智能网络存储方案

一、概述

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眼下，数字视音频网络和数据网络的大规模应用，已经成为电视行业发展的必然趋势。这背后，是对更大容量、更快速度、更强有力的网络数据存储与共享路径的迫切需求。那么，出路在哪里？网络存储技术，无疑为我们提供了一个极具前景的答案。

二、网络存储技术的分类

目前的网络存储技术，主要可以划分为三大类：

1、直接依附存储系统（Direct Attached Storage, DAS）

DAS，也被称为以服务器为中心的存储体系，其结构如图一所示。它的核心特征在于，存储设备是通用服务器的一部分，这台服务器既要运行应用程序，又要负责数据访问。换句话说，数据的存取与操作系统、文件系统以及服务程序紧密捆绑在一起。这种架构的弊端显而易见：当用户数量激增，或者服务器本身负载较高时，其响应速度就会显著下降。在网络带宽充足的情况下，服务器自身反而成了数据输入输出的瓶颈。因此，这种方案已逐渐难以满足现代需求，正被市场所淘汰。

2、网络依附存储系统（Network Attached Storage, NAS）

NAS的结构理念是以网络为中心，并专注于文件服务。在这种体系下，应用服务和数据存储被分离开来，分别由专用的应用服务器和专用的数据服务器（常被称为“瘦服务器”）承担。数据服务器通过局域网接口与应用服务器连接，后者将其视为一个网络文件系统，通过标准的局域网协议进行访问。得益于NFS、CIFS等通用网络文件传输协议，NAS能够在Windows NT、UNIX等异构服务器环境之间轻松实现数据共享。整个NAS系统的核心在于文件服务器，它是一个经过深度优化的专用设备，既是文件系统的驻地，也是整个NAS设备的控制中心，通常可以支持多个I/O节点和网络接口，每个I/O节点都管理着自己的存储设备。

3、存储区域网络（Storage Area Network, SAN）

SAN是一种基于光纤通道（Fiber Channel, FC）技术，实现服务器与存储设备之间高速通信的网络架构，如图三所示。它的核心是FC网络。在这种架构中，服务器和存储系统各自独立、地位平等，通过高带宽的FC集线器或交换机相连（传输速率可达800Mb/s，双工模式下甚至能达到1.6Gb/s），从而有效避免了大流量数据传输时的网络阻塞和冲突。应用工作站通过局域网访问服务器，而存储设备之间的数据交换可以不经过服务器，这就大大减轻了服务器的处理压力。

三、NAS与SAN的比较

相较于传统的网络存储技术，无论是NAS还是SAN，其在网络传输带宽、数据共享性、存储容量可扩展性、数据一体化与安全性等方面的优势都是不言而喻的。因此，如今用户在规划存储方案时，实际上面临的往往是在NAS和SAN之间做出选择。

这两者有不少共同点：它们都提供集中化的数据存储和整合优化，都能高效地存取文件，都支持在多种操作系统的主机间共享数据，并且都实现了存储与应用服务器的分离。同时，它们也都通过冗余部件和RAID技术来保障数据的高可用性和完整性。

当然，差异也同样明显。首先，在实施和维护的难易程度上就不同。NAS设备直接接入现有的局域网即可使用，管理员只需配置网络访问权限或用户磁盘配额。由于其支持热插拔和即插即用，新增设备时无需停机或复杂配置，新存储空间能立即被共享。反观SAN，它需要通过专用的FC交换机构建独立网络，客户端增加时需要级联交换机，安装与设置的复杂度显著提升。

其次，设备管理方式不同。NAS设备通常需要逐一管理，随着设备数量增加，管理成本近乎线性增长。而SAN可以通过专用的管理软件进行集中式管理，管理员能够通过统一的图形界面管理不同平台和介质上的数据，整个存储网络就像一个集中化的存储池，管理起来简便得多。

再者，管理的对象本质不同。SAN管理的是底层的磁盘块空间，像个“磁盘工厂”；而NAS管理的是上层的文件，更像一个“文件服务器”。

最后，也是至关重要的一点，是性能差异。NAS基于传统的以太网，虽然解放了服务器，但却将压力转移到了局域网上。其性能上限受制于网络带宽，一旦带宽不足，性能就会急剧下降。若为了提升性能而升级网络，又会丧失其成本较低、部署简单的优势。SAN则构建于专用的光纤数据网络，能提供极高的带宽（新一代FC标准可达4Gb/s），完全不必担心因带宽瓶颈导致的性能劣化。

总而言之，NAS和SAN各有长短，适用场景也不同。对于预算有限、已有传统以太网基础、且急需快速扩展存储空间的用户，NAS是一种经济、快捷的方案。而对于资金雄厚、对网络性能有极高要求、且未来有强劲发展预期的用户，SAN无疑是更佳的选择。

四、SAN的现状和发展

1、现状

凭借其高速、集中化存储管理和近乎无限的扩展能力，采用FC技术的SAN非常适合存储、传输和实时处理海量的视音频数据，因此已在众多电视台得到推广，甚至成为其运作的核心。在视频处理领域，SAN就像数字视频网络的“大本营”，不仅承担着数据的存储、迁移、交换和共享，还掌管着网络设备的登记、删除、查询和维护。可以这样理解：SAN是电视台视频网络的骨干，其上可以挂接新闻生产系统、非线性编辑系统、广告插播系统、数字化节目库等各种子系统。

然而，随着SAN的广泛应用，其一些缺点也逐渐暴露。它仍然沿用传统网络结构进行存储操作，并将传统网络硬件和管理技术应用于新的存储架构，导致了系统匹配问题。当存储数据达到TB级别，且高带宽访问站点众多时，系统性能容易出现严重下降。而第二代SAN——SDD的出现，正是为了弥补这些不足。

2、发展

新一代SAN的核心是SDD。它并非一个更大的交换机，但功能却强大得多。SDD将交换、缓存、RAID、I/O以及数据和文件管理功能集于一身，并能完成数据和网络管理，为数据交换提供高带宽、高容错的集中存储访问。

SDD内部有两个完全相同的组件，称为HSTD（HSTD1、HSTD2）。每个HSTD拥有四个带宽为100MB/S的数据交换端口（称为HOST），因此单个HSTD带宽为400MB/S，整个SDD的带宽则高达800MB/S。HOST端口可以直接连接服务器、工作站，也可以连接交换机。每个HSTD还有一个60芯的数据总线用于连接存储硬盘阵列，完成数据交换。其结构示意图如图四所示。

SDD利用HSTD组件简化了复杂的交换机级联，并将RAID控制器集成其中。前端端口连接服务器或交换机，后端端口连接硬盘柜。这使得网络结构变得异常清晰、简洁，扩展性极强。同时，SDD对传输通道、硬盘通道均采用了多重冗余设计，不仅提升了带宽，更增加了安全保障，使得系统几乎可以达到永不死机的可靠性。

3、对比

（1）带宽：传统SAN方案借助FC实现了100MB/s的带宽，其RAID控制器专为点对点通信设计，在少量站点同时访问同一数据时表现良好。但当并发访问站点增多时，带宽就会严重不足，导致性能骤降。如果采用多硬盘塔分担负载的方案，又必须使用交换机进行级联，这会使网络连接变得极其复杂（如图五所示），并且交换机之间的100MB/s通道反而会成为新的网络瓶颈。而在SDD中，带宽可达800MB/s，并且采用新型RAID控制器，将交换机的级联改为并联，彻底消除了大规模网络传输中的瓶颈。

（2）扩展性：传统SAN沿用客户端/服务器结构，可升级性和智能化较差。系统升级必须增加交换机、RAID控制器及不同的控制软件，且只能通过交换机级联来扩展站点。这在网络规模较小（高带宽站点少于十个）时影响不大。但当高带宽站点超过10个时，传统SAN的性能会越来越低，难以构建大型网络。因为FC交换机虽然速度快，但会在网络中引入延迟；级联交换机以增加端口也会产生延迟，当需要多台交换机时，延迟将非常明显，导致数据处理性能下降。在SDD网络中，所有FC交换机都与SDD控制器并行连接，互不影响。增加站点时，无需改动原有连接，只需将新交换机接入SDD即可，带宽实现线性增长，能够轻松构建大型网络。

（3）稳定性、安全性：从图四可以看出，传统SAN在站点增多后需要FC交换机二级连接，这增加了连接点、RAID控制器和电缆的数量。故障点增多，且故障源难以定位，维护难度大。而SDD网络结构简单，连接点少，出错概率低，故障点易于判断，如图五所示。对比图五与图四，在相同网络规模下，SDD的连接显然更简洁。此外，存储硬盘与SDD之间、FC交换机与SDD之间均采用双链路备份，容错能力更强。

（4）RAID结构：传统RAID在一个环路中对磁盘的访问是顺序的，这降低了RAID卷的读写能力。一个环路支持的硬盘数量有限，导致单个卷容量太小。当总存储容量达到TB级以上时，系统会出现十几个盘符，不仅降低了系统稳定性，也加大了管理难度。如果在NT系统下做带区集，则会降低系统安全性、消耗资源，并导致带宽下降。同时，传统FC硬盘塔中，单个硬盘故障不会影响整个RAID组，但整个盘塔故障则会导致其上所有RAID数据丢失。SDD的RAID则在多个盘塔之间构建，即使一个盘塔故障，整个RAID仍能正常工作，极大提高了存储系统的容错能力。SDD在10个磁盘通道上并发访问RAID，充分利用了系统的多通道、高带宽性能。此外，SDD采用两级RAID结构，即在RAID 3的基础上，将多个RAID组以RAID 0方式捆绑。这样做一方面使单个分区容量可达数TB，实现了数据的充分共享；另一方面集中利用了带宽，单个分区的带宽可超过360Mb/s。

（5）升级能力、性价比：随着存储容量和站点的增加，传统SAN需要大量增购FC交换机、硬盘塔、RAID控制器等设备，导致成本急剧上升。复杂的扩展结构又推高了维护成本。在SDD网络中进行扩充时，只需增加少量交换机和硬盘，整个网络结构保持不变，维护成本不会增加，有效保护了用户投资。SDD还可以复用传统SAN中的硬件，进一步节省投资。

除了上述性能提升，SDD还具备一些传统SAN所没有的优势：

(1) ZONING（分区）能力：可以在SDD控制器中配置ZONING，指定哪些工作站可以访问特定的LUN（逻辑单元号），从而提升系统安全性，并保障跨平台连接的安全。SDD还提供用户注册审查，警告非法注册，并记录所有安全操作日志。

(2) CACHE的集中使用：SDD系统的缓存非常大，可达5GB，并且这些缓存是集中管理和使用的，甚至可以当作应急硬盘使用（这对视音频处理至关重要），极大地提高了利用率和系统性能。而传统SAN系统的总缓存虽然也很大，但分散在各个控制器中，每一块对于视频采集和回放来说都太小，几乎没有利用价值。

五、总结

传统SAN适用于小规模的存储网络，如小型节目制作网、平面设计工作室或小型网站，它无法满足大型存储网络对传输带宽和存储容量的需求。

SDD则是专为SAN设计的新一代解决方案，它克服了原有SAN结构的缺点，提供了一个更广泛、更高性能的选择。其主要特性包括：数据处理与网络的智能化；强大的I/O处理能力；低延迟传输；高可靠性与可用性；以及对原有网络设备的良好兼容性。

利用SDD，可以实现数据的大量、高速传输，并支持多操作平台之间的高速智能化数据交换。它可广泛应用于大规模视频处理、互联网信息发布、数字资料库等需要对海量数据进行存储的领域。