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[图文]存储技术的进展及其应用前景(下)
2003-06-23 《世界广播电视》
宋宜纯 郭晓
本文作者宋宜纯先生，中央电视台副总工程师；郭晓先生，北京广播学院网络信息中心主任。
关键词：存储 SAN FC IP Storage 共享 备份 制播系统 媒体资产
c. iFCP
Internet光纤通道协议(Internet Fibre Channel Protocol, iFCP)是一个网关到网关的协议，它利用IP网络中的交换机、路由器等组件，补充、增强或代替由光纤通道组建的SAN网络，以实现多个FC网络中最终存储设备之间利用TCP/IP网络建立端到端的连接。iFCP支持光纤通道第四层光纤通道协议(Fibre
Channel Protocol, FCP)，并能像光纤通道的协议层(FC-2)一样，支持通过串行链路在SCSI发起者和目标之间传送标准SCSI命令、数据和状态信息。iFCP利用IP网络协议替代光纤通道的第二层传输层协议(FC-2)，但是保留了光纤通道的上层协议(FC-4)信息，此由存在的FC传输服务与TCP/IP的映射完成，使得iFCP能适应地部署到潜在不可靠的IP网络环境当中。
iFCP被设计成拥有多个FC存储设备、并希望通过IP网络灵活地将这些设备互联在一起的协议，它也能够通过IP网络互联多个SAN，同时允许用户在一个SAN中以IP网络代替FC网络。这种灵活的方式，使得大型企业局域网络的投资得到保护。
iFCP能够在FC与IP之间建立网关到网关的连接，从而在本地或不同SAN之间可利用IP网络实现FC终端设备之间的连接，这比SAN到SAN之间的IP网络互联更具弹性。例如：在iFCP中每一对通过TCP/IP互联的FC节点端口(N_Port)，可以拥有自己的传输质量服务(Quality
of Service, QoS)标识，使得系统能够为不同的连接提供相应的传输优先级别。而在SAN到SAN的互联网络中，多个连接之间是无法区分的。
在iFCP网络中，iFCP网关用于连接FC终端设备和IP网络，iFCP网关同时包含FC和IP网络的物理接口。iFCP作为一个TCP/IP协议，在两个或多个iFCP网关之间通过TCP封装和传输FC-4数据帧。iFCP网关提供FC交换接口(F
Port)或交换环路接口(FL Port)，使之可以轻松连入任意拓扑的FC网络。iFCP网关提供N Port之间的会话连接。
iFCP提供单连接和多连接两种模型，二者都支持单个或多个iFCP会话的传送。在单连接模型中，一个TCP会话连接了多个SAN孤岛，以及因此而产生的N
Port会话，当网络连接阻塞时，会中断所有通过这个TCP会话连接的SAN及相应的N Port会话。在多连接模型中，每个SAN孤岛之间的N
Port会话都是通过独立的TCP会话连接的，每个N Port会话都是并行的，当网络连接阻塞时，只会中断当前TCP会话连接的SAN及相应的N
Port会话，而不会影响其他N Port会话。
IFCP的主要优点是：作为一个能够将FC传输协议映射到TCP中的SAN网关协议，能够将不同FC网络的存储设备直接通过IP网络连接起来，并且可以在不同FC存储区域之间通过TCP/IP建立可靠的存储数据传输，而无需FC网络交换连接设备的支持，同时无需改动基于FC的驱动或存储控制等设备，如磁盘阵列、磁带库等。
d. iSNS
Internet存储名称服务(Internet Storage Name Service, iSNS)被设计成可以部署在iSNS服务器、IP存储交换机或存储设备中的一种轻量级发现协议，并且具有容易注册、发现、可以管理存储资源及区域状态改变管理等特点。名称注册服务可以是IP存储设备以光纤通道命名的方式注册其属性和地址，使发起者能够通过查询发现和访问其目标。iSNS还能提供区域划分功能，这可以限制未授权的发起者进行目标IP存储设备查询，在一个iSNS发现域(Discovery
Domain)中，每个注册设备的状态改变或重新被配置，iSNS都会通知域中的其它注册设备。iSNS发现域可以使注册设备加入一个或多个存储区域。iSNS发现域和光纤通道域一样，都需要手工配置管理，至少是在网络功能组开始初始化时。在默认情况下，新设备是作为独立设备而存在于网络当中，直到管理工作站将它分配到特定的iSNS域，这样做可以保护新设备因疏忽而被未经授权的发起者发现和访问，当新设备被配置到iSNS发现域后，iSNS发现域会将之通知给域中其他经授权的发起者。
通过iSNS发现存储设备的第一步，就是在iSNS服务器上注册设备。根据IP存储协议的不同(iSCSI或iFCP)，IP存储设备将自己的地址及其它属性信息注册到iSNS服务器，后者利用这些信息建造一个iSNS客户端数据库，以便将这些设备分配到相应的iSNS发现域。iSNS客户端数据库主要包含网络实体、入口、存储节点、FC设备、发现域、发现域集等对象模型，每个对象模型都包含许多属性，如IP地址、TCP端口号、注册实体等信息(见图7)。有些信息是IP存储设备提供的，有些是由iSNS管理工作站提供的，如区域信息。
在一个SAN网络中，可以有一个或多个iSNS管理工作站，每个iSNS管理工作站都可以通过iSNS协议或简单网络管理协议(Simple
Network Management Protocol, SNMP)和iSNS服务器通信。
2. 廉价硬盘构成的低成本存储系统
大家对高技术配置/集成驱动电子(Advanced Technology Attachment/Integrated
Drive Electronics, ATA/IDE)设备并不陌生。ATA是一种控制器技术，IDE是与之匹配的磁盘驱动器技术，主要是针对桌面计算机系统而设计的。ATA没有外部连接，也没有类似于网络的连接属性，而且不支持多驱动器的重叠I/O，这阻碍了ATA/IDE走向高端应用。虽然它性能不如SCSI，但价格上却很有吸引力。传统的RAID技术主要是基于SCSI接口，提供高性能的磁盘组I/O解决方案。随着ATA接口技术的不断发展，新型ATA标准的IDE硬盘之内、外部传输率都已接近SCSI硬盘，这使得RAID技术应用到ATA/IDE接口可能带来实惠。于是，一些RAID厂商开始推出基于IDE接口的RAID应用产品，称为IDE
RAID，如StorageTek公司的BladeStore。
与SCSI RAID相比，IDE RAID除了价格极富吸引力外，其另一优点是ATA/IDE之间为并行的，这意味着IDE
RAID能够提供很高的I/O吞吐速度，如StorageTek公司的BladeStore，一个独立的RAID磁盘组的最大传输率可以达到400Mb/s。IDE
RAID出色的性价比，使之在非关键在线内容访问、近线快速数据备份恢复等应用领域前途光明。
IDE RAID也存在着缺点，如CPU占用率大、连接数量有限，这和SCSI RAID是无法相比的。但是，正在制订的Serial
ATA标准有望解决这些问题。
3. 下一代I/O总线技术
自1992年PCI总线替代ISA总线以来，PCI成为计算机系统的一个标准总线规范。当前PCI2.2总线宽度为32/64位，工作频率为33/66MHz，最大总线数据吞吐速率为533Mb/s。随着计算机技术的迅猛发展，CPU的主频速度也越来越快，现在已经超过了2GHz，千兆以太网络适配器、ATA/100、Ultra160等新技术不断出现，PCI总线已经成为系统性能提高的瓶颈，制定一种新型总线标准便成了当务之急。目前正在研发的总线技术标准主要有PCI-X、PCI
Express、InfiniBand、HyperTransport、Rapid I/O等，它们各有千秋(见表2)，尤以前三种发展前景较好。
a. PCI-X
PCI-X属于PCI总线的扩展架构，它采用一种从寄存器到寄存器的设计，对总线协议做了改进。与PCI总线相比，PCI-X允许连接的单个PCI-X设备自己进行数据交换，断开没有数据交换的PCI-X的连接，以减少总线的等待周期。因此，在同样的频率下，PCI-X的性能将会比PCI提高14%～35%。PCI-X的最大优势是它的变频功能，它不像PCI那样采用固定频率，其频率会根据设备的不同而变化。PCI-X1.0目前可以支持66、100和133MHz三种频率；而新的PCI-X
2.0可以支持266和533MHz，最高带宽可达34Gb/s。
PCI-X总线另一优势在于向后兼容传统的PCI总线，无论32位、还是64位PCI-X总线均采用同样的接口形式，而且普通PCI的设备也能插入PCI-X插槽。然而，在将PCI-X的适配器放在PCI总线上时，其工作速度只能限制为PCI总线的速度。在一个系统中，若将PCI卡和PCI-X卡混用，那么总线将以最慢的卡的速度运行。另外，PCI-X总线无需在BIOS程序中修改，所有功能完全由板卡来实现，所有的PCI-X和PCI设备都能在一个系统中和平共处，不会发生任何冲突。PCI-X总线的引入可以确保用户原有的投入不会浪费。
b. PCI Express
PCI Express由Intel公司提出，它采用串行I/O传输技术，最初的技术规范中数据传输率是2.5Gb/s，但由于8b/10b编码和发送数据包的开销，实际传输率约1.6Gb/s，全双工模式下可以达到3.2Gb/s。同时，PCI
Express允许通过多组信号线来提高传输带宽。目前Intel正在加紧制定2x、4x、8x、12x、16x、32x等规范，以期PCI
Express的理论带宽提高到单工模式80Gb/s、全双工模式160Gb/s。PCI Express不仅支持印刷电路板用作传输介质，而且能够利用铜缆进行外部扩充，以便于外部连接和增大连接的距离。
PCI Express支持芯片到芯片、主板到主板的连接，并可通过铜缆连接到外部的存储设备等外设，并具有一定的热插拔能力。PCI
Express支持的外部接口有IDE、SCSI、千兆以太网，并可桥接PCI、PCI-X、USB、Serial
ATA等接口设备。
PCI Express是串行点对点连接，由交换器来完成，类似于网络应用中的交换机，数据在两个设备之间互相传输，无需I/O桥接芯片的处理，设备之间直接传输可以节省大量的带宽，保证每两点之间都能以最高速度来传输。
PCI Express与原来的PCI系统相兼容，不管是底层的操作系统、还是设备的驱动程序都不能改变。在性能方面，要求与系统频率和附加设备有很好的相容性、很高的每针脚带宽、较低的传输速度和延迟时间。
c. InfiniBand
InfiniBand是Intel提出的一种全新的总线结构，用于在服务器系统中取代PCI总线，使用InfiniBand总线的系统将得到更高的带宽和扩展能力，增强系统的灵活性。目前该技术得到Compaq、Dell、Intel、IBM、Sun等公司的支持。
InfiniBand是一种交换结构I/O技术，其设计思路是：通过一套InfiniBand交换机在远程存贮器、网络及服务器等设备之间建立一个单一的连接链路，并由中心InfiniBand交换机来指挥流量，其结构设计非常紧密，大大提高了系统的性能和可靠性，并能缓解各硬件设备之间的数据流量拥塞。InfiniBand融合了存储区域网络和系统区域网络，使总线不再成为障碍。在机箱内部，虽然还存在与内存通信的路径，但InfiniBand接口直接与内存控制器会话，并且支持总线旁路。在一个InfiniBand网络中，其终端节点可以是计算机、路由器等网络设备，也可以是磁盘阵列、FC终端等I/O存储设备。
InfiniBand网络使用一条交换式的点对点光纤，利用虚拟通道通信，并提供I/O共享机制，这就消除了PCI的共享总线和升级问题。InfiniBand支持印刷电路板、光纤、铜缆三种传输介质，有通过光纤的冗余路径，使容错能力得以提高，而且多个InfiniBand子集可以经InfiniBand路由器连接。
InfiniBand的目标不仅是存储，它也可为通信服务。InfiniBand使用IPv6的设备寻址标准，能用目标通道适配器连接LAN和WAN交换机和路由器，在系统区域网络和外部网络之间提供无缝的过渡。
除了能够避免许多共享总线系统的瓶颈以外，InfiniBand具有很好的带宽扩展能力，单组信号线可以达到单工2.5Gb/s的数据传输率，并可以扩展到4组10Gb/s和12组30Gb/s的传输速率。如果采用全双工模式，数据传输率可以达到60Gb/s。(全文完)
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