[图文]存储技术的进展及其应用前景(上)
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

一 前言

电视台制播系统从传统模拟式走向数字化，再从数字化走向数据化、网络化，已经成为主要发展目标。作为制播系统业务的核心，音/视频素材的存放形式逐步从模拟带走向数字带；而在网络化制播系统中，音/视频素材则以数据文件的形式在网络中传递，一方面可以免去编辑制作时上/下载，另一方面可以使得多个设备共享访问，节目制作工艺流程从传统的串行方式变为并行方式。因此，音/视频素材数据在整个制播网络中的存放位置，以及与系统中其他设备的连接方式，会直接影响到整个制播网络系统的运行效能。

媒体资产管理(MAM)是广播电视行业所面临的一个重要课题。它在构成、特点、需求等方面与常规产业的资产管理有很大区别，从而成为一个特定的技术领域。电视台的媒体资产以视/音频节目或素材为主，数据量极其庞大。为了保持所需图像质量，要求采用较小的压缩比，但为了便于检索和预览，又要求采用较大的压缩比；不同素材的利用率和访问率也大相径庭；而且MAM的建设是一个长期过程，其间各种格式的媒体素材都将并存，同时为了发挥媒体资产的潜在价值，还得保证素材能为各种用户访问和传送。这些都为MAM存储体系的设计造成困难。为此必须搭建一个可靠、快速、可扩展，能提供多种码率分级存放，在线、近线、离线搭配协调的存储体系，这已经成为网络化制播系统和MAM建设中的核心问题。

近几年来，随着制播网络系统需求的提高，存储技术的发展越来越快。以光纤通道(FC)为主的存储区域网络(SAN)技术逐渐代替传统的直接依附存储(DAS)系统。光纤通道SAN因其确保高可用性、支持高速数据流吞吐及运行数据密集型应用的能力，已成为网络化制播系统和MAM中存储网络技术方案的首选。但是，用光纤通道构建存储网络体系，存在投资费用高昂、受地理限制等缺点。如何有效地利用现有计算机网络资源，低成本地建设和扩展存储网络，一度成为设计和实施的难题。在存储网络管理方面，异构操作系统应用程序之间共享存储要耗费太多的CPU资源；应用程序层访问控制和存储备份会占用更多的网络带宽；为更多的用户提供更透明的存储空间和区域等问题的提出，都对设计和实施增加了难度。

IP存储网络、分隔独立的存储格式文件共享系统、LAN-FREE/Serverless备份方式、虚拟化存储管理等存储新技术的出现，为网络化制播系统和MAM技术方案的设计和实施者提供了更多的选择，从而能够拥有更大的空间，并根据实际环境，利用现有资源和有限的资金，建造高效、可靠的系统。

二 存储网络及设备

1. IP存储网络

IP存储网络是近两年兴起的一种传输协议标准，主要是指在TCP/IP网络上提供块级别(Block-Level)的存储数据传输技术，包括iSCSI、FCIP、iFCP、iSNS等技术。IP存储网络可以有效地构架于已安装的TCP/IP网络之上，使用户可以通过LAN、MAN、WAN访问存储设备，而无须改变存储应用；允许管理者利用现有的TCP/IP网络知识和网络管理系统等工具，将不同架构环境的DAS系统或SAN网络，通过现有的TCP/IP网络骨干集成在一起，形成新的系统环境；而新的系统环境可以提供更高的存储资源利用率，且不需要改变现有的备份、灾难恢复等应用，还可保证原有块存储设备的使用。这些意味着在减少总体投入的同时，能够保证在广域等多种环境下根据不同存储需求快速地部署SAN网络。因此，IP存储网络较网络依附存储(NAS)有着明显的优势，主要表现在：有效地利用现有的存储设备(SCSI或FC)与TCP/IP基础网络(千兆以太网)；将存储资源最大化，以适合更多的应用；扩展DAS与SAN的地域访问限制；有效地利用现有的存储应用(备份、灾难恢复、镜像等)；有效地利用TCP/IP网络知识和网络管理系统等工具管理存储网络。

iSCSI协议定义了通过TCP/IP网络封装标准的SCSI命令，并且规定了如何发送和接收存储应用块数据的规则和处理方法。

FCIP提供了一种通过IP网络构建FC隧道的机制，这可以使多个由FC组建的SAN网络通过IP网络进行互联，以创建一个单一的FC存储区域。其中FCIP由TCP/IP协议作为底层传输协议，并提供阻塞控制及顺序发送数据等功能。

iFCP支持第四层FC协议(FCP)的TCP/IP封装，是一个网关到网关的协议，可利用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网络中的最终存储设备之间利用TCP/IP网络建立端到端的连接。

a. iSCSI

iSCSI(Internet Small Computer System Interface)协议是SCSI远程过程引用模型在TCP上层传输协议的映射，是通过IP网络端对端地存储I/O块数据的传输协议。它包含服务器(发起者)、存储设备(目标)和协议传输网关设备三个基本元素；使用标准以太网交换机和路由器在服务器与存储设备之间传递数据；并可用IP网作为下层基础网络，扩展DAS与SAN的地域访问限制，实现多个远程SAN之间的互联。

众所周知，SCSI结构体系是一种基于客户/服务(Client/Server)的模型，客户端可被视为一种发布读/写数据请求的主机系统，如文件服务器等；而服务端可被视为响应客户端请求的资源，例如：磁盘阵列、磁带库等。就存储而言，客户端作为发起者向服务端主动发送一系列动作命令，服务端作为目标被动地履行客户端的请求命令。一个目标服务端有一个或多个逻辑单元处理发起者的请求命令，每个逻辑单元被分配给一个标示编号或逻辑单元号(Logical Unit Numbers, LUN)。每个包含处理命令的逻辑单元都被包含在一个命令描述块(Command Descriptor Block, CDB)中，并由客户端主机向服务端特定的逻辑单元发送。例如：发起者请求读取指定的数据块，目标服务端的逻辑单元向发起者传送相应的数据块，并通过中断状态指明请求已完成。而iSCSI的主要任务是，通过IP网络在发起者和目标之间完成CDB的封装、可靠转送等处理。

在iSCSI协议模型中，iSCSI层接口对应操作系统的SCSI命令集，用于封装SCSI命令、数据和状态报告。例如：当发起者操作系统或存储应用程序需要数据写操作时，相应的SCSI的CDB必须在iSCSI协议层中封装，再通过TCP、IP等下层协议封装，然后通过千兆串行链路传送到目标设备。

iSCSI协议同时还监控一个或多个发起者与目标设备之间块数据的传输和I/O操作完成的确认。在实际应用中，一个发起者可以同时与多个目标设备之间建立活跃的TCP连接。

在iSCSI发起者主机系统和目标存储资源设备加入IP网络后，作为客户端的发起者主机系统和作为服务端的目标存储资源设备，均被分配给一个IP地址作为其网络实体的标识，一个网络实体可以包含一个或多个iSCSI节点。

iSCSI节点对象标识了一个能够通过网络访问的SCSI设备，网络入点包括给节点分配的IP地址和TCP端口号，每个节点有一个唯一的iSCSI名称。这些名称信息可以配置到iSNS服务器中，以便被其他发起者发现和访问。

在图2中，每个主机和存储资源都支持千兆以太网接口和iSCSI协议栈。这可以使存储设备直接插入千兆以太网交换机或路由器，而且很容易被网络中的其他实体识别，并作为一个普通IP设备，直接连入IP网络以响应设备发现和连接建立，实现发起者发现存储资源。例如：一个发起者需要一个目标IP地址列表，它可以是本地查询列表，也可以由网络中的类DNS服务提供，如：服务定位协议(Service Location Protocol，SLP)。

iSCSI协议传输网关设备可以是支持iSCSI的网络接口卡(NIC)或网络桥接网关设备。由于在iSCSI协议传输网关设备中实现了SCSI指令的传输和操作，这使得操作系统和应用程序的CPU的占用周期大大减小，这些是NAS系统所无法比拟的。

b. FCIP

FCIP(Fiber Channel over IP)是一个将FC的数据帧完整地包装以便其通过TCP/IP网络的简单的隧道协议。FCIP用于连接多个远程由FC组成的SAN网络，而且只利用TCP/IP连接传输。FCIP网关作为一个标准的FC交换机，加入由FC组成的多个存储网络，使之成为一个巨大的单一FC存储区域网络，同时作为一个本地存储网络中出现的错误失败，可以传送到其他的由FCIP连接的FC存储网络中。FCIP完成了从SAN到SAN的连接。

在FCIP构建的FC存储区域网络中，数据访问源的FC数据帧被完整地包装，并通过IP网络传送到目的设备；在目标接收端，FCIP网关设备去掉被封装的TCP/IP头部信息，并恢复为原有的FC数据帧，然后发送到本地FC交换机。FCIP中也包含部分最小限度的IP内容，用以描述FC的扩展及固有的策略信息。

在FCIP网关中，当接收到本地FC终端设备的FC数据帧时，FCIP保留从FC-0到FC-2的信息，然后将FC-4中与上层协议的映射信息，改为FCP与IP协议的映射信息，再封装上目标的TCP/IP信息，并通过IP网络向目标发送。同样，在目标网络中的FCIP网关接收到来自IP网络的源数据帧时，去掉TCP/IP的封装信息，然后将FCP与IP协议的映射信息，改为上层协议的映射信息，并封装到FC-4层中向FC交换网络发送。

在建立FCIP隧道后，其链路对FC设备保持透明。FC交换机可将其视为标准的交换机互联链路。因此，每个交换机都可通过命名服务器进行通信，并形成一个独立的FC命名空间。

FCIP最大的优点就是部署简单而明确；其缺点是可管理性和可控制性差。由于FC数据帧隐藏在隧道内，IP网络管理工具(如目录服务、负载管理及QoS等)无法根据其内部信息进行管理，容易遭受攻击而崩溃；而且构建FCIP存储网络时，需要两个或更多个相互分隔的FC存储网络，同时还需要各自独立的管理平台。另一个缺点是，FCIP不能提供从FC到IP存储区域网络的迁移路径。(未完待续)