1.引言
隨著計算機技術的高速發(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。計算、存儲、傳輸是的數(shù)據(jù)信息存在的三種狀態(tài)。通常情況下，由主機系統(tǒng)負責數(shù)據(jù)的計算，同時也會通過文件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)等手段對數(shù)據(jù)進行管理，而存儲設備往往是使用物理直連的方式連接在主機系統(tǒng)中。為了能夠更好地實現(xiàn)設備的充分利用和資源共享，人們將存儲方式轉(zhuǎn)向網(wǎng)絡化存儲，希望通過提高存儲系統(tǒng)自身的數(shù)據(jù)管理能力，將數(shù)據(jù)存儲獨立于主機系統(tǒng)之外，以網(wǎng)絡方式連接主機和存儲系統(tǒng)。隨著對數(shù)據(jù)的依賴性逐漸增加，人們通常采用對數(shù)據(jù)進行備份的方式來防止數(shù)據(jù)丟失。
根據(jù)網(wǎng)絡與存儲系統(tǒng)結(jié)合的不同形式，網(wǎng)絡存儲技術也隨之發(fā)展。目前主流的技術有NAS(網(wǎng)絡連接存儲)、SAN(存儲區(qū)域網(wǎng)絡)基于IP的存儲。NAS是一種基于文件的、直接利用局域網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇鎯軜?gòu)，主要優(yōu)勢在于可以很容易的實現(xiàn)異構(gòu)平臺的文件共享、多用戶同時訪問。NAS是基于局域網(wǎng)的存儲，而SAN的功能是將存儲設備從局域網(wǎng)中分離出來，使其被看成是負責存儲的“后端”網(wǎng)絡，而“前端”網(wǎng)絡則負責正常的TCP/IP傳輸，從而降低了網(wǎng)絡的擁塞，簡化了數(shù)據(jù)存儲和傳輸�；贗P的存儲是指利用IP網(wǎng)絡來實現(xiàn)類似SAN的塊級數(shù)據(jù)處理。目前正處于廣泛研究中的基于IP的存儲技術有FCIP(FibreChannel over IP)，IFCP(Internet Fibre Channel)，iSCSI(Internet SCSI)等�；贗P的存儲技術主要優(yōu)點是可以很好地實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和遠程訪問，系統(tǒng)造價低、便于構(gòu)建和維護，將共享存儲擴展到局域網(wǎng)甚至是Internet上，克服了光纖通道對數(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提高網(wǎng)絡存儲系統(tǒng)的安全性和可靠性。
2.熱備網(wǎng)絡存儲系統(tǒng)整體框架
本系統(tǒng)主要由主從兩臺網(wǎng)絡存儲設備組成，每臺網(wǎng)絡存儲設備集成了磁盤陣列及相關控制器。主從網(wǎng)絡系統(tǒng)設備內(nèi)的磁盤陣列可組成RAID，提高磁盤的讀寫速度并提供數(shù)據(jù)保護。另外，主從網(wǎng)絡存儲設備的磁盤陣列可組成鏡像關系，進一步提高系統(tǒng)的可用性。熱備網(wǎng)絡存儲系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。
圖1 熱備網(wǎng)絡系統(tǒng)組成框圖
從圖中可以看出，主設備和從設備是互為備份的網(wǎng)絡存儲設備，兩臺設備系統(tǒng)之間通過心跳線和數(shù)據(jù)同步線相連，分別用于實現(xiàn)設備的心跳檢測和設備間的數(shù)據(jù)同步。客戶端和服務器可以通過萬兆網(wǎng)絡實現(xiàn)對網(wǎng)絡存儲系統(tǒng)的數(shù)據(jù)訪問。熱備網(wǎng)絡存儲系統(tǒng)所有軟件集成于熱備網(wǎng)絡存儲設備中，不需要在用戶服務器上安裝專用軟件，不占用用戶資源。
3.熱備網(wǎng)絡存儲系統(tǒng)的軟件架構(gòu)及模塊劃分
本系統(tǒng)中內(nèi)部軟件由四個模塊組成，分別是iSCSI模塊、數(shù)據(jù)鏡像模塊、主備檢測模塊、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)絡存儲系統(tǒng)主要通過iSCSI模塊支持iSCSI協(xié)議，使得用戶能夠以網(wǎng)絡硬盤的方式進行數(shù)據(jù)訪問；數(shù)據(jù)鏡像模塊和主備檢測模塊是本系統(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；主備檢測模塊實現(xiàn)兩個網(wǎng)絡存儲系統(tǒng)設備的故障檢測和相互之間的業(yè)務切換；系統(tǒng)配置模塊為用戶提供了對系統(tǒng)進行管理、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)模塊用于實現(xiàn)iSCSI協(xié)議。iSCSI協(xié)議用于在TCP/IP網(wǎng)絡上傳輸SCSI協(xié)議命令，將SCSI定義的發(fā)起方(Initiator)和目標方(Target)由原來的SCSI總線連接擴展到inter—net上。由于位于提供服務的一端，因此iSCSI模塊實現(xiàn)的是iSCSI的目標方(Target)。iSCSI模塊實現(xiàn)功能如下：
1)實現(xiàn)iSCSI協(xié)議的目標端，符合標準iSCSI協(xié)議，支持iSCSI initiator的搜索、連接、數(shù)據(jù)讀寫操作；
2)能夠?qū)⑾到y(tǒng)中的硬盤設備映射為不同的LUN，支持映射多個LUN；
3)支持針對每個LUN設置不同的WWID，該功能保證用戶服務器能夠正確識別曾掛載過的LUN，并賦予原設備號。
4)調(diào)用萬兆網(wǎng)卡TOE、iSCSI卸載、RDMA技術，提升傳輸性能、減少時延；iSCSI模塊通過讀取配置文件的方式進行初始化操作。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)絡存儲系統(tǒng)里的每臺網(wǎng)絡存儲設備中，都使用了RAID技術來避免單磁盤故障；同樣，為了防止單臺網(wǎng)絡存儲設備整體故障，在兩臺設備上使用磁盤鏡像，實現(xiàn)磁盤鏡像功能的模塊就是鏡像模塊。鏡像模塊實現(xiàn)了類似于跨主機之間的RAIDl功能。它的作用是將本地磁盤(盤陣列邏輯盤)與其他網(wǎng)絡存儲設備的磁盤(盤陣列邏輯盤)共同構(gòu)成一個存儲鏡像。鏡像模塊實現(xiàn)主要功能如下：
1)將兩臺網(wǎng)絡存儲設備組成存儲鏡像關系；
2)將兩臺網(wǎng)絡存儲設備的RAID邏輯盤組成磁盤鏡像后虛擬成鏡像邏輯盤，并提供訪問接口；
3)磁盤鏡像的讀寫；
4)維持磁盤鏡像狀態(tài)，出現(xiàn)異常情況進行相應處理；
5)支持失去同步后可根據(jù)磁盤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 主備檢測模塊
主備檢測模塊實現(xiàn)兩個網(wǎng)絡存儲設備之問的同步狀態(tài)檢測、主備切換。主備檢測模塊可采用網(wǎng)口及串口的方式檢測心跳連接，檢測間隔時間、失去同步判定時間可配置。主備檢測模塊周期性地發(fā)送同步信號，并相互檢測該信號，作為熱備網(wǎng)絡存儲系統(tǒng)有無故障判斷的依據(jù)。當主備檢測模塊檢測到對端網(wǎng)絡存儲設備故障停機后，如果本網(wǎng)絡存儲設備當前為備設備，則將本網(wǎng)絡存儲設備設置為主設備，并接管當前業(yè)務。系統(tǒng)初始主備狀態(tài)由人工配置決定。
為提高主備檢測模塊可擴展性，主備切換時業(yè)務接管操作采用執(zhí)行配置腳本方式實現(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，為了避免兩臺網(wǎng)絡存儲設備心跳連接斷開后的“分腦”，支持創(chuàng)建多條心跳連接同時檢測。
3.4 系統(tǒng)配置模塊
目前熱備網(wǎng)絡存儲系統(tǒng)采用兩種獨立的配置與監(jiān)測方式：SNMP、web服務器。實現(xiàn)功能包括：
1)實現(xiàn)鏡像模塊、主備檢測模塊、iSCSI模塊、及操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡狀態(tài)的監(jiān)測；2)完成鏡像模塊配置、主備檢測模塊配置、iSCSI模塊配置功能；3)完成鏡像模塊、主備檢測模塊、iSCSI模塊出錯顯示及告警功能(致命故障告警通過蜂鳴聲進行提示)；4)完成鏡像模塊控制功能，能夠更改鏡像模塊狀態(tài)，對于失去同步的鏡像模塊能夠進行恢復操作。
4.系統(tǒng)自動主備切換時數(shù)據(jù)完整性解決
自動主備切換時保證用戶數(shù)據(jù)完整性的解決途徑如下：鏡像采用同步寫操作，即主網(wǎng)絡存儲設備進行數(shù)據(jù)塊的寫入操作時，只有當數(shù)據(jù)塊已寫人本設備磁盤陣列并且成功將該數(shù)據(jù)塊寫入鏡像網(wǎng)絡存儲設備中時，才通知用戶服務器繼續(xù)寫人數(shù)據(jù)。同步寫操作由于需要同時寫兩臺設備，因此寫速度會有所下降。數(shù)據(jù)塊寫入順序如圖4所示。
圖4 同步寫操作的數(shù)據(jù)塊寫入順序
5.結(jié)語
隨著信息技術的不斷發(fā)展，當前微處理器設計已經(jīng)轉(zhuǎn)向多線程、多內(nèi)核、面向移動計算機的低功耗設計，而存儲性能的提高也面臨著功耗、可靠性和成本三大難題。存儲數(shù)據(jù)的丟失或被破壞對于用戶來講將造成無法估量的損失，如何提高數(shù)據(jù)存儲的安全性、可靠性將是存儲領域最需要解決的問題。數(shù)據(jù)的安全性是指系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)在運行中保持安全可靠，作為數(shù)據(jù)載體的系統(tǒng)在運行中的故障不影響數(shù)據(jù)的正確。對于關鍵性業(yè)務要求做到確保數(shù)據(jù)的完整、一致、安全、可靠。即使出現(xiàn)故障，也應有多種手段在最短的時間內(nèi)對數(shù)據(jù)進行故障恢復，保證業(yè)務的正常開展。
本文采用了熱備的網(wǎng)絡存儲方式來保證數(shù)據(jù)的存儲安全性，并實現(xiàn)了一個功能上的模型。通過熱備網(wǎng)絡對數(shù)據(jù)進行實時備份，并可以自動切換主備存儲設備使業(yè)務不會中斷，從而保證了系統(tǒng)業(yè)務的連續(xù)性和可靠性。采用熱備網(wǎng)絡進行存儲的網(wǎng)絡化存儲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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