數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)分析

塊是存儲(chǔ)的基礎(chǔ)架構(gòu)，對(duì)塊的管理是簡(jiǎn)單的。從全球第一個(gè)磁盤存儲(chǔ)技術(shù)50年前誕生到現(xiàn)在，塊的技術(shù)沒(méi)有發(fā)生太大變化。磁盤工業(yè)生產(chǎn)遍及全球。最近幾年，存儲(chǔ)行業(yè)興起存儲(chǔ)虛擬化和數(shù)據(jù)整合的新概念，在這些概念和方案中，數(shù)據(jù)還是以塊的形式通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行讀寫(xiě)操作。

塊形式的存儲(chǔ)在滿足數(shù)據(jù)可擴(kuò)展性和數(shù)據(jù)安全性的增長(zhǎng)方面，日益顯現(xiàn)出其局限性和不足。國(guó)際上主要有兩類網(wǎng)絡(luò)化存儲(chǔ)架構(gòu)，它們是通過(guò)命令集來(lái)區(qū)分的。

第一類是SAN(Storage Area Network)結(jié)構(gòu)，它采用SCSI 塊I/O的命令集，通過(guò)在磁盤或FC(Fiber Channel)級(jí)的數(shù)據(jù)訪問(wèn)提供高性能的隨機(jī)I/O和數(shù)據(jù)吞吐率，它具有高帶寬、低延遲的優(yōu)勢(shì)，在高性能計(jì)算中占有一席之地，但是由于SAN系統(tǒng)的價(jià)格較高，且可擴(kuò)展性較差，已不能滿足成千上萬(wàn)個(gè)CPU規(guī)模的系統(tǒng)。第二類是NAS(Network Attached Storage)結(jié)構(gòu)，它采用NFS或CIFS命令集訪問(wèn)數(shù)據(jù)，以文件為傳輸協(xié)議，通過(guò)TCP/IP實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化存儲(chǔ)，可擴(kuò)展性好、價(jià)格便宜、用戶易管理，如目前在集群計(jì)算中應(yīng)用較多的NFS文件系統(tǒng)，但由于NAS的協(xié)議開(kāi)銷高、帶寬低、延遲大，不利于在高性能集群中應(yīng)用。

針對(duì)Linux集群對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)高性能和數(shù)據(jù)共享的需求，國(guó)際上已開(kāi)始研究全新的存儲(chǔ)架構(gòu)和新型文件系統(tǒng)，希望能有效結(jié)合SAN和NAS系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，支持直接訪問(wèn)磁盤以提高性能，通過(guò)共享的文件和元數(shù)據(jù)以簡(jiǎn)化管理，目前對(duì)象存儲(chǔ)系統(tǒng)已成為L(zhǎng)inux集群系統(tǒng)高性能存儲(chǔ)系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)，如Panasas公司的Object Base Storage Cluster System系統(tǒng)和Cluster File Systems公司的Lustre等。

基于對(duì)象的存儲(chǔ)

在2004年， ANSI 推出了基于對(duì)象的存儲(chǔ)設(shè)備(OSD)的1.0版本規(guī)范。它定義了基于對(duì)象的存儲(chǔ)設(shè)備的通訊協(xié)議。OSD規(guī)范描述了一個(gè) SCSI 命令集合，由他提供一個(gè)高水平的OSD接口。這個(gè)接口允許客戶端， 比如文件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)存放和索引數(shù)據(jù)。 SNIA’S 技術(shù)工作組當(dāng)前正在開(kāi)發(fā)OSD 規(guī)范的2.0版本，這個(gè)版本年內(nèi)完成。

一個(gè)OSD設(shè)備存放對(duì)象，他控制著從對(duì)象到物理介質(zhì)的映射圖。設(shè)備同時(shí)也跟蹤作為屬性的元數(shù)據(jù)，例如建立時(shí)間標(biāo)記，從而允許在客戶端非常容易地共享數(shù)據(jù)。

可以說(shuō)，OSD最大的賣點(diǎn)在于它結(jié)合了SAN的可擴(kuò)展性和NAS的數(shù)據(jù)共享。早期的NAS架構(gòu)的擴(kuò)展性能并不好，因?yàn)樗械脑獢?shù)據(jù)的處理都集中在NAS服務(wù)器上。在有限的NAS頭下擴(kuò)張更多的存儲(chǔ)受到限制，而且這個(gè)時(shí)候，NAS上的元數(shù)據(jù)處理變成了瓶頸。如果想擴(kuò)展，就需要增加更多的NAS服務(wù)器，但是此時(shí)的管理成為頭疼的事情，因?yàn)閿?shù)據(jù)是分散的， 這就是我們常說(shuō)到的“NAS　孤島”

OSD的能力在于它將客戶端和OSD設(shè)備直接聯(lián)系起來(lái)，并不需要中間環(huán)節(jié)管理元數(shù)據(jù)。Panasas 公司，全球第一家提供商用OSD產(chǎn)品的公司，同時(shí)提供面向?qū)ο蟮拇鎯?chǔ)和并行文件系統(tǒng)。Panasas 公司的 DirectFLOW 的設(shè)計(jì)，客戶端從帶外管理的控制刀片得到目標(biāo)的分布和安全屬性。所有的數(shù)據(jù)流都直接從OSD存儲(chǔ)刀片到客戶端。盡管商用的OSD產(chǎn)品還只是鳳毛麟角，但是OSD技術(shù)還是在日新月異?！∥鹘莺虸BM已經(jīng)展示了OSDc產(chǎn)品?！P已經(jīng)和開(kāi)放源代碼廠家　Lustre 文件系統(tǒng)合作，使用OSD作為他的StorageWork 可擴(kuò)展文件系統(tǒng)的重要部分。

對(duì)于對(duì)象存儲(chǔ)來(lái)講，不光是解決了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的問(wèn)題，同時(shí)它還解決了數(shù)據(jù)安全性的問(wèn)題。存儲(chǔ)通常已經(jīng)依賴于客戶端和私有網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)證來(lái)保護(hù)系統(tǒng)的安全性，不管在文件服務(wù)器內(nèi)用的是FC SAN或SCSI陣列。對(duì)象存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)在每一個(gè)級(jí)別上都提供了安全性：存儲(chǔ)系統(tǒng)對(duì)存儲(chǔ)設(shè)備的認(rèn)證;存儲(chǔ)系統(tǒng)對(duì)計(jì)算節(jié)點(diǎn)的認(rèn)證;存儲(chǔ)系統(tǒng)對(duì)計(jì)算節(jié)點(diǎn)命令的認(rèn)證;所有命令都經(jīng)CRC的完整性檢查;數(shù)據(jù)和命令經(jīng)由IP的私有性。這樣的安全水平能給用戶以信心，他們可以用更經(jīng)濟(jì)高效，可管理并容易訪問(wèn)的網(wǎng)絡(luò)，如以太網(wǎng)，作為存儲(chǔ)的傳輸工具，同時(shí)還提高了整個(gè)存儲(chǔ)體系的安全性。

“對(duì)象存儲(chǔ)設(shè)備并不適合所有的用戶。” Panasas公司的CTO Garth Gibson博士說(shuō)。經(jīng)過(guò)幾年的努力，Panasas 在政府，科研，能源，媒體和金融服務(wù)有了很多非常成功的案例。“Panasas 是使用面向?qū)ο蟮拇鎯?chǔ)集群，來(lái)解決計(jì)算集群的并行存儲(chǔ)的問(wèn)題”。高性能計(jì)算和存儲(chǔ)專家胡家鎏教授說(shuō)。

高性能計(jì)算領(lǐng)域

對(duì)象存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)提供了一個(gè)帶有NAS系統(tǒng)的傳統(tǒng)的文件共享和管理特征的單系統(tǒng)映象(single-system-image)文件系統(tǒng)，并改進(jìn)了SAN的資源整合和可擴(kuò)展的性能。這種性能，可擴(kuò)展性，可管理性以及安全性的結(jié)合，只能通過(guò)在存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)上的重大革命才能被完成。

第一個(gè)支持對(duì)象體系結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品現(xiàn)在已經(jīng)問(wèn)世，它就是Panasas ActiveScale Storage Cluser (存儲(chǔ)集群)。

此產(chǎn)品已經(jīng)被部署在國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，地震資料處理機(jī)構(gòu)，以及生物技術(shù)組織，它們都在用Linux集群去解決關(guān)鍵的科學(xué)問(wèn)題，這些問(wèn)題在過(guò)去是用巨型超級(jí)計(jì)算機(jī)也不能解決的。它們都期盼能解決需要高性能，可擴(kuò)展的共享存儲(chǔ)才能解決的新問(wèn)題，這種存儲(chǔ)在Panasas的存儲(chǔ)體系之前，在市場(chǎng)上是沒(méi)有的。Panasas存儲(chǔ)集群及基于對(duì)象的存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)已經(jīng)展示了，它們能迎接由Beowolf/Linux集群計(jì)算體系結(jié)構(gòu)提出的挑戰(zhàn)，在那里，傳統(tǒng)的基于SAN和DAS的產(chǎn)品都會(huì)敗下陣來(lái)。Panasas 在美國(guó)能源部(U.S.Department of Energy：DOE)、Lawrence Livermore 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，Los Alamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，Sandia 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，Pacific Northwest國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的高性能計(jì)算系統(tǒng)中已得到了初步的應(yīng)用。在全球范圍內(nèi)，Panasas 對(duì)象存儲(chǔ)集群系統(tǒng)的性能在企業(yè)級(jí)HPC集群的關(guān)鍵應(yīng)用中得以淋漓體現(xiàn)和發(fā)揮。

OSD將來(lái)會(huì)從HPC存儲(chǔ)過(guò)渡成主流的企業(yè)級(jí)存儲(chǔ)嗎?我們拭目以待。試想，當(dāng)年SUN公司的NFS不就是從最早的技術(shù)環(huán)境走到主流商業(yè)應(yīng)用的最前線的嗎?

對(duì)象存儲(chǔ)成為主流

無(wú)論OSD是從HPC走到企業(yè)級(jí)應(yīng)用中，或是通過(guò)其他方式，均面臨需要被企業(yè)級(jí)的用戶所接受這樣的事實(shí)。從傳統(tǒng)的存儲(chǔ)變成OSD 存儲(chǔ)，需要在多個(gè)層面上作改變，這包括，存儲(chǔ)設(shè)備，存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，文件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)。

OSD 面臨著巨大的機(jī)遇。如Garth Gibson博士所講，大規(guī)模并行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的問(wèn)題通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)象，和屬性可以得到解決。在這個(gè)時(shí)候，對(duì)象存儲(chǔ)的特性才得以發(fā)揮。而這些都是基于塊的存儲(chǔ)所不能解決的。

對(duì)象存儲(chǔ)可以以這種方式使用而與應(yīng)用無(wú)關(guān)。 應(yīng)用系統(tǒng)可以和以前使用文件導(dǎo)向的系統(tǒng)一樣使用，所有的工作通過(guò)文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)文件的存取。這個(gè)時(shí)候，應(yīng)用直接存儲(chǔ)數(shù)據(jù)對(duì)象而不是向文件系統(tǒng)寫(xiě)數(shù)據(jù)。

對(duì)象存儲(chǔ)自誕生的那一天起已經(jīng)表現(xiàn)出其巨大的活力，它可以提供數(shù)據(jù)安全，容易的數(shù)據(jù)共享，強(qiáng)大的可擴(kuò)展功能，完全具備走向企業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)中心的能力。我們很高興地看到，對(duì)象存儲(chǔ)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)制定，很多全球一線的存儲(chǔ)廠商和服務(wù)器廠家均加入到此陣營(yíng)中。各個(gè)廠家的對(duì)象存儲(chǔ)產(chǎn)品已經(jīng)或即將面世。但是，同時(shí)我們也看到，對(duì)象存儲(chǔ)全面取代傳統(tǒng)的塊存儲(chǔ)還需時(shí)日。