Cеть хранения данных (SAN — Storage Area Network)

Сеть хранения данных (SAN) — это выделенная высокоскоростная сеть или подсеть, которая соединяет между собой и представляет общие пулы устройств хранения данных для нескольких серверов.

Доступность и высокая готовность систем хранения данных являются ключевыми показателями для корпоративных приложений. Традиционное развертывание систем хранения с прямым подключением к отдельным серверам может быть простым и недорогим вариантом для многих корпоративных приложений, но диски и важные данные, содержащиеся на них, привязаны к физическому серверу через выделенный интерфейс, такой как SAS. Современные корпоративные среды часто требуют гораздо более высокого уровня организации, гибкости и контроля. Эти потребности стимулировали развитие сети хранения данных (SAN).

Технология SAN удовлетворяет передовые потребности корпоративного хранилища, предоставляя отдельную, выделенную, хорошо масштабируемую высокопроизводительную сеть, предназначенную для соединения множества серверов с массивом устройств хранения. Хранилище можно организовать и управлять им как единым пулом ресурсов. SAN позволяет организации рассматривать хранилище как единый коллективный ресурс, который также можно централизованно реплицировать и защищать, в то время как дополнительные технологии, такие как дедупликация данных и RAID, могут оптимизировать емкость хранилища и значительно повысить отказоустойчивость хранилища — по сравнению с традиционным хранилищем с прямым подключением (DAS).

Проще говоря, SAN — это сеть накопителей, к которой обращается сеть серверов. Существует несколько популярных применений сетей SAN в корпоративных вычислениях. SAN обычно используется для консолидации хранилищ. Например, обычно компьютерная система, такая как сервер, включает в себя одно или несколько локальных устройств хранения данных. Но рассмотрим центр обработки данных с сотнями серверов, на каждом из которых запущены виртуальные машины, которые можно разворачивать и перемещать между серверами по желанию. Если данные для каждой рабочей нагрузки хранятся на том же локальном хранилище, то их также нужно будет перемещать, если рабочая нагрузка переносится на другой сервер или восстанавливается, если сервер выходит из строя. Вместо того чтобы пытаться организовать, отслеживать и использовать физические диски, расположенные на отдельных серверах, компания может переместить данные на выделенную подсистему хранения с возможностью коллективного доступа к хранилищу, управления и защиты.

SAN также может повысить доступность хранилища. Поскольку SAN, по сути, представляет собой сетевую структуру взаимосвязанных компьютеров и устройств хранения, нарушение одного сетевого пути обычно может быть компенсировано за счет включения альтернативного пути через структуру SAN. Таким образом, неисправность одного кабеля или устройства не делает хранилище недоступным для корпоративных рабочих нагрузок. Кроме того, возможность рассматривать хранилище как единый ресурс может улучшить использование хранилища, исключив «забытые» диски на недоиспользуемых серверах. Вместо этого, SAN предлагает центральное место для всех хранилищ и позволяет администраторам объединять устройства хранения в пулы и управлять ими совместно.

Все эти примеры использования могут улучшить соответствие нормативным требованиям организации, а также аварийное восстановление (DR) и обеспечение бесперебойного функционирования за счет улучшения способности ИТ-специалистами поддерживать корпоративные рабочие нагрузки. Но чтобы оценить ценность технологии SAN, важно понять, чем SAN отличается от традиционных DAS.

С помощью DAS один или несколько дисков напрямую подключаются к конкретному серверу через специальный интерфейс хранения, такой как SATA или SAS. Диски часто используются для хранения приложений и данных, предназначенных для работы на этом конкретном сервере. Хотя к устройствам DAS на одном сервере можно получить доступ с других серверов, связь осуществляется через общую IP-сеть — LAN — вместе с трафиком других приложений. Доступ к большим объемам данных и их перемещение через обычную IP-сеть может занимать много времени, а требования к полосе пропускания при перемещении больших объемов данных могут влиять на производительность приложений на сервере.

SAN работает совершенно по-другому. SAN объединяет все диски в выделенную сеть хранения данных. Эта выделенная сеть существует отдельно от общей LAN. Такой подход позволяет любому из серверов, подключенных к SAN, получить доступ к любому из дисков, подключенных к SAN, эффективно используя хранилище как единый общий ресурс. Никакие данные хранилища SAN не проходят через локальную сеть — это снижает потребность в пропускной способности локальной сети и сохраняет её производительность. Поскольку SAN — это отдельная выделенная сеть, ее можно спроектировать так, чтобы обеспечить высокую производительность и отказоустойчивость, что особенно важно для корпоративных приложений.

SAN может поддерживать огромное количество устройств хранения, а массивы хранения — специально разработанные подсистемы хранения — которые поддерживают SAN, могут масштабироваться для хранения сотен или даже тысяч дисков. Любой сервер с подходящим интерфейсом SAN может получить доступ к SAN и его огромному потенциалу хранения, а SAN может поддерживать множество серверов. В сетях SAN используются два основных типа сетевых технологий и интерфейсов: Fibre Channel и iSCSI.

1. Fibre Channel. FC — это высокоскоростная сеть отличающаяся высокой пропускной способностью и малой задержкой, предлагающая скорость передачи данных до 128 Гбит/с на расстояниях до 10 км — при использовании оптоволоконных кабелей и интерфейсов. Такой вид выделенной сети позволяет консолидировать блочное хранилище в одном месте, в то время как серверы могут быть распределены по зданиям кампуса или города. Традиционные медные кабели и соответствующие интерфейсы FC также могут использоваться, когда хранилище и серверы находятся в одном месте и расстояние не превышает 10 метров. FC реализуется путем установки адаптеров FC (HBA) на каждом сервере, хранилище, сетевых коммутаторах FC или других сетевых устройствах. Каждый HBA включает один или несколько портов, по которым происходит обмен данными. Порты могут быть виртуальными или физическими, а физические порты соединены между собой кабелями, позволяя HBA и коммутаторам образовывать сетевую структуру в различных топологиях.
2. ISCSI. ISCSI — это еще один тип сети, предназначенный для соединения серверов с общим хранилищем. Он может работать со скоростью до 100 Гбит/с и обеспечивает несколько упрощений для операторов центров обработки данных. FC предлагает уникальный и узкоспециализированный структуру сети, а iSCSI объединяет традиционные блоки данных SCSI и пакеты команд с обычными сетевыми технологиями Ethernet и TCP / IP. Это позволяет сетям хранения iSCSI использовать те же кабели, сетевые адаптеры, коммутаторы и другие сетевые компоненты, которые используются в любой сети Ethernet. Во многих случаях iSCSI может работать в одной и той же локальной сети Ethernet и обмениваться данными по локальной сети, глобальной сети и даже через Интернет. Операционная система каждого сервера рассматривает доступ к данным iSCSI как к локально подключенному диску.

SAN — это, по сути, сеть, которая предназначена для соединения серверов с СХД. Цель любой SAN — извлечь устройства хранения из отдельных серверов и разместить их в общем хранилище, ресурсами которого можно централизованно управлять и защищать. Такая централизация может быть выполнена физически, например, путем помещения дисков в выделенную подсистему хранения. Однако централизация также может выполняться логически с помощью программного обеспечения (например, VMware vSAN), которое использует виртуализацию для поиска и объединения доступных ресурсов хранения.

За счет подключения общего хранилища к серверам через отдельную сеть — помимо традиционной LAN — производительность хранилища может быть оптимизирована и ускорена, поскольку трафику системы хранения больше не нужно конкурировать за пропускную способность локальной сети, необходимую для серверов и их рабочих нагрузок. Таким образом, корпоративные рабочие нагрузки потенциально могут получить более быстрый доступ к огромным объемам хранения.

Обычно SAN воспринимается как совокупность трех групп или слоев: серверов — потребителей дисковых ресурсов, сетевой инфраструктуры — фабрик и дисковых массивов (систем хранения данных) — хранилищ.

1. Хост-слой. Он представляет собой серверы, подключенные к SAN. В большинстве случаев серверах выполняются корпоративные рабочие нагрузки, такие как базы данных, которым требуется доступ к хранилищу. Хосты обычно используют традиционные компоненты LAN — Ethernet, чтобы сервер и его рабочая нагрузка могли взаимодействовать с другими серверами, а также с пользователями. Однако хосты SAN также включают в себя отдельный сетевой адаптер, предназначенный для доступа к SAN. Сетевой адаптер, используемый для большинства сетей FC SAN, называется хост-адаптером (HBA — host bus adapter). Как и в большинстве сетевых адаптеров, FC HBA использует микропрограммное обеспечение для работы оборудования HBA, а также драйвер устройства, который связывает HBA с операционной системой сервера. Эта конфигурация позволяет рабочей нагрузке передавать команды и данные хранилища через операционную систему в сеть SAN и ее ресурсы хранения. FC является не единственной, но одной из самых популярных и мощных технологий SAN.
2. Слой фабрики. Он представляет собой кабели и сетевые устройства, составляющие сетевую структуру, которая соединяет узлы SAN и хранилище SAN. Сетевые устройства SAN на уровне фабрики могут включать коммутаторы SAN, шлюзы и маршрутизаторы. Кабели и соответствующие порты устройств SAN могут использовать оптоволоконные соединения или традиционные медные кабели. Разница между сетью и фабрикой— это избыточность: доступность нескольких альтернативных путей от хостов к хранилищу через фабрику. При построении фабрики SAN обычно реализуется несколько соединений для обеспечения нескольких путей. Если один путь поврежден, для связи SAN будет использоваться альтернативный путь.
3. Слой хранения. Он состоит из различных устройств хранения, собранных в различные пулы хранения данных. Обычно для хранения используются традиционные магнитные жесткие диски, но также могут использоваться твердотельные накопители, а также ленточные накопители. Большинство устройств хранения в сети SAN организованы в физические группы RAID, которые можно использовать для увеличения емкости хранилища, повышения надежности устройства хранения или того и другого. Логическим объектам хранения, таким как группы RAID или даже разделам диска, назначается уникальный LUN, который служит той же цели, что и буква диска, например C или D. Таким образом, любой хост SAN потенциально может получить доступ к любому LUN SAN через фабрику SAN.

SAN использует ряд протоколов, позволяющих программному обеспечению обмениваться данными или подготавливать данные для хранения. Технологии SAN часто поддерживают несколько протоколов, помогая обеспечить эффективное взаимодействие всех уровней, операционных систем и приложений.

Основу SAN составляет ее фабрика: масштабируемая, высокопроизводительная сеть, объединяющая хосты — серверы — и устройства хранения данных. Структура фабрики напрямую влияет на надежность и функциональность SAN. В самом простом варианте, FC SAN может просто подключить порты HBA на серверах непосредственно к соответствующим портам в массивах хранения данных.

Но такие простые схемы подключения отдаляют истинную мощь SAN. На практике ткань SAN предназначена для повышения надежности и доступности систем хранения данных за счет устранения отдельных точек отказа. Основная идея при создании SAN заключается в использовании как минимум двух соединений между любыми элементами SAN. Цель состоит в том, чтобы между хостами SAN и хранилищем SAN всегда был доступен хотя бы один рабочий сетевой путь.

Одной фабрики недостаточно для обеспечения надежность при хранении данных. На практике системы хранения должны включать набор внутренних технологий, в том числе RAID — группы дисков. В систему хранения обычно добавляются дополнительные технологии для эффективного использования хранилища, включая тонкое выделение ресурсов, моментальные снимки или клонирование хранилища, дедупликацию данных и сжатие данных.

Хотя технология SAN доступна уже несколько десятилетий, существует несколько усовершенствований и специальных разработок, изменяющих структуру и развертывание SAN. Эти альтернативы включают виртуальную SAN, унифицированную SAN, конвергентную SAN и гиперконвергентную инфраструктуру (HCI).

Независимо от того, традиционная или виртуальная, SAN предлагает ряд убедительных преимуществ, жизненно важных для рабочих нагрузок корпоративного класса.

• Высокая производительность. SAN использует отдельную сетевую структуру, предназначенную для решения задач по хранению данных. Сетевой инфраструктурой традиционно является FC для обеспечения максимальной производительности, хотя также доступны iSCSI и конвергентные сети.
• Высокая масштабируемость. SAN может поддерживать чрезвычайно большие развертывания, охватывающие тысячи хост-серверов и устройств хранения. При необходимости могут быть добавлены новые хосты и хранилище для построения SAN в соответствии с конкретными требованиями организации.
• Высокая доступность. Традиционная SAN основана на идее сетевой структуры, которая — в идеале — связывает все со всем. Это означает, что в полнофункциональном развертывании SAN нет единой точки отказа между хостом и устройством хранения, а использование фабрик поддерживает высокую доступность хранилища для рабочей нагрузки.
• Расширенные возможности управления. SAN поддерживает ряд полезных функций хранилища корпоративного класса, включая шифрование данных, дедупликацию данных, репликацию хранилища и технологии самовосстановления, предназначенные для максимального увеличения емкости хранилища, безопасности и устойчивости данных. Функции полностью централизованы и могут быть легко применены ко всем ресурсам хранения в SAN.

Но, несмотря на преимущества, SAN вряд ли идеальны, и есть ряд потенциальных недостатков, которые ИТ-руководители должны учитывать перед развертыванием или модернизацией SAN.

• Сложность. Хотя сегодня для SAN существует больше вариантов конвергенции, таких как FCoE и унифицированные варианты, традиционные SAN представляют собой дополнительную сложность в виде второй сети — в комплекте с дорогостоящими HBA на хост-серверах, коммутаторами и кабелями в сложной и избыточной структуре. Такие сети должны проектироваться и поддерживаться с осторожностью. Эта сложность становится все более проблематичной для ИТ-организаций с небольшим количеством персонала и ограниченным бюджетом.
• Масштаб. Учитывая стоимость, SAN обычно эффективна только в более крупных и сложных средах, где имеется много серверов и значительный объем хранилища. Конечно, можно реализовать SAN в небольших масштабах, но будет трудно оправдать стоимость и сложность. В небольших развертываниях часто можно достичь удовлетворительных результатов с использованием iSCSI SAN, конвергентной SAN в единой общей сети, такой как FCoE, или развертывания HCI, которое способно объединять и выделять ресурсы.
• Управление. С учетом того, что сложность сосредоточена на аппаратном обеспечении, существует серьезная проблема в управлении SAN. Настройка функций, таких как сопоставление LUN ​​или зонирование, может быть проблематичной. Настройка RAID и других технологий самовосстановления, а также соответствующее ведение журнала и отчетность — не говоря уже о безопасности — могут занять много времени, но неизбежны для поддержания соответствия требованиям организации.

Сетевое хранилище (NAS) — это альтернативный способ хранения и доступа к данным, основанный на файловом протоколе, таком как SMB и NFS, в отличие от блочных протоколов, таких как FC и iSCSI, используемых в SAN. Если SAN использует сеть для подключения серверов и хранилища, NAS полагается на выделенный файловый сервер, расположенный между серверами и хранилищем.

Хотя оба подхода хранят данные, выбор системы будет зависеть от типа обрабатываемых данных. SAN — предпочтительный выбор для блочного хранилища данных, которое обычно хорошо подходит для структурированных данных, например хранилища для приложений реляционных баз данных корпоративного класса. Для сравнения, NAS — с его файловым подходом — лучше подходит для неструктурированных данных, таких как файлы документов, электронные письма, изображения, видео и другие распространенные типы файлов.

Как и в случае с SAN, NAS консолидирует хранилище в едином пространстве и может поддерживать задачи управления и защиты данных, такие как архивирование и резервное копирование данных. Тем не менее NAS использует общую сеть и обеспечивает гораздо меньшую стоимость и сложность, чем SAN. Однако сети SAN отличаются производительностью и масштабируемостью, способными обеспечить высочайшую производительность для самых требовательных корпоративных приложений.

SAN и NAS не исключают друг друга. SAN и NAS могут сосуществовать в одном центре обработки данных, где требуется как блочное, так и файловое хранилище данных. Системы SAN, как и NAS можно модернизировать для повышения производительности, оптимизации управления, борьбы с ограничением емкости хранилища. В некоторых случаях отдельные системы хранения можно заменить унифицированной системой хранения или упростить сеть SAN с помощью iSCSI SAN.

Нехватки поставщиков и продуктов для развертывания и поддержания корпоративных сетей SAN нет. При планировании SAN проектировщики обычно рассматривают хосты (серверы), сеть (фабрики), компоненты и подсистемы хранения.

Хосты. Любой хост может работать в SAN, но каждому хост-серверу требуется подходящий сетевой интерфейс. Серверы корпоративного класса можно приобрести с уже установленными многопортовыми адаптерами FC. Если серверы еще не содержат HBA, их можно добавить при наличии свободного слота PCIe на материнской плате сервера.

Карты HBA обычно производятся на основе коммуникационных чипов от технологических лидеров, включая Agilent, ATTO, Broadcom, Brocade и QLogic.

Сеть. Сама структура SAN состоит из оптических или медных кабелей, а также сетевых компонентов, таких как сетевые коммутаторы. Подобно HBA, подходящие кабели легко доступны через поставщиков решений SAN. Примеры управляющих коммутаторов:

• Коммутаторы ATTO Technology 8308, 8316 и 8324;
• Коммутаторы Brocade серии G и директора DCX;
• Коммутаторы Cisco серии MDS, директора Nexus 5672UP и серии MDS;
• Коммутаторы Juniper QFabric серии QFX;
• Коммутаторы QLogic SANbox серии 5xxx и директора SANbox 9xxx.

Системы хранения. Массивам хранения уделяют особое внимание, потому что хранилище — это вся суть технологии SAN, а подсистемы хранения обладают многими функциями — дедупликацией, репликацией и т. д. — которые делают SAN настолько привлекательными для предприятия. Вот несколько основных поставщиков массивов хранения:

• Dell EMC предлагает несколько важных продуктовых линеек, в том числе системы хранения Isilon NAS, гибридные и флэш-массивы EMC Unity XT для блочного и файлового хранилища, массивы серии SC и продукты хранения VMAX.
• Hitachi Data Systems предлагает платформу Hitachi NAS и массивы серии G.
• Huawei предлагает флеш-массивы и гибридные системы OceanStor Dorado.
• IBM имеет как дисковые, так и флеш-массивы хранения, включая семейство DS, семейство XIV и систему хранения с горизонтальным подключением к сети, а также многочисленные варианты своего семейства FlashSystem.
• NetApp предлагает поддержку NVMe-over-Fabrics с малой задержкой для своих массивов all-flash и предлагает поддержку многоуровневого гибридного облака данных в своем программном обеспечении для хранения данных ONTAP.

Другие известные производители систем хранения SAN включают Fujitsu, Lenovo, Oracle и Western Digital.