楊烈君,吳玉芹,陳楊
寧德師范學(xué)院計(jì)算機(jī)系,福建寧德352100
一種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)的研究
楊烈君,吳玉芹,陳楊
寧德師范學(xué)院計(jì)算機(jī)系,福建寧德352100
提出了一種新的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)——軟件定義存儲(chǔ)系統(tǒng)(SDS)的改進(jìn)實(shí)施方案.基于一種虛擬化的存儲(chǔ)方式可以自動(dòng)分配存儲(chǔ)、安全、網(wǎng)絡(luò)等資源,并將這些資源池化,從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)保護(hù)、復(fù)制、壓縮等一系列存儲(chǔ)功能.與傳統(tǒng)的DAS和SAN系統(tǒng)的存儲(chǔ)模式的存儲(chǔ)性能進(jìn)行了比較,結(jié)果表明該系統(tǒng)對(duì)于小容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ),存儲(chǔ)速率略高其他存儲(chǔ)方式;對(duì)大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)性能與吞吐量?jī)?yōu)化效果明顯,當(dāng)數(shù)據(jù)塊容量達(dá)5 Tbit時(shí),其存儲(chǔ)速率超過(guò)SAN存儲(chǔ)系統(tǒng)約3.9倍.
數(shù)據(jù)存儲(chǔ);軟件定義存儲(chǔ);存儲(chǔ)性能
云計(jì)算目前受到業(yè)界越來(lái)越多的關(guān)注,他是一種新興的計(jì)算模式.在云存儲(chǔ)由概念變成了具有巨大商業(yè)價(jià)值的實(shí)際應(yīng)用后其存儲(chǔ)的安全性問(wèn)題卻一直沒(méi)有得到有效的解決,好的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式不僅可以提高存儲(chǔ)性能,更重要的是它也應(yīng)該能保障數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的安全.如亞馬遜是國(guó)外著名的云服務(wù)提供商,把安全性看成云存儲(chǔ)服務(wù)中最重要的一部分,他們根據(jù)安全性制定了一系列安全方案,其中提出的最典型的云存儲(chǔ)應(yīng)用是S3(Simple Storage Service),S3特別強(qiáng)調(diào)存儲(chǔ)的安全機(jī)制,用戶可以根據(jù)自己的意愿選擇誰(shuí)訪問(wèn)他的數(shù)據(jù),用戶可以自由控制這一操作,選擇什么時(shí)候給予訪問(wèn),訪問(wèn)什么類型的數(shù)據(jù)等,這些都在用戶的控制之內(nèi)[1].中國(guó)電信云計(jì)算公司作為國(guó)內(nèi)首家具有服務(wù)級(jí)別的云計(jì)算公司也提出“寬帶入戶,云服務(wù)到家;終端在手,云服務(wù)隨身”.的口號(hào),這樣一個(gè)理念可以看出云服務(wù)占主要位置,但他們?cè)谔峁┰品?wù)時(shí)都面臨數(shù)據(jù)安全問(wèn)題的困擾.
云存儲(chǔ)受到的安全威脅可能來(lái)自訪問(wèn)控制,也可能來(lái)自數(shù)據(jù)傳輸、安全漏洞和數(shù)據(jù)所存在的物理位置等方方面面,所以如何保證各方面的安全性,是云存儲(chǔ)現(xiàn)在首要完成的任務(wù).在一項(xiàng)研究中表明,數(shù)據(jù)安全是所有安全問(wèn)題的核心,數(shù)據(jù)安全也是用戶最關(guān)注的焦點(diǎn).不難理解,當(dāng)今是數(shù)據(jù)的時(shí)代,擁有數(shù)據(jù)就相當(dāng)于擁有一切,對(duì)數(shù)據(jù)的保護(hù)尤為重要,對(duì)數(shù)據(jù)的泄漏和惡意修改將給企業(yè)帶來(lái)巨大損失.由此可見(jiàn)數(shù)據(jù)安全性也將是云存儲(chǔ)技術(shù)一直而且以后長(zhǎng)期要關(guān)注的課題之一,而在大數(shù)據(jù)時(shí)代,傳統(tǒng)存儲(chǔ)模式已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)在的潮流滿足數(shù)據(jù)安全的需求,因此軟件定義存儲(chǔ)(Software Defined Storage,簡(jiǎn)稱SDS)應(yīng)用而生,軟件定義存儲(chǔ)(SDS)以其靈活性和高擴(kuò)展性被云存儲(chǔ)服務(wù)提供商所重視并憑借其所具有的巨大優(yōu)勢(shì)將逐漸超越傳統(tǒng)的存儲(chǔ)模式[2].
傳統(tǒng)的存儲(chǔ)架構(gòu)如磁盤、DAS、SAN模式是現(xiàn)在大多數(shù)廠家提供的存儲(chǔ)模式,是基數(shù)最大的存儲(chǔ)模式[3].可是隨著時(shí)代的發(fā)展,數(shù)據(jù)的幾何式增長(zhǎng),傳統(tǒng)的存儲(chǔ)模式因?yàn)榇鎯?chǔ)容量的不足而飽受詬病.一方面,數(shù)據(jù)是要永久保存的,將一直占有空間;另一方面,數(shù)據(jù)是持續(xù)增加的.這種形勢(shì)下,用戶必須增大容量來(lái)存放自己所需的數(shù)據(jù);磁盤和DAS架構(gòu)的固有容量自不必說(shuō),SAN的擴(kuò)容必須配有機(jī)頭,導(dǎo)致數(shù)據(jù)的增長(zhǎng),這種存儲(chǔ)模式性能降低.而且,增大的容量又使成本增加,這種成本的增加將是持續(xù)性的,是一個(gè)無(wú)底洞.傳統(tǒng)存儲(chǔ)模式的數(shù)據(jù)冗余也是一大問(wèn)題,很多沒(méi)用的重復(fù)的數(shù)據(jù)占據(jù)了磁盤大量的容量,有用的數(shù)據(jù)寥寥可數(shù),數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)效率低下[4].
軟件定義存儲(chǔ)(SDS)是一種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式,所有存儲(chǔ)相關(guān)的控制工作都僅在相對(duì)于物理存儲(chǔ)硬件的外部軟件中.如何理解呢?簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),SDS是用來(lái)存儲(chǔ)的,是存儲(chǔ)的一種方式.什么是軟件,用戶和硬件之間的接口界面就是軟件.單純從字義上理解,軟件比硬件更具靈活性.SDS就是把控制平面單獨(dú)抽離出來(lái),放在軟件上實(shí)現(xiàn)這些存儲(chǔ)功能的一種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式[5].
SDS的核心是存儲(chǔ)虛擬化,在一定程度上SDS可以認(rèn)為就是存儲(chǔ)虛擬化.SDS可以自動(dòng)分配存儲(chǔ)、安全、網(wǎng)絡(luò)等資源,將這些資源池化,并且API來(lái)提供給消費(fèi)者一個(gè)友好的用戶界面,從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)保護(hù)、復(fù)制、壓縮等一系列存儲(chǔ)功能,這些功能都是依靠軟件來(lái)控制的,SDS的解決方案,用戶在不增加任何工作量的情況下進(jìn)行縱向擴(kuò)展或橫向擴(kuò)展[6].2012年8月盛大云因一臺(tái)物理服務(wù)器磁盤發(fā)生損壞導(dǎo)致一些用戶的數(shù)據(jù)丟失,原因是沒(méi)有備份.要是當(dāng)時(shí)采用的是SDS這種存儲(chǔ)方式的話,也許就不會(huì)出現(xiàn)這種問(wèn)題從而避免損失.
軟件定義存儲(chǔ)(SDS)的定義出現(xiàn)至今已將近三年,但目前仍然沒(méi)有一致的意見(jiàn),所有研究機(jī)構(gòu)和各大廠商,他們對(duì)軟件定義存儲(chǔ)有著不同的定義或描述.但作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)領(lǐng)域的權(quán)威全球網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)工業(yè)協(xié)會(huì)(SNIA)則認(rèn)為SDS應(yīng)允許異構(gòu)的或者專有的平臺(tái),并且平臺(tái)能夠提供管理和部署其虛擬存儲(chǔ)空間的自助服務(wù)接口.除此,SDS還包括以下特征:
1)自動(dòng)化的標(biāo)準(zhǔn)即為管理比較簡(jiǎn)化,維護(hù)存儲(chǔ)架構(gòu)的成本也降低;
2)標(biāo)準(zhǔn)接口指對(duì)于部署、管理、維護(hù)存儲(chǔ)服務(wù)和存儲(chǔ)設(shè)備,并且能夠提供良好的應(yīng)用編程接口;
3)擴(kuò)展性即提供可靠性和性能的無(wú)縫擴(kuò)展,其中無(wú)需中斷應(yīng)用;
4)虛擬數(shù)據(jù)路徑即可以提供文件、塊和對(duì)象的接口,又能夠支持這些接口寫(xiě)入數(shù)據(jù);
存儲(chǔ)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)中心也可以為數(shù)據(jù)管理員都能用于部署和控制路徑服務(wù)[3].軟件定義存儲(chǔ)包括控制路徑和數(shù)據(jù)路徑,影響到所有存放在相應(yīng)虛擬存儲(chǔ)空間的數(shù)據(jù),而軟件定義存儲(chǔ)SDS則通過(guò)以下路徑實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)控制:
步驟1:確定存儲(chǔ)需求,設(shè)計(jì)一種存儲(chǔ)解決方案的第一步是確定您的工作負(fù)載(應(yīng)用程序、服務(wù)器和客戶端),然后確定存儲(chǔ)需求.
步驟2:檢查的設(shè)計(jì),并根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整,完成步驟1和軟件定義存儲(chǔ)設(shè)計(jì)中的任務(wù),將獲取您的硬件和軟件的建議的設(shè)計(jì).
步驟3:使用存儲(chǔ)空間的硬件供應(yīng)商以最終確定設(shè)計(jì).
步驟4:準(zhǔn)備部署解決方案.
具體方案如下:在交換機(jī)啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行初始化將交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)緩存空間置空,為交換機(jī)設(shè)置緩存閥值,用于檢測(cè)交換機(jī)數(shù)據(jù)處理狀況.當(dāng)交換機(jī)收到數(shù)據(jù)分組時(shí),先將數(shù)據(jù)分組放入到轉(zhuǎn)發(fā)緩存中,然后判斷交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)緩存是否達(dá)到閥值,如果沒(méi)有達(dá)到閥值,則直接在緩存中等待處理,匹配流表,執(zhí)行相應(yīng)的Action.當(dāng)緩存中的數(shù)據(jù)達(dá)到閥值時(shí),則發(fā)送達(dá)到閥值的信息告訴控制器,控制器收到消息后,對(duì)經(jīng)過(guò)該交換機(jī)的數(shù)據(jù)分組重新進(jìn)行路由選擇,有其它路徑的就按照新路徑進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā);對(duì)于沒(méi)有其它路徑的數(shù)據(jù)分組,則將數(shù)據(jù)暫時(shí)還存在其下一跳交換機(jī)中,通知源節(jié)點(diǎn)對(duì)必須通過(guò)該路徑的數(shù)據(jù)分組進(jìn)行延遲發(fā)送,等待節(jié)點(diǎn)擁塞解決然后再重新進(jìn)行發(fā)送.控制器調(diào)取所有連接到它的交換機(jī)的緩存狀況,將還有足夠緩存空間的所有相鄰交換機(jī)的信息封裝到流表中,對(duì)交換機(jī)下發(fā)流表,讓出現(xiàn)擁塞的交換機(jī)把緩存中的數(shù)據(jù)分組,平均分配發(fā)送到可以代為緩存的交換機(jī)中.數(shù)據(jù)分組到達(dá)相鄰交換機(jī)后,為數(shù)據(jù)分組重現(xiàn)計(jì)算路由,有可用路徑的則代為轉(zhuǎn)發(fā),反之,就放入緩存中,等待出現(xiàn)擁塞的交換機(jī)恢復(fù)正常.如果相鄰交換機(jī)中都有足夠的緩存空間,則優(yōu)先將數(shù)據(jù)分組進(jìn)行二次轉(zhuǎn)發(fā)到下一級(jí)相鄰交換機(jī),執(zhí)行上述操作.擁塞解決后,交換機(jī)發(fā)送擁塞已解決的信息到控制器,控制器對(duì)全網(wǎng)交換機(jī)發(fā)出通知信息,將暫存在相鄰交換機(jī)中的數(shù)據(jù)分組取回重新進(jìn)行發(fā)送同時(shí)暫停發(fā)送的數(shù)據(jù)分組繼續(xù)發(fā)送過(guò)來(lái).如圖1所示.
圖1 實(shí)現(xiàn)的方案Fig.1Implementation of the program
軟件定義存儲(chǔ)(SDS)之所以被云存儲(chǔ)服務(wù)提供商所重視并逐漸超越傳統(tǒng)的存儲(chǔ)模式正是由于其相對(duì)于傳統(tǒng)存儲(chǔ)方式具有眾多的優(yōu)勢(shì),下面將對(duì)軟件定義存儲(chǔ)的主要優(yōu)勢(shì)進(jìn)行初步分析.
4.1 數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性
企業(yè)可以從數(shù)據(jù)中獲得新的資料情報(bào),從而獲得新商機(jī),所以,能否即時(shí)訪問(wèn)數(shù)據(jù)成為企業(yè)找到商機(jī)的重要因素.現(xiàn)在的存儲(chǔ)對(duì)資源的訪問(wèn)提出更大的需求.顯然,以硬件為中心的傳統(tǒng)方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)這一功能,缺乏靈活性.隨著用戶需求的提高,硬件定義存儲(chǔ)呈現(xiàn)出了諸多弊端.要想實(shí)現(xiàn)更多功能,硬件必須更新?lián)Q代,專門制造根據(jù)用戶需要的產(chǎn)品,否則缺乏靈活性.而且生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品有了一些小問(wèn)題,就得回爐重造,成本和效率得不到提升是可以預(yù)見(jiàn)的[7].SDS就沒(méi)有這種擔(dān)憂,它可以根據(jù)用戶的需求專門定制一套服務(wù).當(dāng)用戶要求增加某項(xiàng)服務(wù)和功能時(shí),只需要在架構(gòu)的系統(tǒng)中動(dòng)刀就可以了,實(shí)現(xiàn)了高擴(kuò)展性,這是傳統(tǒng)存儲(chǔ)架構(gòu)所欠缺的[8].
4.2 低成本
以前的存儲(chǔ)功能相對(duì)固化,大多數(shù)存儲(chǔ)功能都集中在硬件上,造成了想要某一種存儲(chǔ)設(shè)備必須從特定的廠商購(gòu)買,成本自然高[9].值得注意的是,軟件定義存儲(chǔ)的出現(xiàn),讓用戶不必從特定廠商購(gòu)買存儲(chǔ)介質(zhì).也就打斷了這些廠商的壟斷,它可以架構(gòu)在任何類型的服務(wù)器硬件上.也就是說(shuō),它創(chuàng)建于該硬盤,但可以使用在其他硬盤上,SDS更像是一個(gè)系統(tǒng).就像手機(jī)App一樣,任何手機(jī)通過(guò)下載都能夠得到這款應(yīng)用程序,不是誰(shuí)創(chuàng)建了它就專屬誰(shuí).所以買了SDS等同于買了特定存儲(chǔ)設(shè)備,這是一個(gè)巨大的進(jìn)步[10].SDS的最大成本就在于它的架構(gòu)及其管理,沒(méi)有了特定廠商的壟斷,成本自然降低.
4.3 高靈活性
SDS可以在硬件上運(yùn)行,同樣可以運(yùn)行在云存儲(chǔ)的架構(gòu)中,它可以存在于云存儲(chǔ)服務(wù)中作為云存儲(chǔ)的一部分[11].雖然SDS是將控制平面單獨(dú)分離出來(lái)的,但是它擁有硬件應(yīng)該有的所有存儲(chǔ)功能,這點(diǎn)是最重要的.那么,使用SDS架構(gòu)的云存儲(chǔ),SDS將為用戶處理大部分網(wǎng)絡(luò)管理工作,因?yàn)镾DS可以自動(dòng)分配這些工作.提高存儲(chǔ)的使用率. SDS的靈活性和擴(kuò)展性將為云存儲(chǔ)如虎添翼[12].
5.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境
網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的搭建方案[13]:
1)硬件平臺(tái)是PC物理機(jī)一臺(tái);
2)在PC物理機(jī)上安裝VMware Workstation 12.1.0;
3)在VMware中創(chuàng)建Ubuntu 14.04虛擬機(jī)[14];
4)在Ubuntu中配置安裝IOMeter.
在實(shí)驗(yàn)中主機(jī)上采用Iometer對(duì)遠(yuǎn)端的邏輯盤進(jìn)行測(cè)評(píng),選用5個(gè)數(shù)據(jù)量不同的樣本,分別為5 Mbit,50 Mbit,500 Mbit,5 Gbit和5 Tbit這5個(gè)容量.分析三種網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)方式在不同數(shù)據(jù)量下存儲(chǔ)效率的表現(xiàn),如圖2所示.為了更精確比較這三種方式,做出以下規(guī)定:
1)對(duì)于每個(gè)數(shù)據(jù)量,三種存儲(chǔ)方式在相同時(shí)間內(nèi)測(cè)試存儲(chǔ)速率;
2)每個(gè)數(shù)據(jù)量測(cè)試兩組,取平均值(四舍五入);
3)除了存儲(chǔ)方式與數(shù)據(jù)量的不同,其他無(wú)關(guān)變量盡量避免.
圖2 不同存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)在不同數(shù)據(jù)塊下的存儲(chǔ)速率Fig.2Storage rates of different storage structures under different data blocks
5.2 實(shí)驗(yàn)分析
從圖2可以直觀地看出,軟件定義存儲(chǔ)性能優(yōu)于其他存儲(chǔ)結(jié)構(gòu):
1)在小容量的數(shù)據(jù)塊中,軟件定義存儲(chǔ)的存儲(chǔ)速率跟SAN存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)是差不多的,DAS存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)次之.
2)隨著數(shù)據(jù)塊容量增大,軟件定義存儲(chǔ)沒(méi)有令人失望,雖然三者的處理能力都有了下降,可是軟件定義存儲(chǔ)還是遙遙領(lǐng)先,三者之間的差距越來(lái)越明顯.軟件定義存儲(chǔ)的存儲(chǔ)性能明顯優(yōu)于SAN存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)與DAS存儲(chǔ)結(jié)構(gòu).
3)在數(shù)據(jù)量達(dá)到5 Tbit的時(shí)候,三種存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)下降的幅度都很明顯,DAS存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)甚至達(dá)到了不能處理的情況,SAN存儲(chǔ)雖然能夠處理,相對(duì)于軟件定義存儲(chǔ)它的存儲(chǔ)速度就有點(diǎn)脫節(jié)了.
分析比較之后可以看出,在信息量少的處理中,三種存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)都可以駕馭.所以DAS存儲(chǔ)更適合處理信息量少的數(shù)據(jù),比如小型數(shù)字視頻監(jiān)控項(xiàng)目,DAS的缺點(diǎn)這么明顯,它的優(yōu)點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本廉價(jià)是DAS存儲(chǔ)的優(yōu)勢(shì)[15];SAN存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)性能還是比較優(yōu)秀的,擴(kuò)容能力較強(qiáng),是一種比較優(yōu)秀的存儲(chǔ)方式.可是面對(duì)大數(shù)據(jù)時(shí)代,它的優(yōu)勢(shì)就不能很好地展現(xiàn)了,它更適用于SQL數(shù)據(jù)庫(kù);軟件定義存儲(chǔ)在系統(tǒng)軟件的修改方面實(shí)現(xiàn)用戶提出的新功能,在處理超大數(shù)據(jù)時(shí)達(dá)到78 Mbit/s的存儲(chǔ)速率,約為傳統(tǒng)SAN存儲(chǔ)技術(shù)的3.9倍,這些優(yōu)勢(shì)將極大的推動(dòng)云存儲(chǔ)的進(jìn)一步發(fā)展.對(duì)于超大數(shù)據(jù)還是需要軟件定義存儲(chǔ)來(lái)勝任,其作為一種新的存儲(chǔ)方式,它表現(xiàn)出強(qiáng)大的性能,可以較好的應(yīng)對(duì)大數(shù)據(jù)時(shí)代發(fā)出的挑戰(zhàn).
以上介紹了軟件定義存儲(chǔ)這種新的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式,將它與現(xiàn)有的幾種存儲(chǔ)方式的各種參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析,展示其優(yōu)勢(shì).然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M將它與其他存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能對(duì)比,從嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)中證明軟件定義存儲(chǔ)的存儲(chǔ)性能優(yōu)于傳統(tǒng)的大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu).這種新的存儲(chǔ)方式具有一定的優(yōu)勢(shì),在大數(shù)據(jù)時(shí)代將發(fā)揮它的作用.本文沒(méi)有對(duì)軟件定義存儲(chǔ)能自定義分配存儲(chǔ)資源這一特點(diǎn)進(jìn)行分析,后續(xù)的研究可對(duì)軟件定義存儲(chǔ)如何自定義分配存儲(chǔ)資源進(jìn)行深入研究,進(jìn)而為存儲(chǔ)的安全問(wèn)題提供有效的解決方案,進(jìn)一步完善存儲(chǔ)技術(shù),一個(gè)安全可靠的存儲(chǔ)服務(wù)將會(huì)使用戶用得更安心更放心.
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本文編輯:陳小平
Study on a Data Storage System
YANG Liejun,WU Yuqin,CHEN Yang
Computer Department,Ningde Normal University,Ningde 352100,China
This paper proposes a new data storage system named an improved implementation of Software Definition Storage System(SDS),which can automatically allocate storage,security,network and other resources on basis of a virtualized storage mode.The system can also pool these resources to achieve data protection,replication,compression and other storage functions.By comparing storage performance of SDS with traditional Direct-Attached Storage and Storage Area Network(SAN)storage models,the storage rate of SDS is slightly higher than that of other storage systems for small-capacity data storage,and the SDS has obvious advantages in the storage performance and throughput optimization for large-capacity data storage.The storage rate of SDS is 3.9 times as much as that of SAN when the capacity amounts to 5 Tbits.
data storage;software defined storage;storage performance
TM344.1
A
10.3969/j.issn.1674-2869.2016.06.018
1674-2869(2016)06-0611-05
2016-10-10
福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2015J01660);福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目(JAT160538);寧德師范學(xué)院服務(wù)寧德項(xiàng)目(2013F30)
楊烈君,碩士,講師.E-mail:slocky@126.com