王盛邦

（中山大學(xué)實驗教學(xué)中心，廣州 510275）

網(wǎng)絡(luò)存儲技術(shù)課程普適型實驗探索

王盛邦

（中山大學(xué)實驗教學(xué)中心，廣州 510275）

通過對網(wǎng)絡(luò)存儲技術(shù)課程實驗教學(xué)的實踐探索，提出具有普適意義RAID、NAS、SAN和云存儲等的實驗改革，旨在因地制宜、就地取材。提出的是課程主線實驗，據(jù)此可以拓展其他實驗。實踐表明，在不增加投入或少量投入的情況下，也能很好地在實驗室開展網(wǎng)絡(luò)存儲技術(shù)相關(guān)實驗。

網(wǎng)絡(luò)存儲技術(shù)；RAID；NAS；SAN；云存儲

0 引言

隨著大數(shù)據(jù)分析、移動和社交平臺實現(xiàn)集成的新型應(yīng)用程序的興起，迫切需要更多額外的存儲支持。據(jù)統(tǒng)計，全球每年數(shù)據(jù)增長達(dá)到50%～100%。網(wǎng)絡(luò)存儲所需要的容量極具膨脹，對現(xiàn)有的存儲技術(shù)提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

存儲系統(tǒng)是整個IT系統(tǒng)的基石，尤其在當(dāng)下大數(shù)據(jù)時代，數(shù)據(jù)的價值不可估量。存儲系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)載體和驅(qū)動力量，已經(jīng)成為大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)架構(gòu)中最為關(guān)鍵的核心，是IT技術(shù)賴以存在和發(fā)揮效能的基礎(chǔ)平臺。但是存儲技術(shù)人才卻十分匱乏，我國情況更甚。面對現(xiàn)代科技的快速發(fā)展，我們要未雨綢繆，大力開展網(wǎng)絡(luò)存儲教育，因而“網(wǎng)絡(luò)存儲技術(shù)”系列課程的建設(shè)、改革和發(fā)展迫在眉睫。

1 課程現(xiàn)狀

目前國內(nèi)開設(shè)網(wǎng)絡(luò)存儲方面課程的高校越來越多，相關(guān)課程的改革與建設(shè)被提出[1-8]。但這些改革似未能深入，其中提出的實驗環(huán)節(jié)或過于簡單，或依賴于專業(yè)存儲設(shè)備[1，5，6]，難以推廣普及。另外，所提出的實驗內(nèi)容未能覆蓋課程內(nèi)容。我們注意到，在教學(xué)實踐中目前授課重點仍主要集中在理論學(xué)習(xí)上，有關(guān)實驗實踐方面的內(nèi)容則泛泛而談或直接忽略，這對于實踐性強(qiáng)的課程而言是一大短板。其中一個主要原因是與存儲有關(guān)的設(shè)備投入大，受制于經(jīng)費往往難以開展課程實驗，嚴(yán)重制約了課程建設(shè)和發(fā)展。

本文無意排斥實驗時使用專業(yè)存儲設(shè)備，但專業(yè)存儲設(shè)備除價格不菲外，由于技術(shù)的快速發(fā)展，產(chǎn)品更新?lián)Q代快，其實際使用周期并不長。筆者所在實驗室曾于10年前引進(jìn)EMC公司大型存儲設(shè)備（CX500），當(dāng)時設(shè)備價值150萬，屬于企業(yè)贈送。課程就此開展了多項關(guān)于NAS、SAN的實驗[5]，取得一定的教學(xué)效果。但僅隔數(shù)年時間，該設(shè)備在使用上就存在較大問題，尤其是該系統(tǒng)無法與Windows7及以后版本的操作系統(tǒng)對接。因而巨資購買存儲專業(yè)設(shè)備，存在一定的“換代”風(fēng)險。

因地制宜、就地取材，使用現(xiàn)有設(shè)備能否開展網(wǎng)絡(luò)存儲實驗？文獻(xiàn)[9-15]已經(jīng)作了一些探索。本文主要討論課程實踐環(huán)節(jié)的突出問題，提出課程的主線實驗，旨在研究能充分利用現(xiàn)有設(shè)備開展網(wǎng)絡(luò)存儲技術(shù)實驗，在不增加或只有少量投入情況下開發(fā)具有普適性的實驗，只有這樣，才能兼顧理論與實踐，平衡兩方面的學(xué)習(xí)。

2 課程教學(xué)中的主要實驗

2.1 磁盤陣列實驗

在存儲技術(shù)中，磁盤冗余陣列RAID是最基本的實驗。RAID最主要的特點是可以提供比單個硬盤更高的存儲性能和提供數(shù)據(jù)備份技術(shù)，主要表現(xiàn)高效的I/O性能和系統(tǒng)的可靠性能在兩個方面。

由于RAID的重要性，進(jìn)行RAID實驗必不可少。如果缺乏設(shè)備，可利用Linux的Mdadm完成軟RAID的管理功能。Mdadm是Linux下的一款標(biāo)準(zhǔn)的軟件RAID管理工具，有磁盤故障模擬等功能，主要以命令方式使用。如果條件允許，建議搭建一個RAID“自制陣列”服務(wù)器，可以選擇較優(yōu)配件自行組裝服務(wù)器。主要配置如四核CPU（共享三級緩存）、12G寄存式內(nèi)存、2個多功能雙口千兆以太網(wǎng)卡、獨立RAID卡（或板載智能陣列控制器）、硬盤籠、2U機(jī)架式服務(wù)器機(jī)箱等，此外還要配置多個磁盤（例如機(jī)械硬盤若干個、固態(tài)磁盤若干個），以便組成RAID時進(jìn)行陣列磁盤性能測試。

自制陣列實驗主要是在搭建的環(huán)境中進(jìn)行各種RAID組合實驗，通過對不同RAID類型進(jìn)行測試，從數(shù)據(jù)上理解各種RAID類型的特點。同時研究磁盤性能，通過機(jī)械硬盤和固態(tài)硬盤組RAID的對比測試，研究固態(tài)硬盤在與機(jī)械硬盤的性能區(qū)別，包括存儲讀寫性能的一些特性，例如順序/并發(fā)、連續(xù)/隨機(jī)、大/小文件等。

例如，表1是一個關(guān)于RAID1的組合測試實驗。

表1 RAID1的組合測試實驗

實驗是在“自制陣列服務(wù)器”中進(jìn)行的，服務(wù)器中配置了機(jī)械硬盤和固態(tài)磁盤各5個，兩種磁盤可以靈活組合。表中，HDD表示機(jī)械硬盤，SSD表示固態(tài)硬盤，*號后面的數(shù)字表示參與測試磁盤數(shù)量，IOPS表示每秒進(jìn)行讀寫I/O操作的次數(shù)，用于衡量隨機(jī)訪問的性能。表中數(shù)據(jù)由陣列管理軟件MegaRAID Storage Manager和磁盤測試軟件IOmeter生成，根據(jù)表1數(shù)據(jù)可畫出如圖1的分析圖。

圖1 RAID1的組合測試結(jié)果分析圖

根據(jù)上述實驗結(jié)果，引導(dǎo)學(xué)生據(jù)此對機(jī)械磁盤與固態(tài)磁盤進(jìn)行性能分析和比較，從而得出較為客觀、建立在實驗基礎(chǔ)上的結(jié)論。學(xué)生的分析結(jié)果是：在兩個機(jī)械磁盤組成RAID1卷，且測試文件大小為8MB的情況下，當(dāng)測試的并發(fā)數(shù)由1變?yōu)?2時，機(jī)械磁盤的各項IOPS和MB/s變化不大。而當(dāng)測試模式由隨機(jī)寫變?yōu)檫B續(xù)寫時，機(jī)械磁盤的各項IOPS和MB/s都增加了70%左右。這表明了并發(fā)數(shù)的變化對機(jī)械磁盤的性能無明顯的影響，但機(jī)械磁盤在連續(xù)寫中有更好的表現(xiàn)。而當(dāng)測試模式由在兩個固態(tài)磁盤組成RAID1卷，且測試文件大小為8MB的情況下，當(dāng)測試的并發(fā)數(shù)由1變?yōu)?2時，固態(tài)磁盤的IOPS和MB/s在隨機(jī)寫的情況下增加了約37%；在連續(xù)寫的情況下則增加了約34%。當(dāng)測試模式由隨機(jī)讀變?yōu)檫B續(xù)讀時，在并發(fā)數(shù)為1的情況下，固態(tài)磁盤的IOPS和MS/s增加了約63%，而在并發(fā)數(shù)為32的情況下，IOPS和MB/s則增加了約59%。由此可知，在這種測試情況下，機(jī)械磁盤的性能略優(yōu)于固態(tài)磁盤，機(jī)械磁盤的IOPS和MB/s基本都是固態(tài)磁盤的2～3倍左右，尤其是在連續(xù)寫測試中，機(jī)械磁盤的表現(xiàn)更佳。

其他 RAID實驗，如 RAID0、RAID5等，可類似進(jìn)行。

顯然，與單純RAID泛講相比，這樣的實驗結(jié)合理論，觀察直觀，特別能鍛煉學(xué)生的動手能力和科學(xué)分析的能力。

2.2 NAS 實驗

NAS（Network Attached Storage，網(wǎng)絡(luò)附加存儲)是網(wǎng)絡(luò)存儲的一種技術(shù)，它包括存儲器件和專用數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器。專用服務(wù)器上安裝有經(jīng)過裁剪的Unix類操作系統(tǒng)，作為遠(yuǎn)程文件服務(wù)器，其文件管理系統(tǒng)是NFS、SMB/CIFS、FTP等，對外提供文件級的訪問。目前市面上的專業(yè)NAS設(shè)備較多，價格并不便宜。

實驗室里的NAS實驗，并不需要專業(yè)NAS設(shè)備，只須一臺普通的PC就可以充當(dāng)NAS服務(wù)器。至于NAS服務(wù)上的操作系統(tǒng)，可以采用著名的FreeNAS。FreeNAS是一款開源免費專門用于構(gòu)建NAS服務(wù)器的專業(yè)操作系統(tǒng)，是一個經(jīng)過優(yōu)化的文件存儲和共享操作系統(tǒng)。其對硬件的要求非常低，所占空間不足16MB，大大節(jié)省了硬件資源，是組建簡單網(wǎng)絡(luò)存儲服務(wù)器的最佳選擇。

進(jìn)行NAS實驗時，將FreeNAS安裝在常規(guī)硬件配置的PC上（充當(dāng)NAS服務(wù)器），另一臺與FreeNAS處在同一局域網(wǎng)環(huán)境的PC（充當(dāng)管理機(jī)）。管理機(jī)訪問NAS服務(wù)器，是通過瀏覽器登錄FreeNAS訪問，然后按要求展開配置管理。

通過FreeNAS，可以開展許多NAS實驗。例如配置NAS中的文件服務(wù)器(File Server)，實現(xiàn)共享的文件服務(wù)；配置文件系統(tǒng)的磁盤限額(File System Quotas)；實現(xiàn)文件系統(tǒng)的檢查點(File System Checkpoint)，以便對文件系統(tǒng)進(jìn)行備份等等。以此達(dá)到（1）掌握NAS存儲系統(tǒng)的相關(guān)概念；（2）掌握 FreeNAS 系統(tǒng)的使用；（3）掌握CIFS、NFS、AFP 協(xié)議的配置與使用；（4）掌握使用 iSCSI協(xié)議通過IP網(wǎng)絡(luò)訪問存儲設(shè)備的方法等目的。

2.3 SAN 實驗

SAN（Storage Area Network，存儲區(qū)域）是一個集中式管理的高速存儲網(wǎng)絡(luò)，其允許存儲設(shè)備和服務(wù)器之間建立直接的高速網(wǎng)絡(luò)連接，是一種集中式存儲。SAN經(jīng)過十多年歷史的發(fā)展，已經(jīng)相當(dāng)成熟，成為業(yè)界的事實標(biāo)準(zhǔn)。目前市面上一般SAN專業(yè)設(shè)備，價格較為昂貴。

實驗室里的SAN實驗，如果沒有專業(yè)SAN設(shè)備支持，很難開展。特別是需要多臺服務(wù)器、光纖交換機(jī)、光纖通道卡、光纖模塊、光纖跳線等配套設(shè)備或配件。如圖2是一種SAN典型拓?fù)洹?/p>

實際上，SAN架構(gòu)分為FC SAN和IP SAN。IP SAN又包括iSCSI與NAS。FC SAN是采用光纖信道的SAN，也就是服務(wù)器通過光纖信道卡，連接光纖交換器，再連接后端的存儲設(shè)備。IP SAN則是服務(wù)器通過以太網(wǎng)絡(luò)連接后端存儲設(shè)備，后端的存儲設(shè)備被視為一臺含有文件處理系統(tǒng)的存儲服務(wù)器。其文件系統(tǒng)是CIFS（適用于 Windows操作系統(tǒng)）或 NFS（適用于Linux、Unix操作系統(tǒng)）。

圖2 SAN典型拓?fù)?/p>

雖然在實驗室現(xiàn)有設(shè)備中難以開展FC SAN，但實現(xiàn)IP SAN則是可行的。類似NAS實驗，IP SAN實驗服務(wù)器端支持系統(tǒng)可采用Openfiler。Openfiler也是基于Linux的開源操作系統(tǒng)，其系統(tǒng)功能主要是存儲管理，可以提供基于文件的網(wǎng)絡(luò)連接存儲和基于塊的存儲區(qū)域，具有優(yōu)良的SAN性能。Openfiler使用廣泛流行的Web界面對存儲磁盤進(jìn)行管理，支持軟件RAID和硬件RAID，具有監(jiān)測和預(yù)警功能，可以做卷的快照和快速恢復(fù)。尤其Openfiler對硬件要求不高，只須256MB以上內(nèi)存、1G硬盤安裝空間即可。

實驗室中IP SAN最典型的實驗，就是使用Open-Filer搭建iSCSI網(wǎng)絡(luò)共享存儲實驗，其主要過程包括了創(chuàng)建iSCSI邏輯分區(qū)LUN、在Windows系統(tǒng)中測試iSCSI等操作，最后要求學(xué)生利用IOmeter測試工具對Openfiler創(chuàng)建的存儲性能、傳輸帶寬及反應(yīng)能力、網(wǎng)絡(luò)吞吐量、硬件性能等進(jìn)行測試，對測試結(jié)果進(jìn)行分析。學(xué)生的實驗感受是：OpenFiler的存儲性能很不錯，它可以提供與專業(yè)存儲器一樣的功能、性能及可用性，而其花費卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于專業(yè)存儲器。

2.4 云存儲實驗

云存儲是新興的網(wǎng)絡(luò)存儲技術(shù)，其核心功能是數(shù)據(jù)的存儲和管理。云存儲相對于傳統(tǒng)的存儲技術(shù)有易用性、可靠性和成本低廉等優(yōu)點。云端用戶可以在任何時間、任何地點，通過任何可聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備連接到云上方便的進(jìn)行數(shù)據(jù)的存取。因此，云存儲技術(shù)已經(jīng)代表了現(xiàn)在存儲服務(wù)的發(fā)展趨勢。

目前市面上有云存儲服務(wù)器，一般配置的價格并不高。在實驗室實際上也可利用現(xiàn)有條件自行搭建。例如可采用PC+VirtualBox虛擬化軟件模擬實現(xiàn)，通過部署Hadoop還可在其上進(jìn)行規(guī)模擴(kuò)展[14]。最常用的虛擬化軟件如虛擬機(jī)VMware，它擁有獨立的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序，其特點是可以在一個宿主機(jī)上創(chuàng)建多個虛擬機(jī)，從而可以在單機(jī)環(huán)境下模擬小規(guī)模的分布式集群。而VirtualBox是開源的虛擬機(jī)軟件，性能優(yōu)異特性豐富。Hadoop則是開源的分布式計算框架，可以在大量配置較低的硬件設(shè)備組成的集群上運行應(yīng)用程序，例如可以使用Hadoop構(gòu)建平臺服務(wù)層次的云計算平臺。PC+VirtualBox搭建過程頗為繁復(fù)，如果是簡單應(yīng)用也可采用FreeNAS構(gòu)建云存儲，方法可參見[15]。

2.5 軟件定義存儲

傳統(tǒng)的存儲系統(tǒng)在云計算應(yīng)用模式的快速普及以及大數(shù)據(jù)時代下數(shù)據(jù)的爆炸式增長挑戰(zhàn)下，已越來越難以滿足企業(yè)IT系統(tǒng)在靈活性、擴(kuò)展性以及統(tǒng)一管理等方面的需求，類似于“軟件定義網(wǎng)絡(luò)”，“軟件定義存儲”（Software Defined Storage，SDS）應(yīng)運而生。SDS 打破傳統(tǒng)存儲系統(tǒng)軟硬件緊耦合所造成的割裂狀況，將數(shù)據(jù)中心或者跨數(shù)據(jù)中心的各種存儲資源抽象化、池化，以服務(wù)的形式提供給應(yīng)用，滿足應(yīng)用按需（如容量、性能等）自動化使用存儲的需求[16]。

最近幾年，業(yè)界已經(jīng)推出了多款SDS產(chǎn)品。實驗室開展此項實驗，有一定難度。但在2016年，EMC公司推出了業(yè)界領(lǐng)先的Unity中端存儲陣列平臺UnityVSA（Unity Virtual Storage Appliance）[17]。 該 平 臺 為vSphere虛擬卷和基于存儲策略的管理提供原生支持，提供多種部署選擇，同時支持SAN和NAS。值得注意的是它提供了免費的社區(qū)版EMC UnityVSA，用于測試和開發(fā)使用，且?guī)椭臋n配有視頻指導(dǎo)。如圖3所示，VSA可以部署在vSphere環(huán)境，能全面訪問基于HTML 5的用戶界面。尤其UnityVSA對設(shè)備的要求并不高，主要硬件包括四核/雙核 CPU 64-位 x86 Intel 2GHz+、含512MB緩存的RAID卡，硬盤可以是SATA、SAS、SSD等類型。

圖3 vSphere部署

實驗時，只須采用免費的社區(qū)版UnityVSA，其客戶端的Web界面如圖4所示。這樣，通過UnityVSA配置管理，可以體驗“軟件定義存儲”實驗。

圖4 UnityVSA客戶端的Web界面

3 結(jié)語

本文通過對網(wǎng)絡(luò)存儲課程實驗教學(xué)的實踐探索，提出具有普適意義的實驗改革，旨在因地制宜、就地取材。不管是存儲的基礎(chǔ)實驗RAID，抑或是比較先進(jìn)復(fù)雜的軟件定義存儲實驗，皆可最大限度地利用現(xiàn)有設(shè)備或少量投入新的設(shè)備，一般無須購置昂貴的專業(yè)設(shè)備，而課程的基本實驗均可進(jìn)行。文中提出的是課程主線實驗，據(jù)此可以拓展其他實驗。另外，還可以與業(yè)界優(yōu)秀企業(yè)共建課程，讓學(xué)生到企業(yè)利用專業(yè)設(shè)備進(jìn)行存儲技術(shù)實訓(xùn)，這樣可以讓學(xué)生更好地掌握理論知識，與此同時與業(yè)界前沿技術(shù)接軌，進(jìn)一步培養(yǎng)出滿足社會需求的創(chuàng)新型人才。作為實例，筆者將此教學(xué)模式應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)存儲課程課程的教學(xué)中，取得了顯著的教學(xué)效果。希望能對《網(wǎng)絡(luò)存儲技術(shù)》課程的普及和快速發(fā)展起到一定的促進(jìn)作用。

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A Probe into the Universal Experiment of Network Storage Technology Course

WANG Sheng-bang
（Teaching and Experiment Center，Sun Yat-Sen University，Guangzhou 510275）

Through the practical exploration of the experimental teaching of Network Storage Technology course,puts forward the experimental reformation with universal meaning RAID,NAS,SAN and cloud storage,aiming at current conditions and local materials.The proposed main course experiment can expand to other experiments.Practice shows that,without increasing investment or a small amount of investment in the case,it's helpful to carry out Network Storage Technology related experiments in the laboratory.

Network Storage Technology；RAID；NAS；SAN；Cloud Storage

∶廣東省高等學(xué)校教學(xué)團(tuán)隊建設(shè)項目（No.67000-18822504）、中山大學(xué)校級質(zhì)量工程（No.68000-3191106）、廣東省教改項目（No.68000-18822560）

1007-1423（2017）31-0031-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.31.008

王盛邦(1962-)，男，廣東汕頭人，碩士，高級工程師，研究方向為計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、信息安全

2017-09-07

2017-10-25