1.引言
隨著計算機技術的高速發展，信息或數據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、傳輸是的數據信息存在的三種狀態。通常情況下，由主機系統負責數據的計算，同時也會通過文件系統、數據庫系統等手段對數據進行管理，而存儲設備往往是使用物理直連的方式連接在主機系統中。為了能夠更好地實現設備的充分利用和資源共享，人們將存儲方式轉向網絡化存儲，希望通過提高存儲系統自身的數據管理能力，將數據存儲獨立于主機系統之外，以網絡方式連接主機和存儲系統。隨著對數據的依賴性逐漸增加，人們通常采用對數據進行備份的方式來防止數據丟失。
根據網絡與存儲系統結合的不同形式，網絡存儲技術也隨之發展。目前主流的技術有NAS(網絡連接存儲)、SAN(存儲區域網絡)基于IP的存儲。NAS是一種基于文件的、直接利用局域網進行數據傳輸的存儲架構，主要優勢在于可以很容易的實現異構平臺的文件共享、多用戶同時訪問。NAS是基于局域網的存儲，而SAN的功能是將存儲設備從局域網中分離出來，使其被看成是負責存儲的“后端”網絡，而“前端”網絡則負責正常的TCP/IP傳輸，從而降低了網絡的擁塞，簡化了數據存儲和傳輸。基于IP的存儲是指利用IP網絡來實現類似SAN的塊級數據處理。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。基于IP的存儲技術主要優點是可以很好地實現數據共享和遠程訪問，系統造價低、便于構建和維護，將共享存儲擴展到局域網甚至是Internet上，克服了光纖通道對數據傳輸距離的限制。本文主要研究的是利用熱備的方式來提高網絡存儲系統的安全性和可靠性。
2.熱備網絡存儲系統整體框架
本系統主要由主從兩臺網絡存儲設備組成，每臺網絡存儲設備集成了磁盤陣列及相關控制器。主從網絡系統設備內的磁盤陣列可組成RAID，提高磁盤的讀寫速度并提供數據保護。另外，主從網絡存儲設備的磁盤陣列可組成鏡像關系，進一步提高系統的可用性。熱備網絡存儲系統的組成框圖如圖1所示。
圖1 熱備網絡系統組成框圖
從圖中可以看出，主設備和從設備是互為備份的網絡存儲設備，兩臺設備系統之間通過心跳線和數據同步線相連，分別用于實現設備的心跳檢測和設備間的數據同步。客戶端和服務器可以通過萬兆網絡實現對網絡存儲系統的數據訪問。熱備網絡存儲系統所有軟件集成于熱備網絡存儲設備中，不需要在用戶服務器上安裝專用軟件，不占用用戶資源。
3.熱備網絡存儲系統的軟件架構及模塊劃分
本系統中內部軟件由四個模塊組成，分別是iSCSI模塊、數據鏡像模塊、主備檢測模塊、系統配置模塊。系統整體的內部框圖如圖2所示。熱備網絡存儲系統主要通過iSCSI模塊支持iSCSI協議，使得用戶能夠以網絡硬盤的方式進行數據訪問；數據鏡像模塊和主備檢測模塊是本系統的核心部分，數據鏡像模塊主要完成主從設備之間的鏡像創建、狀態維持和鏡像管理功能；主備檢測模塊實現兩個網絡存儲系統設備的故障檢測和相互之間的業務切換；系統配置模塊為用戶提供了對系統進行管理、配置的功能。
圖2 系統整體內部框圖
3.1 iSCSI模塊
iSCSI(Internet SCSI)模塊用于實現iSCSI協議。iSCSI協議用于在TCP/IP網絡上傳輸SCSI協議命令，將SCSI定義的發起方(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模塊實現的是iSCSI的目標方(Target)。iSCSI模塊實現功能如下：
1)實現iSCSI協議的目標端，符合標準iSCSI協議，支持iSCSI initiator的搜索、連接、數據讀寫操作；
2)能夠將系統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)調用萬兆網卡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、LUN映射。更改iSCSI參數需要重新加載iSCSI模塊。
3.2 數據鏡像模塊
熱備網絡存儲系統里的每臺網絡存儲設備中，都使用了RAID技術來避免單磁盤故障；同樣，為了防止單臺網絡存儲設備整體故障，在兩臺設備上使用磁盤鏡像，實現磁盤鏡像功能的模塊就是鏡像模塊。鏡像模塊實現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)與其他網絡存儲設備的磁盤(盤陣列邏輯盤)共同構成一個存儲鏡像。鏡像模塊實現主要功能如下：
1)將兩臺網絡存儲設備組成存儲鏡像關系；
2)將兩臺網絡存儲設備的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，出現異常情況進行相應處理；
5)支持失去同步后可根據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
主備檢測模塊實現兩個網絡存儲設備之問的同步狀態檢測、主備切換。主備檢測模塊可采用網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送同步信號，并相互檢測該信號，作為熱備網絡存儲系統有無故障判斷的依據。當主備檢測模塊檢測到對端網絡存儲設備故障停機后，如果本網絡存儲設備當前為備設備，則將本網絡存儲設備設置為主設備，并接管當前業務。系統初始主備狀態由人工配置決定。
為提高主備檢測模塊可擴展性，主備切換時業務接管操作采用執行配置腳本方式實現。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，為了避免兩臺網絡存儲設備心跳連接斷開后的“分腦”，支持創建多條心跳連接同時檢測。
3.4 系統配置模塊
目前熱備網絡存儲系統采用兩種獨立的配置與監測方式：SNMP、web服務器。實現功能包括：
1)實現鏡像模塊、主備檢測模塊、iSCSI模塊、及操作系統、網絡狀態的監測；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，對于失去同步的鏡像模塊能夠進行恢復操作。
4.系統自動主備切換時數據完整性解決
自動主備切換時保證用戶數據完整性的解決途徑如下：鏡像采用同步寫操作，即主網絡存儲設備進行數據塊的寫入操作時，只有當數據塊已寫人本設備磁盤陣列并且成功將該數據塊寫入鏡像網絡存儲設備中時，才通知用戶服務器繼續寫人數據。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。數據塊寫入順序如圖4所示。
圖4 同步寫操作的數據塊寫入順序
5.結語
隨著信息技術的不斷發展，當前微處理器設計已經轉向多線程、多內核、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。存儲數據的丟失或被破壞對于用戶來講將造成無法估量的損失，如何提高數據存儲的安全性、可靠性將是存儲領域最需要解決的問題。數據的安全性是指系統中的數據在運行中保持安全可靠，作為數據載體的系統在運行中的故障不影響數據的正確。對于關鍵性業務要求做到確保數據的完整、一致、安全、可靠。即使出現故障，也應有多種手段在最短的時間內對數據進行故障恢復，保證業務的正常開展。
本文采用了熱備的網絡存儲方式來保證數據的存儲安全性，并實現了一個功能上的模型。通過熱備網絡對數據進行實時備份，并可以自動切換主備存儲設備使業務不會中斷，從而保證了系統業務的連續性和可靠性。采用熱備網絡進行存儲的網絡化存儲方式可以很好的保證數據的安全性和系統的可用性。
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本文標題：熱備網絡存儲系統的研究與設計
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