Что делает сеть хранения данных (SAN) необходимой для современных дата-центров?

SAN (сеть хранения данных) — это выделенная сеть или подсеть, которая объединяет общие пулы хранилищ с несколькими серверами.

Доступность и работоспособность хранилищ имеют основополагающее значение для выполнения вычислительных задач. Стандартный подход к развертыванию дисков с прямым подключением отлично подходит многим компаниям благодаря своей простоте, однако в этом случае они привязаны к физическому серверу через интерфейс SAS. Тем корпорациям, которые стремятся к большему контролю и гибкости, лучше ориентироваться на SAN.

Технология SAN удовлетворяет потребности многих крупных корпораций, стремящихся получить доступ к более масштабируемым, специализированным средам, в которых несколько серверов можно легко подключить к устройствам хранения. Организация может осуществляться по уровням или пулам. SAN представляет собой более централизованный подход, при котором пользователи могут оптимизировать емкость хранилища, обеспечить отказоустойчивость и получить высокий уровень защиты.

Типичные сценарии использования сетей хранения данных

Если упростить это определение, то SAN — это сеть дисков, к которым могут обращаться серверы. Такой подход помогает консолидировать хранилище. Например, если речь идет о центре обработки данных с большим количеством серверов, обычно используются физические диски, расположенные на отдельных серверах, и гораздо эффективнее использовать хранилище в выделенной подсистеме, так как в этом случае гораздо проще обеспечить защиту и управлять всеми данными.

SAN также чрезвычайно эффективна с точки зрения обеспечения доступности системы хранения. Эта технология работает за счет подключения нескольких устройств и компьютеров, поэтому при возникновении любых сбоев можно использовать альтернативный путь доступа, а не полагаться исключительно на одно устройство хранения. При возникновении технических проблем система будет продолжать функционировать благодаря доступности других устройств хранения и путей доступа к ним. Централизованный подход значительно упрощает процесс администрирования и задачи управления.

Все эти факторы положительно влияют на непрерывность бизнеса и восстановление после сбоев, что может стать огромным преимуществом для многих организаций. Чтобы понять особенности SAN, давайте попробуем сравнить её с традиционной технологией DAS.  

Технология DAS основана на подключении дисков непосредственно к компьютеру через интерфейсы SAS/SATA. На дисках обычно хранится информация, необходимая для конкретного сервера. Конечно, к информации с одного устройства DAS можно получить доступ с других серверов, но подключение осуществляется через стандартную IP-сеть. Передача больших объемов информации по IP-сети может занимать чрезвычайно много времени, что напрямую сказывается на производительности системы.

SAN работает совершенно по-другому — все диски подключены к выделенной сети хранения данных. Любой сервер в сети может легко получить доступ к хранилищу, и нет необходимости проходить через локальную сеть (LAN). Это означает, что отказоустойчивость и производительность системы могут быть значительно улучшены по сравнению со стандартным подходом.

SAN может поддерживать столько устройств хранения, сколько необходимо, и легко масштабироваться до более чем тысячи дисков. Кроме того, доступ к системе может получить любой сервер, оснащенный специальным интерфейсом SAN. Если говорить об основных сетевых интерфейсах, их два:

• Fibre Channel считается высокоскоростной сетью, отличающейся минимальной задержкой и высокой пропускной способностью. Такой подход позволяет размещать блоки хранения в одном конкретном месте, в то время как сервер может находиться в другом конце города или на территории кампуса. Традиционно этот подход также может применяться в ситуациях, когда серверы и системы хранения расположены в одном месте на расстоянии до 10 метров друг от друга. Этот подход реализуется за счёт использования адаптеров HBA в каждом сервере, устройстве хранения, сетевом коммутаторе или других устройствах сети. Каждый адаптер HBA имеет один или несколько портов для обмена данными, которые могут быть как физическими, так и виртуальными.
• iSCSI — ещё один тип сети, который обеспечивает соединение общего хранилища с вычислительными ресурсами. FC предоставляет доступ к уникальной сетевой архитектуре, тогда как iSCSI объединяет традиционные блоки данных, пакеты команд и сетевую технологию Ethernet. Благодаря этому хранилище iSCSI может использовать те же адаптеры, кабели, коммутаторы и другие сетевые компоненты, что и в сети Ethernet. Каждый сервер, работающий в системе, распознает хранилище iSCSI как ещё один подключённый диск. Данный подход основан на таких понятиях, как «цели» и «инициаторы», где инициаторами могут выступать массивы хранения или операционные системы, а «цель» представляет собой подключенный к сети жесткий диск.

Принципы работы сети SAN

SAN — это важная сеть, необходимая для подключения сервера к хранилищу. Основная цель этого подхода — разместить хранилище отдельно, чтобы упростить его защиту и управление множеством процессов. Это может быть реализовано физически с помощью массивов хранения или с помощью программного обеспечения, такого как vSAN или VMware.

Подключение серверов и систем хранения через специальную сеть позволяет повысить производительность, поскольку отпадает необходимость конкурировать за пропускную способность локальной сети (LAN). Сеть SAN можно разделить на три отдельных уровня: уровень хранения, уровень хостов и уровень фабрики; рассмотрим каждый из этих компонентов по отдельности.

1. Уровень хостов. Этот уровень функционирует на базе серверов, на которых выполняется вся рабочая нагрузка. Обычно серверы используют компоненты локальной сети (LAN)/Ethernet для связи с другими серверами и пользователями. Однако он также включает сетевой адаптер для выделенного доступа к SAN. Такие адаптеры называются HBA и используют прошивку и драйвер устройства. Такая конфигурация необходима для передачи команд хранения в сеть SAN и на её хранилище. Существует множество технологий SAN, из которых организации могут выбирать, и некоторые из них — это FC, iSCSI и InfiniBand. Выбор необходимой технологии полностью зависит от потребностей конкретной компании и затрат.

2. Уровень фабрики охватывает все сетевые устройства и кабельную разводку, соединяющие системы хранения и хосты. К таким сетевым устройствам обычно относятся: шлюзы, коммутаторы, протокольные мосты и маршрутизаторы. Устройства фабрики SAN могут использовать оптоволоконные соединения или медные кабели для локальной сети. При построении фабрики SAN используется несколько соединений для обеспечения наличия различных путей. Таким образом, в случае возникновения каких-либо неполадок всегда останется возможность продолжить обмен данными по доступным путям.

3. Уровень хранилищ. Этот уровень включает множество устройств хранения, объединенных в уровни и пулы. Хранилища могут быть различных типов, включая жесткие диски (HDD), твердотельные накопители (SSD), приводы CD/DVD и даже ленточные накопители. Большинство этих устройств можно организовать в группу RAID или в дисковые разделы, которым присваивается LUN, аналогичный буквам дисков. Это означает, что хост может обращаться к нужным LUN, что позволяет более эффективно управлять всеми ресурсами хранения. Существует два варианта управления доступом — зонирование и маскировка LUN.

Технология SAN также предусматривает использование ряда протоколов, необходимых для организации хранения данных и обеспечения связи. Наиболее популярным является протокол FCP, но также используются протоколы iSCSI, ATA, FCoE, iFCP и некоторые другие. Как правило, эта технология поддерживает несколько протоколов для обеспечения надлежащего взаимодействия всех уровней.

Как настроить сеть хранения данных

Для начала предприятию следует учесть требования к вычислительным ресурсам программного и аппаратного обеспечения.

• Системы хранения данных (список патчей, прошивка и т. д.)
• Адаптеры хост-шины (версия контроллера, версия прошивки и т. д.)
• Коммутаторы

Для настройки сети SAN выполните следующие шаги:

1. Подключите все необходимые аппаратные компоненты и установите необходимое программное обеспечение. Это означает, что вам следует проверить версии, настроить адаптеры хост-шины (HBA) и массив хранения.

2. При необходимости измените некоторые параметры конфигурации.

3. Протестируйте все, что связано с рабочими процессами.

4. Настройте базовые параметры производительности для каждого компонента.

5. Оформите документацию по эксплуатационным процедурам.

Архитектура и функциональность фабрики SAN

Основы фабрики SAN связаны с подключением серверов к системам хранения, высокой производительностью и масштабируемостью сети. Если говорить о самом простом сценарии, FC SAN можно легко подключить к портам HBA напрямую через соответствующие порты на массивах хранения SAN, часто с использованием оптических кабелей.

Структура SAN отличается тем, что позволяет минимизировать количество точек отказа, что может быть чрезвычайно полезно. Основная цель — создать как минимум два соединения между элементами SAN, чтобы в случае возникновения каких-либо проблем оставался доступен хотя бы один рабочий путь.

Рассмотрим более подробно некоторые факторы, влияющие на работу системы. Хост-сервер формирует запрос на доступ к устройству хранения. Традиционные команды SCSI должны быть инкапсулированы в пакеты, структура которых соответствует правилам протокола. Эти пакеты поступают на HBA, где передаются по кабелям. Затем они передаются в сеть SAN, и запрос попадает на коммутаторы. Затем конкретный коммутатор отправляет запрос на устройство хранения. Для выполнения этого процесса процессор хранилища взаимодействует с нужным устройством.

Подробнее о коммутаторах SAN

Коммутаторы SAN считаются ключевым элементом сети SAN. Как и любой другой тип коммутаторов, они работают следующим образом: принимают пакеты данных, определяют их назначение и направляют пакеты по месту назначения. В структуре SAN может использоваться несколько типов коммутаторов, таких как пограничные, модульные и магистральные. В зависимости от размера сети SAN количество коммутаторов может варьироваться. В небольшой сети SAN может быть 16–32 порта, тогда как в более крупной — даже 128 портов.

Для обеспечения более высокой отказоустойчивости системы хранения одной фабрики недостаточно: необходимо включить некоторые внутренние технологии, такие как RAID. В такую систему также будут включены другие технологии, связанные с сжатием данных, клонированием хранилищ, «тонким» выделением ресурсов и т. д. Хорошо спроектированная система позволяет любому хосту подключаться к любому устройству хранения. Однако для повышения безопасности могут использоваться технологии маскировки LUN и зонирования.

Различные подходы к развертыванию SAN

• Виртуальная SAN. Виртуализация идеально подходит для SAN и способствует повышению масштабируемости и гибкости. VSAN (Virtual SAN) — это форма изоляции, схожая с SAN, в которой используется виртуализация для объединения нескольких сегментов в рамках физической сети SAN. VSAN можно использовать для повышения безопасности и управления сетевым трафиком. Этот процесс работает таким образом, что VSAN помогает предотвратить возникновение в одном сегменте проблем, которые могут повлиять на другие части, а сам сегмент можно изменить, не затрагивая никаких физических компонентов. VMware предлагает технологию vSAN и предоставляет доступ к расширенным функциям, таким как перемещение хранилища, многоуровневое хранение, объединение хранилищ и другим. Кроме того, VMware vSAN предоставляет такие функции, как управление жизненным циклом данных и автоматическое перемещение данных между уровнями.
• Унифицированная сеть SAN. Обычно для объектов, файлов и других типов хранилищ требуется отдельная система хранения, такая как NAS. Унифицированное хранилище поддерживает различные типы хранилищ благодаря использованию нескольких протоколов, таких как NFS, SMB и других. Используя унифицированную систему SAN, пользователи получают доступ к мощным функциям, например, к репликации данных, шифрованию данных, многоуровневому хранению и дедупликации данных.
• Конвергентная SAN. Серьёзным недостатком традиционной FC SAN является её стоимость; для преодоления этого недостатка можно использовать сеть Ethernet. FCoE поддерживает конвергированную сеть SAN, которая может функционировать на базе компонентов Ethernet и способствует созданию недорогой сети.
• Гиперконвергентная инфраструктура. С помощью HCI можно объединять ресурсы хранения и вычислительные ресурсы в узлы по мере необходимости и управлять всеми процессами с помощью простой утилиты. Эта технология использует виртуализацию, и её основная цель — упростить развёртывание оборудования с быстрой масштабируемостью. HCI можно использовать вместо SAN или совместно с корпоративной сетью SAN.  

Преимущества использования SAN

• Исключительная масштабируемость. Возможно поддерживать тысячи хостов SAN и устройств хранения, поэтому любая организация может удовлетворить свои требования.
• Высокая производительность. Для задач хранения используется отдельная сеть, и для достижения максимально возможной производительности рекомендуется использовать FC. Кроме того, доступны конвергированные сети и сети iSCSI.
• Наличие дополнительных функций управления. Речь идет о таких возможностях, как дедупликация данных, шифрование данных, механизмы самовосстановления и многое другое. Эти функции централизованы и могут быть легко применены ко всем ресурсам.
• Высокая доступность. Благодаря разнообразию альтернативных путей точки отказа сведены к минимуму или практически исключены.  

Возможные недостатки систем SAN

• Управление. Такие функции, как зонирование и сопоставление LUN, не самые простые для организаций, у которых много других нетехнических задач. Чтобы обеспечить необходимый уровень безопасности, не обойтись без некоторых трудоемких процессов.
• Сложность. Традиционная SAN считается действительно сложной, и организациям следует предусмотреть привлечение профессиональных ИТ-специалистов и более значительные бюджеты для устранения этого недостатка.
• Масштабируемость. SAN чрезвычайно эффективна для огромных сред с большим количеством систем хранения и серверов. Конечно, её можно использовать и в меньших масштабах, но это требует дополнительных инвестиций. Именно поэтому небольшим компаниям лучше рассмотреть возможность использования конвергированной SAN, развертывания HCI и других альтернатив.

Сравнение решений SAN и NAS

NAS, или сетевое хранилище (Network-Attached Storage), представляет собой альтернативный вариант, основанный на файловом протоколе. Эта технология основана на выделенном файловом сервере, расположенном между хранилищем и серверами.

Оба этих подхода необходимы для хранения данных. SAN подходит для блочного хранения, которое связано с более структурированной информацией. В то время как NAS лучше подходит для неструктурированных данных — изображений, видео, документов, электронных писем и прочего.

NAS требует меньших затрат и использует общую сеть. Если говорить о SAN, то она гораздо более масштабируема и обладает значительно лучшими характеристиками производительности.

Ведущие поставщики и решения в области SAN

При планировании SAN важно учитывать сеть, хосты и системы хранения.

Начнём с хостов. Практически любой хост может работать в сети SAN, необходимо лишь выбрать интерфейс для доступа к фабрике. Наиболее подходящим вариантом является заказ серверов с многопортовым FC-адаптером HBA. В противном случае адаптер HBA можно установить на сервер, но для этого должен быть слот PCIe. Карты HBA производят компании QLogic, ATTO, Agilent, Brocade и Broadcom. Эти карты продают многие поставщики.

Следующий момент — сетевая кабельная разводка, коммутаторы и другие важные компоненты. Вот несколько вариантов на выбор:

• Коммутаторы QLogic серии SANbox 5xxx
• Коммутаторы Cisco серии MDS
• ATTO Technology 8308, 8316 и 8324
• Поставщики систем хранения данных:
• NetApp
• Huawei
• Hewlett-Packard Enterprise
• Dell
• Hitachi Data Systems

Ключевые стандарты в технологии SAN

Разработка стандартов связана с деякими отраслевыми группами. В первую очередь следует упомянуть SMI-S. Этот стандарт отвечает за управление устройствами хранения данных. Еще одним стандартом в SAN является Channel Physical Interface.

Передовые практики управления SAN

Для обеспечения надлежащей производительности крайне важно следовать следующим рекомендациям. Начните с надлежащей отчетности и мониторинга. Вот некоторые важные показатели и метрики, которые следует учитывать:

• Ключевые показатели эффективности (KPI), связанные с пропускной способностью записи/чтения для каждого массива;
• Емкость LUN/SAN — проверка нехватки ресурсов и общих тенденций;
• Проверка рабочих характеристик ввода-вывода хост-сервера
• Показатели, относящиеся к структуре SAN.

Отслеживая основные метрики, можно принимать упреждающие меры по устранению большинства возможных проблем.