Hình 2-4: Tiến trình tạo mạng vòng 22

Hình 2-5: Chức năng Repeater 23

Hình 2-6: Chức năng kênh vượt cổng 23

Hình 2-7: Mô hình kết nối mạng fabric 24

Hình 2-8: Các thành phần trong fabric 25

Hình 2-9: Ảo hóa lưu trữ 27

Hình 2-10 : Snapshot truyền thống và Vsnap 30

Hình 2-11: RAID 0 32

Hình 2-12: RAID 1 32

Hình 2-13: RAID 0+1 33

Hình 2-14: RAID 2 33

Hình 2-15: RAID 3 34

Hình 2-16: RAID 4 34

Hình 2-17: RAID 5 34

Hình 2-18: RAID 6 35

Hình 2-19: Kiến trúc kênh quang 36

Hình 2-20: Sơ đồ cơ chế kết nối quang Fibre Channel 37

Hình 2-21: Cấu trúc khung 41

Hình 2-22: Mức 1- Flow Control 45

Hình 2-23: Mức 2- Flow Control 45

Hình 2-24: Mức 3- Điều khiển luồng 46

Hình 2-25: Mô hình mạng iFCP 51

Hình 2-26: Mô hình triển khai iFCP 52

Hình 2-27: Cấu trúc iFCP Header 52

Hình 2-28: Ánh xạ FC sang iFCP 53

Hình 2-29: Ánh xạ iFCP sang FC 54

Hình 2-30: Mô hình giao thức iSCSI 55

Hình 3-1: Mô hình hệ thống Xử lý giao dịch trực tuyến 63

Hình 3-2: Mô hình hệ thống Data Warehouse 64

Hình 3-3 : Mô hình hệ thống Training 65

Hình 3-4: Mô hình SAN hợp nhất 67

Hình 3-5: Hệ thống OLTP trên mạng lưu trữ hợp nhất 69

Hình 3-6: Hệ thống Data Warehouse trên mạng lưu trữ hợp nhất 70

Hình 3- 7: Hệ thống Training trên mạng lưu trữ hợp nhất 71

Hình 3-8: Mạng fabric của hệ thống lưu trữ hợp nhất 71

Hình 3-9: Nhân bản đồng bộ 72

Hình 3-10: Nhân bản dị bộ 73

Hình 3-11: Mô hình cluster 2 node 74

Hình 3-12: Cluster sau khi xảy ra failover 75

Hình 3-13: Phân vùng trên fabric 77

Hình 3-14: Phân vùng hệ thống OLTP trên fabric 78

Hình 3-15: Phân vùng hệ thống Data Warehouse trên fabric 79

Hình 3-16: Phân vùng hệ thống Training trên fabric 79

Hình 3-17: Phân vùng server quản lý trên fabric 80

Hình 3-18: Mô hình cluster hai Cell Manager 81

Hình 3-19: Cải tiến mô hình backup dữ liệu 82

Hình 3-20: Các lớp “rào chắn” bảo vệ thông tin trên mạng 85

Hình 3-21: Sơ đồ quy trình mật mã 87

Hình 3-22: Xác thực sử dụng khóa bí mật 98

Hình 3-23: Xác thực sử dụng khóa bí mật rút gọn 98

Hình 3-24: Tấn công xác thực 99

Hình 3-25: Xác thực sử dụng KDC 99

Hình 3-26: Giao thức xác thực Needham-Schroeder 99

Hình 3-27: Giao thức xác thực Otway - Rees 100

Hình 3-28: Chữ ký số với Big Brother 101

Hình 3-29: Chữ ký số sử dụng mã hóa công khai 102

Hình 3-30: Chữ ký số sử dụng đại diện thông điệp 103

MỞ ĐẦU

Mạng lưu trữ (Storage Area Network - SAN) ngày càng phát triển cùng với sự phát triển của các ứng dụng lớn ví dụ như các hệ thống dữ liệu tài chính, ngân hàng, các

hệ thống lưu trữ quốc gia SAN là một mạng nhỏ, tốc độ cao, chia sẽ các thiết bị lưu trữ như các tủ đĩa, tủ tape SAN kết nối các máy chủ, máy trạm với các thiết bị lưu trữ sử dụng các công nghệ kết nối Fibre Channel, SCSI (Small Computer System Interface) Công nghệ kết nối Fibre Channel cung cấp một băng thông ổn định với hiệu suất cao trên một khoảng cách xa, khả năng tạo các đường kết nối dự phòng và cân bằng tải nhằm đảm bảo tính sẵn sàng cao cho hệ thống

Kiến trúc SAN được xây dựng sao cho tất cả các thiết bị lưu trữ đều có thể truy cập từ các server trên mạng này Do các dữ liệu được lưu trữ trực tiếp không nằm trên các server mạng nên công suất của các server được tập trung sử dụng cho các ứng dụng SAN cũng có các thành phần như giống như một mạng LAN, bao gồm các SAN switch, router, các máy chủ, máy trạm và các thiết bị lưu trữ SAN hỗ trợ truyền tốc độ cao giữa các máy chủ và thiết bị lưu trữ theo các cách: server to storage, server to server, storage to storage SAN không dùng giao thức thông điệp TCP/IP (message protocol) mà dùng các giao thức

dữ liệu (data protocol) như FCP, iFCP, SCSI, iSCSI SAN cung cấp khả năng linh hoạt chưa từng có về quản lý và cấu hình, đem lại khả năng sẵn sàng, độ tin cậy cao nhất

Nội dung của đề tài tập trung đi vào các vấn đề chính sau đây:

Chương 1 - Tìm hiểu công nghệ mạng lưu trữ hiện nay Trình bày tổng quan về công nghệ mạng lưu trữ SAN, các thành phần của mạng SAN

Chương 2 - Tìm hiểu về các mô hình kết nối, công nghệ và các giao thức được sử dụng trong mạng lưu trữ

Chương 3 - Phân tích về thực trạng mạng lưu trữ tại một hệ thống Ngân hàng Trên cơ sở thực trạng của hệ thống mạng lưu trữ đề xuất một số giải pháp cải tiến hệ thống mạng lưu trữ

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ MẠNG LƯU TRỮ

1.1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MẠNG LƯU TRỮ

Trước đây, hướng tiếp cận của các doanh nghiệp là các thiết bị lưu trữ sẽ được kết nối trực tiếp tới hệ thống máy chủ Các máy chủ được kết nối và truyền nhận dữ liệu thông qua mạng cục bộ và mạng diện rộng Ngày nay, cùng với sự phát triển của các doanh nghiệp, các thách thức đặt ra là:

- Sự tăng trưởng dung lượng lưu trữ của doanh nghiệp theo hàm mũ

- Yêu cầu hệ thống không dừng

Giải pháp để trả lời cho những thách thức mà doanh nghiệp phải đối mặt đó là dựa trên các công nghệ đã được phát triển, mạng lưu trữ (SAN) được xây dựng nhằm tạo một nền tảng cơ sở cho hệ thống thông tin với khả năng mềm dẻo, đáp ứng tốt với chi phí phù hợp

Mạng lưu trữ SAN được đánh giá là thế hệ tiếp theo của kiến trúc mạng tốc độ cao

1.1.1 Khái niệm mạng lưu trữ

Mạng lưu trữ là mạng tốc độ cao (tốc độ truyền dữ liệu từ 1 đến 2 Gb/s và sau này có thể lên tới 10 Gb/s) trong có các server cùng truy cập đến một vùng lưu trữ chung gồm các hệ thống lưu trữ

Môi trường SAN cung cấp kết nối (có thể có nhiều đường kết nối) hoặc giữa các server với nhau, hoặc giữa các server với hệ thống lưu trữ, hoặc giữa các hệ thống lưu trữ với nhau [9, 12, 15]

Một mạng SAN có thể được chia thành các phần như sau:

- Lớp client: các client chính là các điểm truy cập SAN

- Lớp server: các thành phần chính của lớp này chính là các server, các HBA, bao

gồm các GBIC và các trình điều khiển HBA truyền thông với lớp Fabric

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt

[1] Phan Đình Diệu (2002), Lý thuyết mật mã & An toàn thông tin, NXB Đại học

Quốc gia Hà nội

[2] Nguyễn Thúc Hải (1997), Mạng máy tính và các hệ thống mở, tr 194-207, NXB

Giáo dục

[3] Vũ Duy Lợi (2002), Mạng thông tin máy tính, tr.335-355, NXB Thế giới

Tiếng Anh

[4] Andrew S Tanenbaum, Computer Networks, Prentice-Hall Internatonal

[5] David Norman (2001), Fibre Channel Technology for Storage Area networks [6] Greg Schulz (2004), Resilient Storage Networks, Digital Press

[7] Ralph H Thornburgh & Barry J Schoenborn (2001), Storage Area Networks,

Prentice-Hall PTR

[8] Jon Tate, Jim Kelly (2005), IBM TotalStorage: SAN Product, Design, and

Optimization Guide, IBM

[9] Jon Tate, Rajani Kanth (2005), Introduction to Area Networks, IBM

[10] Rowell Hemandez, Keith Carmichael (2002), IBM Storage Networking: IBM

NAS and iSCSI Solutions, IBM

[11]Stallings, William (2000), Data and Computer Communications, Prentice-Hall [12] Brocade White Paper, Brocade SAN Plan Guide

[13] HP reference guide (5/2003), HP StorageWorks SAN Design

[14] HP (2002), Configuring OPS Clusters with ServiceGuard OPS Edition

[15] HP Training (2004), SAN Fundamentals

[16] HP (2003), HP StorageWorks SAN design

[17] Storage Networking Industry Association (2005), Introduction to Storage

Security

[18] SNIA IP Storage forum (2000), Internet Fibre Channel Protocol

Một số trang Web:

[19] Strategic and Innovative RAID Solution, www.acnc.com

[20] The Fibre Channel Industry Associaction, www.fibrechannel.com [21] The Storage Network Industry Association, www.snia.org