1.引言

　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，信息或數(shù)據(jù)已然成為了人們生活中必不可少的重要組成部分。計(jì)算、存儲(chǔ)、傳輸是的數(shù)據(jù)信息存在的三種狀態(tài)。通常情況下，由主機(jī)系統(tǒng)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的計(jì)算，同時(shí)也會(huì)通過(guò)文件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)等手段對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，而存儲(chǔ)設(shè)備往往是使用物理直連的方式連接在主機(jī)系統(tǒng)中。為了能夠更好地實(shí)現(xiàn)設(shè)備的充分利用和資源共享，人們將存儲(chǔ)方式轉(zhuǎn)向網(wǎng)絡(luò)化存儲(chǔ)，希望通過(guò)提高存儲(chǔ)系統(tǒng)自身的數(shù)據(jù)管理能力，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)獨(dú)立于主機(jī)系統(tǒng)之外，以網(wǎng)絡(luò)方式連接主機(jī)和存儲(chǔ)系統(tǒng)。隨著對(duì)數(shù)據(jù)的依賴性逐漸增加，人們通常采用對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行備份的方式來(lái)防止數(shù)據(jù)丟失。

　　根據(jù)網(wǎng)絡(luò)與存儲(chǔ)系統(tǒng)結(jié)合的不同形式，網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)技術(shù)也隨之發(fā)展。目前主流的技術(shù)有NAS(網(wǎng)絡(luò)連接存儲(chǔ))、SAN(存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò))基于IP的存儲(chǔ)。NAS是一種基于文件的、直接利用局域網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇鎯?chǔ)架構(gòu)，主要優(yōu)勢(shì)在于可以很容易的實(shí)現(xiàn)異構(gòu)平臺(tái)的文件共享、多用戶同時(shí)訪問(wèn)。NAS是基于局域網(wǎng)的存儲(chǔ)，而SAN的功能是將存儲(chǔ)設(shè)備從局域網(wǎng)中分離出來(lái)，使其被看成是負(fù)責(zé)存儲(chǔ)的“后端”網(wǎng)絡(luò)，而“前端”網(wǎng)絡(luò)則負(fù)責(zé)正常的TCP/IP傳輸，從而降低了網(wǎng)絡(luò)的擁塞，簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸�；�于IP的存儲(chǔ)是指利用IP網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)類似SAN的塊級(jí)數(shù)據(jù)處理。目前正處于廣泛研究中的基于IP的存儲(chǔ)技術(shù)有FCIP(FibreChannel over IP)，IFCP(Internet Fibre Channel)，iSCSI(Internet SCSI)等�；�于IP的存儲(chǔ)技術(shù)主要優(yōu)點(diǎn)是可以很好地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和遠(yuǎn)程訪問(wèn)，系統(tǒng)造價(jià)低、便于構(gòu)建和維護(hù)，將共享存儲(chǔ)擴(kuò)展到局域網(wǎng)甚至是Internet上，克服了光纖通道對(duì)數(shù)據(jù)傳輸距離的限制。本文主要研究的是利用熱備的方式來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)系統(tǒng)的安全性和可靠性。

　　2.熱備網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)系統(tǒng)整體框架

　　本系統(tǒng)主要由主從兩臺(tái)網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)設(shè)備組成，每臺(tái)網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)設(shè)備集成了磁盤(pán)陣列及相關(guān)控制器。主從網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)備內(nèi)的磁盤(pán)陣列可組成RAID，提高磁盤(pán)的讀寫(xiě)速度并提供數(shù)據(jù)保護(hù)。另外，主從網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)設(shè)備的磁盤(pán)陣列可組成鏡像關(guān)系，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可用性。熱備網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。

圖1 熱備網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成框圖

　　從圖中可以看出，主設(shè)備和從設(shè)備是互為備份的網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)設(shè)備，兩臺(tái)設(shè)備系統(tǒng)之間通過(guò)心跳線和數(shù)據(jù)同步線相連，分別用于實(shí)現(xiàn)設(shè)備的心跳檢測(cè)和設(shè)備間的數(shù)據(jù)同步�？蛻舳撕头�務(wù)器可以通過(guò)萬(wàn)兆網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)訪問(wèn)。熱備網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)系統(tǒng)所有軟件集成于熱備網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)設(shè)備中，不需要在用戶服務(wù)器上安裝專用軟件，不占用用戶資源。

　　3.熱備網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)系統(tǒng)的軟件架構(gòu)及模塊劃分

　　本系統(tǒng)中內(nèi)部軟件由四個(gè)模塊組成，分別是iSCSI模塊、數(shù)據(jù)鏡像模塊、主備檢測(cè)模塊、系統(tǒng)配置模塊。系統(tǒng)整體的內(nèi)部框圖如圖2所示。熱備網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)系統(tǒng)主要通過(guò)iSCSI模塊支持iSCSI協(xié)議，使得用戶能夠以網(wǎng)絡(luò)硬盤(pán)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問(wèn)；數(shù)據(jù)鏡像模塊和主備檢測(cè)模塊是本系統(tǒng)的核心部分，數(shù)據(jù)鏡像模塊主要完成主從設(shè)備之間的鏡像創(chuàng)建、狀態(tài)維持和鏡像管理功能；主備檢測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)備的故障檢測(cè)和相互之間的業(yè)務(wù)切換；系統(tǒng)配置模塊為用戶提供了對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行管理、配置的功能。

圖2 系統(tǒng)整體內(nèi)部框圖

　　3.1 iSCSI模塊

　　iSCSI(Internet SCSI)模塊用于實(shí)現(xiàn)iSCSI協(xié)議。iSCSI協(xié)議用于在TCP/IP網(wǎng)絡(luò)上傳輸SCSI協(xié)議命令，將SCSI定義的發(fā)起方(Initiator)和目標(biāo)方(Target)由原來(lái)的SCSI總線連接擴(kuò)展到inter—net上。由于位于提供服務(wù)的一端，因此iSCSI模塊實(shí)現(xiàn)的是iSCSI的目標(biāo)方(Target)。iSCSI模塊實(shí)現(xiàn)功能如下：
　
　　1)實(shí)現(xiàn)iSCSI協(xié)議的目標(biāo)端，符合標(biāo)準(zhǔn)iSCSI協(xié)議，支持iSCSI initiator的搜索、連接、數(shù)據(jù)讀寫(xiě)操作；

　　2)能夠?qū)⑾到y(tǒng)中的硬盤(pán)設(shè)備映射為不同的LUN，支持映射多個(gè)LUN；

　　3)支持針對(duì)每個(gè)LUN設(shè)置不同的WWID，該功能保證用戶服務(wù)器能夠正確識(shí)別曾掛載過(guò)的LUN，并賦予原設(shè)備號(hào)。

　　4)調(diào)用萬(wàn)兆網(wǎng)卡TOE、iSCSI卸載、RDMA技術(shù)，提升傳輸性能、減少時(shí)延；iSCSI模塊通過(guò)讀取配置文件的方式進(jìn)行初始化操作。配置文件中包括iSCSI接口參數(shù)、LUN映射。更改iSCSI參數(shù)需要重新加載iSCSI模塊。

　　3.2 數(shù)據(jù)鏡像模塊

　　熱備網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)系統(tǒng)里的每臺(tái)網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)設(shè)備中，都使用了RAID技術(shù)來(lái)避免單磁盤(pán)故障；同樣，為了防止單臺(tái)網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)設(shè)備整體故障，在兩臺(tái)設(shè)備上使用磁盤(pán)鏡像，實(shí)現(xiàn)磁盤(pán)鏡像功能的模塊就是鏡像模塊。鏡像模塊實(shí)現(xiàn)了類似于跨主機(jī)之間的RAIDl功能。它的作用是將本地磁盤(pán)(盤(pán)陣列邏輯盤(pán))與其他網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)設(shè)備的磁盤(pán)(盤(pán)陣列邏輯盤(pán))共同構(gòu)成一個(gè)存儲(chǔ)鏡像。鏡像模塊實(shí)現(xiàn)主要功能如下：

　　1)將兩臺(tái)網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)設(shè)備組成存儲(chǔ)鏡像關(guān)系；

　　2)將兩臺(tái)網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)設(shè)備的RAID邏輯盤(pán)組成磁盤(pán)鏡像后虛擬成鏡像邏輯盤(pán)，并提供訪問(wèn)接口；

　　3)磁盤(pán)鏡像的讀寫(xiě)；

　　4)維持磁盤(pán)鏡像狀態(tài)，出現(xiàn)異常情況進(jìn)行相應(yīng)處理；

　　5)支持失去同步后可根據(jù)磁盤(pán)鏡像同步信息重新同步，并重組原鏡像。

　　鏡像模塊的組成邏輯盤(pán)示意圖如圖3所示。

圖3 鏡像模塊邏輯示意圖

　　3.3 主備檢測(cè)模塊

　　主備檢測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)設(shè)備之問(wèn)的同步狀態(tài)檢測(cè)、主備切換。主備檢測(cè)模塊可采用網(wǎng)口及串口的方式檢測(cè)心跳連接，檢測(cè)間隔時(shí)間、失去同步判定時(shí)間可配置。主備檢測(cè)模塊周期性地發(fā)送同步信號(hào)，并相互檢測(cè)該信號(hào)，作為熱備網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)系統(tǒng)有無(wú)故障判斷的依據(jù)。當(dāng)主備檢測(cè)模塊檢測(cè)到對(duì)端網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)設(shè)備故障停機(jī)后，如果本網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)設(shè)備當(dāng)前為備設(shè)備，則將本網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)設(shè)備設(shè)置為主設(shè)備，并接管當(dāng)前業(yè)務(wù)。系統(tǒng)初始主備狀態(tài)由人工配置決定。

　　為提高主備檢測(cè)模塊可擴(kuò)展性，主備切換時(shí)業(yè)務(wù)接管操作采用執(zhí)行配置腳本方式實(shí)現(xiàn)。目前支持的IP地址切換、MAC地址切換、iSCSI模塊控制、鏡像模塊控制。此外，為了避免兩臺(tái)網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)設(shè)備心跳連接斷開(kāi)后的“分腦”，支持創(chuàng)建多條心跳連接同時(shí)檢測(cè)。

　　3.4 系統(tǒng)配置模塊

　　目前熱備網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)系統(tǒng)采用兩種獨(dú)立的配置與監(jiān)測(cè)方式：SNMP、web服務(wù)器。實(shí)現(xiàn)功能包括：

　　1)實(shí)現(xiàn)鏡像模塊、主備檢測(cè)模塊、iSCSI模塊、及操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)；2)完成鏡像模塊配置、主備檢測(cè)模塊配置、iSCSI模塊配置功能；3)完成鏡像模塊、主備檢測(cè)模塊、iSCSI模塊出錯(cuò)顯示及告警功能(致命故障告警通過(guò)蜂鳴聲進(jìn)行提示)；4)完成鏡像模塊控制功能，能夠更改鏡像模塊狀態(tài)，對(duì)于失去同步的鏡像模塊能夠進(jìn)行恢復(fù)操作。

　　4.系統(tǒng)自動(dòng)主備切換時(shí)數(shù)據(jù)完整性解決

　　自動(dòng)主備切換時(shí)保證用戶數(shù)據(jù)完整性的解決途徑如下：鏡像采用同步寫(xiě)操作，即主網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)塊的寫(xiě)入操作時(shí)，只有當(dāng)數(shù)據(jù)塊已寫(xiě)人本設(shè)備磁盤(pán)陣列并且成功將該數(shù)據(jù)塊寫(xiě)入鏡像網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)設(shè)備中時(shí)，才通知用戶服務(wù)器繼續(xù)寫(xiě)人數(shù)據(jù)。同步寫(xiě)操作由于需要同時(shí)寫(xiě)兩臺(tái)設(shè)備，因此寫(xiě)速度會(huì)有所下降。數(shù)據(jù)塊寫(xiě)入順序如圖4所示。

圖4 同步寫(xiě)操作的數(shù)據(jù)塊寫(xiě)入順序

　　5.結(jié)語(yǔ)

　　隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，當(dāng)前微處理器設(shè)計(jì)已經(jīng)轉(zhuǎn)向多線程、多內(nèi)核、面向移動(dòng)計(jì)算機(jī)的低功耗設(shè)計(jì)，而存儲(chǔ)性能的提高也面臨著功耗、可靠性和成本三大難題。存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的丟失或被破壞對(duì)于用戶來(lái)講將造成無(wú)法估量的損失，如何提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的安全性、可靠性將是存儲(chǔ)領(lǐng)域最需要解決的問(wèn)題。數(shù)據(jù)的安全性是指系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)在運(yùn)行中保持安全可靠，作為數(shù)據(jù)載體的系統(tǒng)在運(yùn)行中的故障不影響數(shù)據(jù)的正確。對(duì)于關(guān)鍵性業(yè)務(wù)要求做到確保數(shù)據(jù)的完整、一致、安全、可靠。即使出現(xiàn)故障，也應(yīng)有多種手段在最短的時(shí)間內(nèi)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行故障恢復(fù)，保證業(yè)務(wù)的正常開(kāi)展。
　　
本文采用了熱備的網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)方式來(lái)保證數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)安全性，并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)功能上的模型。通過(guò)熱備網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)備份，并可以自動(dòng)切換主備存儲(chǔ)設(shè)備使業(yè)務(wù)不會(huì)中斷，從而保證了系統(tǒng)業(yè)務(wù)的連續(xù)性和可靠性。采用熱備網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行存儲(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)化存儲(chǔ)方式可以很好的保證數(shù)據(jù)的安全性和系統(tǒng)的可用性。

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本文標(biāo)題：熱備網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

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