存儲(chǔ)發(fā)展技術(shù)綜述

吳海旋 魚 冰 李 江 趙鵬翔

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作河南中心，河南 鄭州 450000）

在社會(huì)發(fā)展之初已有人們使用骨骼、石頭和樹枝來記錄數(shù)據(jù)，但只有記錄者自己可看懂。隨著人們之間交流頻繁，文字語(yǔ)言便成了交流的工具，將自己所知的信息通過文字傳遞給他人，如今網(wǎng)絡(luò)的盛行和普及更使人們的生活發(fā)生了革命性的變化。而存儲(chǔ)的含義也從信息的記錄轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N服務(wù)，可以根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的不同，采取合理、有效以及安全的方式將數(shù)據(jù)保存到若干物理介質(zhì)上，并保證可被有效地訪問，它結(jié)合了物理介質(zhì)和保證數(shù)據(jù)安全完整的存放方式，為用戶提供數(shù)據(jù)存放方案。數(shù)據(jù)的增長(zhǎng)又使存儲(chǔ)系統(tǒng)從計(jì)算系統(tǒng)中分離并形成獨(dú)立的系統(tǒng)。

1 存儲(chǔ)介質(zhì)的變遷

竹簡(jiǎn)是中國(guó)古代使用記錄文字的工具，之后被紙張取代。20世紀(jì)中期出現(xiàn)了電子存儲(chǔ)裝置，它將直觀的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換為機(jī)器存儲(chǔ)，20世紀(jì)70年代中期穿孔卡和穿孔磁帶可用來輸入數(shù)據(jù)，磁帶作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備使用是從1951年開始的，這時(shí)使用磁帶機(jī)來傳輸字符，1932年磁鼓存儲(chǔ)器被創(chuàng)造，通常作為內(nèi)存使用，容量大約10KB。

上述存儲(chǔ)介質(zhì)目前已不常使用，現(xiàn)在經(jīng)常使用的存儲(chǔ)介質(zhì)主要有硬盤、軟盤、光盤、FLASH芯片、卡式存儲(chǔ)磁盤陣列以及大型網(wǎng)絡(luò)化磁盤陣列，存儲(chǔ)容量在逐步擴(kuò)大，應(yīng)用的環(huán)境也更加復(fù)雜。隨著通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展與處理能力的提高，單機(jī)數(shù)據(jù)處理方式被網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理方式替代，下面將重點(diǎn)介紹網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)的相關(guān)內(nèi)容。

2 網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展促使存儲(chǔ)系統(tǒng)向基于網(wǎng)絡(luò)的存儲(chǔ)形式轉(zhuǎn)變，同時(shí)信息量正在以驚人的速度增長(zhǎng)，這也使得直連式存儲(chǔ)不能滿足應(yīng)用對(duì)信息的管理、使用以及存儲(chǔ)的需求。因此，存儲(chǔ)系統(tǒng)從計(jì)算系統(tǒng)中分離，并成為一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)是互聯(lián)網(wǎng)信息時(shí)代的應(yīng)用需求以及存儲(chǔ)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)已成為信息化產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的新浪潮，代表了存儲(chǔ)發(fā)展的新方向。

NAS和SAN是兩個(gè)基本的網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)系統(tǒng)形式，NAS基于IP網(wǎng)絡(luò)，通過標(biāo)準(zhǔn)文件訪問協(xié)議提供存儲(chǔ)服務(wù)，內(nèi)部是定制并優(yōu)化了的專用于服務(wù)器的軟件和硬件，只要具有自己的磁盤和文件系統(tǒng)，對(duì)外提供訪問其文件系統(tǒng)的接口就是一臺(tái)NAS；SAN是基于IP網(wǎng)絡(luò)和FC，它通過塊訪問協(xié)議并以塊設(shè)備的方式提供存儲(chǔ)服務(wù)。SAN實(shí)際上是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的磁盤，NAS是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的文件系統(tǒng)［1］。

2.1 存儲(chǔ)系統(tǒng)的虛擬化

存儲(chǔ)虛擬化技術(shù)的思想是通過添加虛擬化層，把實(shí)際物理存儲(chǔ)實(shí)體與存儲(chǔ)邏輯分離，使應(yīng)用服務(wù)器只與邏輯層面相關(guān)聯(lián)，方便了網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)系統(tǒng)的管理，也降低了成本。虛擬化的網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)系統(tǒng)中，邏輯卷和物理存儲(chǔ)設(shè)備的映射關(guān)系是可以由應(yīng)用服務(wù)器上的虛擬化管理軟件、存儲(chǔ)設(shè)備系統(tǒng)上的控制器或者存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)設(shè)備來完成。典型的系統(tǒng)有IBM的SAN SVC HDS UVM等等，存儲(chǔ)虛擬化技術(shù)正在向管理簡(jiǎn)單化、接口規(guī)范化以及功能更強(qiáng)的方向發(fā)展。

根據(jù)虛擬化功能模塊在網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)系統(tǒng)中的位置不同，存儲(chǔ)虛擬化可分為3種結(jié)構(gòu)：基于主機(jī)的虛擬化、基于存儲(chǔ)設(shè)備的虛擬化以及基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬化。基于主機(jī)的虛擬化依靠主機(jī)上的軟件或硬件提供存儲(chǔ)虛擬化管理功能，使用較多的是邏輯卷管理，它在服務(wù)器上實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)虛擬化，提供一個(gè)虛擬層，將存儲(chǔ)設(shè)備映射到邏輯卷的虛擬層，而服務(wù)器只處理虛擬卷，不用對(duì)存儲(chǔ)設(shè)備的物理參數(shù)進(jìn)行管理。這種虛擬化方式會(huì)占用主機(jī)的資源，會(huì)影響其他應(yīng)用的運(yùn)行。基于存儲(chǔ)設(shè)備的虛擬化將一個(gè)物理設(shè)備虛擬化為多個(gè)邏輯分區(qū)或?qū)⒍鄠€(gè)物理存儲(chǔ)設(shè)備虛擬為一個(gè)邏輯存儲(chǔ)設(shè)備。基于網(wǎng)絡(luò)的存儲(chǔ)虛擬化在網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)，可分為帶內(nèi)虛擬化以及帶外虛擬化。帶內(nèi)虛擬化是指控制信令和實(shí)際數(shù)據(jù)在一條線路上，就是說進(jìn)行虛擬化的動(dòng)作設(shè)備是直接橫在發(fā)起者和目標(biāo)路徑之間的，執(zhí)行中介操作，發(fā)起者看不到目標(biāo)，只能看到結(jié)果虛擬化的目標(biāo)。帶外虛擬化是指控制信令和實(shí)際數(shù)據(jù)不在一條線路上，兩組的線路是并聯(lián)的，發(fā)起者必須先咨詢控制信令線路上的虛擬化設(shè)備，經(jīng)過授權(quán)后才能根據(jù)虛擬化設(shè)備的指示向目標(biāo)請(qǐng)求數(shù)據(jù)［2］。

2.2 集群存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)保護(hù)

集群使用多個(gè)節(jié)點(diǎn)代替一個(gè)節(jié)點(diǎn)完成任務(wù)，提高了處理能力，當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，其他節(jié)點(diǎn)可以立即接替故障點(diǎn)的工作。集群存儲(chǔ)技術(shù)通過將集群技術(shù)應(yīng)用在存儲(chǔ)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)海量數(shù)據(jù)的管理。集群系統(tǒng)可以分為對(duì)稱結(jié)構(gòu)和非對(duì)稱結(jié)構(gòu)。對(duì)稱結(jié)構(gòu)的集群中所有節(jié)點(diǎn)都是磁盤結(jié)構(gòu)并提供數(shù)據(jù)的訪問服務(wù)；非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的集群中使用專用的元數(shù)據(jù)服務(wù)器維護(hù)文件系統(tǒng)和磁盤結(jié)構(gòu)，并且提供元數(shù)據(jù)訪問服務(wù)。

網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)中涉及大量數(shù)據(jù)的計(jì)算、傳輸以及存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)的保護(hù)也就成為一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。

數(shù)據(jù)保護(hù)就是對(duì)當(dāng)前位置上的數(shù)據(jù)備份到其他介質(zhì)上，當(dāng)磁盤損壞或數(shù)據(jù)丟失時(shí)利用備份數(shù)據(jù)把原始數(shù)據(jù)恢復(fù)，最大限度降低損失。數(shù)據(jù)備份可以分為文件級(jí)備份和塊級(jí)備份。文件級(jí)備份通過將數(shù)據(jù)以文件的形式讀出，再將其存儲(chǔ)在另一存儲(chǔ)介質(zhì)上，讀出的文件在原來的介質(zhì)上可以是不連續(xù)的，通過文件系統(tǒng)來管理這些不連續(xù)的塊。備份至另一存儲(chǔ)介質(zhì)的文件在很大程度上是連續(xù)存放的。塊級(jí)備份直接對(duì)扇區(qū)進(jìn)行讀取，將讀取到的扇區(qū)寫入新的磁盤對(duì)應(yīng)的分區(qū)，不管塊上有沒有數(shù)據(jù)，備份之后原來不連續(xù)的文件仍然是不連續(xù)的，有很多碎片［3］。更高級(jí)的數(shù)據(jù)保護(hù)方法還有遠(yuǎn)程文件復(fù)制，遠(yuǎn)程磁盤鏡像以及快照數(shù)據(jù)保護(hù)。

2.3 云存儲(chǔ)

云存儲(chǔ)是在云計(jì)算的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它是一個(gè)以數(shù)據(jù)管理和存儲(chǔ)為核心的云計(jì)算系統(tǒng)，采取的是并行架構(gòu)，具有海量的擴(kuò)展能力，可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡，也便于管理。它能夠?qū)崿F(xiàn)存儲(chǔ)虛擬化和自動(dòng)化，通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、集群應(yīng)用或分布式文件系統(tǒng)等功能，將網(wǎng)絡(luò)中大量分散的各種類型的存儲(chǔ)設(shè)備通過應(yīng)用軟件集合在一起協(xié)同工作，對(duì)外共同提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和業(yè)務(wù)訪問的功能。對(duì)于用戶，云存儲(chǔ)不是具體的設(shè)備，而是一個(gè)由多個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備和服務(wù)器構(gòu)成的集合，通過層次化的服務(wù)架構(gòu)向用戶提供所需的存儲(chǔ)服務(wù)。其結(jié)構(gòu)模型一般由存儲(chǔ)層、基礎(chǔ)管理層、應(yīng)用接口層和訪問層4個(gè)層組成，而網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)技術(shù)在各個(gè)層都有應(yīng)用。云存儲(chǔ)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)要以多種技術(shù)的發(fā)展為前提，其關(guān)鍵技術(shù)主要有寬帶網(wǎng)絡(luò)、WEB技術(shù)、應(yīng)用存儲(chǔ)、集群技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和分布式文件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)、數(shù)據(jù)加密技術(shù)、重復(fù)數(shù)據(jù)刪除技術(shù)、存儲(chǔ)虛擬化技術(shù)、存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)化管理技術(shù)等。可見云存儲(chǔ)的應(yīng)用已滲透至各種計(jì)算相關(guān)的領(lǐng)域，并且它的發(fā)展也依賴于多種技術(shù)的發(fā)展，在其發(fā)展道路上還要解決性能、可靠性、安全性和支持性等多方面的問題，才能為用戶提供多樣化的存儲(chǔ)服務(wù)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文依據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)介紹了各個(gè)時(shí)期存儲(chǔ)設(shè)備的發(fā)展，重點(diǎn)分析和研究了網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)及其關(guān)鍵技術(shù)，使讀者能夠了解網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)，可為網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)技術(shù)的研究和應(yīng)用提供一定的參考。

［1］陳全，鄧倩妮.云計(jì)算及其關(guān)鍵技術(shù).計(jì)算機(jī)應(yīng)用［J］.2009，29（9）:2562-156.

［2］Peter Fingar.Dot Cloud:The 21 st Century Business Platform Built on Cloud Computing［M］.Meghan-Kiffer Press，2009.

［3］ARMBRUSTM，F(xiàn)OXA，GRIFFITHR，etal.Above the Cloud:A Berkeley View of Cloud Computing［R］.Berkeley，CA，USA:University of California，2009.