網絡存儲技術課程普適型實驗探索

王盛邦

（中山大學實驗教學中心，廣州 510275）

網絡存儲技術課程普適型實驗探索

王盛邦

（中山大學實驗教學中心，廣州 510275）

通過對網絡存儲技術課程實驗教學的實踐探索，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絡存儲技術相關實驗。

網絡存儲技術；RAID；NAS；SAN；云存儲

0 引言

隨著大數據分析、移動和社交平臺實現集成的新型應用程序的興起，迫切需要更多額外的存儲支持。據統計，全球每年數據增長達到50%～100%。網絡存儲所需要的容量極具膨脹，對現有的存儲技術提出了嚴峻挑戰。

存儲系統是整個IT系統的基石，尤其在當下大數據時代，數據的價值不可估量。存儲系統作為數據載體和驅動力量，已經成為大數據基礎架構中最為關鍵的核心，是IT技術賴以存在和發揮效能的基礎平臺。但是存儲技術人才卻十分匱乏，我國情況更甚。面對現代科技的快速發展，我們要未雨綢繆，大力開展網絡存儲教育，因而“網絡存儲技術”系列課程的建設、改革和發展迫在眉睫。

1 課程現狀

目前國內開設網絡存儲方面課程的高校越來越多，相關課程的改革與建設被提出[1-8]。但這些改革似未能深入，其中提出的實驗環節或過于簡單，或依賴于專業存儲設備[1，5，6]，難以推廣普及。另外，所提出的實驗內容未能覆蓋課程內容。我們注意到，在教學實踐中目前授課重點仍主要集中在理論學習上，有關實驗實踐方面的內容則泛泛而談或直接忽略，這對于實踐性強的課程而言是一大短板。其中一個主要原因是與存儲有關的設備投入大，受制于經費往往難以開展課程實驗，嚴重制約了課程建設和發展。

本文無意排斥實驗時使用專業存儲設備，但專業存儲設備除價格不菲外，由于技術的快速發展，產品更新換代快，其實際使用周期并不長。筆者所在實驗室曾于10年前引進EMC公司大型存儲設備（CX500），當時設備價值150萬，屬于企業贈送。課程就此開展了多項關于NAS、SAN的實驗[5]，取得一定的教學效果。但僅隔數年時間，該設備在使用上就存在較大問題，尤其是該系統無法與Windows7及以后版本的操作系統對接。因而巨資購買存儲專業設備，存在一定的“換代”風險。

因地制宜、就地取材，使用現有設備能否開展網絡存儲實驗？文獻[9-15]已經作了一些探索。本文主要討論課程實踐環節的突出問題，提出課程的主線實驗，旨在研究能充分利用現有設備開展網絡存儲技術實驗，在不增加或只有少量投入情況下開發具有普適性的實驗，只有這樣，才能兼顧理論與實踐，平衡兩方面的學習。

2 課程教學中的主要實驗

2.1 磁盤陣列實驗

在存儲技術中，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據備份技術，主要表現高效的I/O性能和系統的可靠性能在兩個方面。

由于RAID的重要性，進行RAID實驗必不可少。如果缺乏設備，可利用Linux的Mdadm完成軟RAID的管理功能。Mdadm是Linux下的一款標準的軟件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”服務器，可以選擇較優配件自行組裝服務器。主要配置如四核CPU（共享三級緩存）、12G寄存式內存、2個多功能雙口千兆以太網卡、獨立RAID卡（或板載智能陣列控制器）、硬盤籠、2U機架式服務器機箱等，此外還要配置多個磁盤（例如機械硬盤若干個、固態磁盤若干個），以便組成RAID時進行陣列磁盤性能測試。

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

例如，表1是一個關于RAID1的組合測試實驗。

表1 RAID1的組合測試實驗

實驗是在“自制陣列服務器”中進行的，服務器中配置了機械硬盤和固態磁盤各5個，兩種磁盤可以靈活組合。表中，HDD表示機械硬盤，SSD表示固態硬盤，*號后面的數字表示參與測試磁盤數量，IOPS表示每秒進行讀寫I/O操作的次數，用于衡量隨機訪問的性能。表中數據由陣列管理軟件MegaRAID Storage Manager和磁盤測試軟件IOmeter生成，根據表1數據可畫出如圖1的分析圖。

圖1 RAID1的組合測試結果分析圖

根據上述實驗結果，引導學生據此對機械磁盤與固態磁盤進行性能分析和比較，從而得出較為客觀、建立在實驗基礎上的結論。學生的分析結果是：在兩個機械磁盤組成RAID1卷，且測試文件大小為8MB的情況下，當測試的并發數由1變為32時，機械磁盤的各項IOPS和MB/s變化不大。而當測試模式由隨機寫變為連續寫時，機械磁盤的各項IOPS和MB/s都增加了70%左右。這表明了并發數的變化對機械磁盤的性能無明顯的影響，但機械磁盤在連續寫中有更好的表現。而當測試模式由在兩個固態磁盤組成RAID1卷，且測試文件大小為8MB的情況下，當測試的并發數由1變為32時，固態磁盤的IOPS和MB/s在隨機寫的情況下增加了約37%；在連續寫的情況下則增加了約34%。當測試模式由隨機讀變為連續讀時，在并發數為1的情況下，固態磁盤的IOPS和MS/s增加了約63%，而在并發數為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，機械磁盤的性能略優于固態磁盤，機械磁盤的IOPS和MB/s基本都是固態磁盤的2～3倍左右，尤其是在連續寫測試中，機械磁盤的表現更佳。

其他 RAID實驗，如 RAID0、RAID5等，可類似進行。

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

2.2 NAS 實驗

NAS（Network Attached Storage，網絡附加存儲)是網絡存儲的一種技術，它包括存儲器件和專用數據存儲服務器。專用服務器上安裝有經過裁剪的Unix類操作系統，作為遠程文件服務器，其文件管理系統是NFS、SMB/CIFS、FTP等，對外提供文件級的訪問。目前市面上的專業NAS設備較多，價格并不便宜。

實驗室里的NAS實驗，并不需要專業NAS設備，只須一臺普通的PC就可以充當NAS服務器。至于NAS服務上的操作系統，可以采用著名的FreeNAS。FreeNAS是一款開源免費專門用于構建NAS服務器的專業操作系統，是一個經過優化的文件存儲和共享操作系統。其對硬件的要求非常低，所占空間不足16MB，大大節省了硬件資源，是組建簡單網絡存儲服務器的最佳選擇。

進行NAS實驗時，將FreeNAS安裝在常規硬件配置的PC上（充當NAS服務器），另一臺與FreeNAS處在同一局域網環境的PC（充當管理機）。管理機訪問NAS服務器，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中的文件服務器(File Server)，實現共享的文件服務；配置文件系統的磁盤限額(File System Quotas)；實現文件系統的檢查點(File System Checkpoint)，以便對文件系統進行備份等等。以此達到（1）掌握NAS存儲系統的相關概念；（2）掌握 FreeNAS 系統的使用；（3）掌握CIFS、NFS、AFP 協議的配置與使用；（4）掌握使用 iSCSI協議通過IP網絡訪問存儲設備的方法等目的。

2.3 SAN 實驗

SAN（Storage Area Network，存儲區域）是一個集中式管理的高速存儲網絡，其允許存儲設備和服務器之間建立直接的高速網絡連接，是一種集中式存儲。SAN經過十多年歷史的發展，已經相當成熟，成為業界的事實標準。目前市面上一般SAN專業設備，價格較為昂貴。

實驗室里的SAN實驗，如果沒有專業SAN設備支持，很難開展。特別是需要多臺服務器、光纖交換機、光纖通道卡、光纖模塊、光纖跳線等配套設備或配件。如圖2是一種SAN典型拓撲。

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

圖2 SAN典型拓撲

雖然在實驗室現有設備中難以開展FC SAN，但實現IP SAN則是可行的。類似NAS實驗，IP SAN實驗服務器端支持系統可采用Openfiler。Openfiler也是基于Linux的開源操作系統，其系統功能主要是存儲管理，可以提供基于文件的網絡連接存儲和基于塊的存儲區域，具有優良的SAN性能。Openfiler使用廣泛流行的Web界面對存儲磁盤進行管理，支持軟件RAID和硬件RAID，具有監測和預警功能，可以做卷的快照和快速恢復。尤其Openfiler對硬件要求不高，只須256MB以上內存、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網絡共享存儲實驗，其主要過程包括了創建iSCSI邏輯分區LUN、在Windows系統中測試iSCSI等操作，最后要求學生利用IOmeter測試工具對Openfiler創建的存儲性能、傳輸帶寬及反應能力、網絡吞吐量、硬件性能等進行測試，對測試結果進行分析。學生的實驗感受是：OpenFiler的存儲性能很不錯，它可以提供與專業存儲器一樣的功能、性能及可用性，而其花費卻遠遠低于專業存儲器。

2.4 云存儲實驗

云存儲是新興的網絡存儲技術，其核心功能是數據的存儲和管理。云存儲相對于傳統的存儲技術有易用性、可靠性和成本低廉等優點。云端用戶可以在任何時間、任何地點，通過任何可聯網的設備連接到云上方便的進行數據的存取。因此，云存儲技術已經代表了現在存儲服務的發展趨勢。

目前市面上有云存儲服務器，一般配置的價格并不高。在實驗室實際上也可利用現有條件自行搭建。例如可采用PC+VirtualBox虛擬化軟件模擬實現，通過部署Hadoop還可在其上進行規模擴展[14]。最常用的虛擬化軟件如虛擬機VMware，它擁有獨立的操作系統和應用程序，其特點是可以在一個宿主機上創建多個虛擬機，從而可以在單機環境下模擬小規模的分布式集群。而VirtualBox是開源的虛擬機軟件，性能優異特性豐富。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備組成的集群上運行應用程序，例如可以使用Hadoop構建平臺服務層次的云計算平臺。PC+VirtualBox搭建過程頗為繁復，如果是簡單應用也可采用FreeNAS構建云存儲，方法可參見[15]。

2.5 軟件定義存儲

傳統的存儲系統在云計算應用模式的快速普及以及大數據時代下數據的爆炸式增長挑戰下，已越來越難以滿足企業IT系統在靈活性、擴展性以及統一管理等方面的需求，類似于“軟件定義網絡”，“軟件定義存儲”（Software Defined Storage，SDS）應運而生。SDS 打破傳統存儲系統軟硬件緊耦合所造成的割裂狀況，將數據中心或者跨數據中心的各種存儲資源抽象化、池化，以服務的形式提供給應用，滿足應用按需（如容量、性能等）自動化使用存儲的需求[16]。

最近幾年，業界已經推出了多款SDS產品。實驗室開展此項實驗，有一定難度。但在2016年，EMC公司推出了業界領先的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版EMC UnityVSA，用于測試和開發使用，且幫助文檔配有視頻指導。如圖3所示，VSA可以部署在vSphere環境，能全面訪問基于HTML 5的用戶界面。尤其UnityVSA對設備的要求并不高，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 結語

本文通過對網絡存儲課程實驗教學的實踐探索，提出具有普適意義的實驗改革，旨在因地制宜、就地取材。不管是存儲的基礎實驗RAID，抑或是比較先進復雜的軟件定義存儲實驗，皆可最大限度地利用現有設備或少量投入新的設備，一般無須購置昂貴的專業設備，而課程的基本實驗均可進行。文中提出的是課程主線實驗，據此可以拓展其他實驗。另外，還可以與業界優秀企業共建課程，讓學生到企業利用專業設備進行存儲技術實訓，這樣可以讓學生更好地掌握理論知識，與此同時與業界前沿技術接軌，進一步培養出滿足社會需求的創新型人才。作為實例，筆者將此教學模式應用到網絡存儲課程課程的教學中，取得了顯著的教學效果。希望能對《網絡存儲技術》課程的普及和快速發展起到一定的促進作用。

[1]梁正平，王志強，申向軍，陳劍勇．“網絡存儲技術”課程教學探討與實踐[J]．計算機教育，2009（3）：96-99．

[2]趙紅，朱潔，王江平．以“網絡存儲”課程為先導的課程體系及綜合實驗室建設[J]．軟件導刊2015（12）：210-212.

[3]黃立勤．“網絡存儲技術”的課程建設與教學實踐[J].江蘇經貿職業技術學院學報，2013（05）：84-86.

[4]XIONG Ying-yang，YIN Dong-sheng，LI Wen-ju．A Cooperation of SYSU and EMC2：An Example of SIOE[J].中山大學學報(自然科學版)，2007，12(增刊 2)：79-82.

[5]王盛邦，尹冬生．數據存儲技術課程創新實驗探索[J].實驗室研究與探索，2011，Vol.30 No.2：55-58.

[6]曲海平，網絡存儲技術課程設置及教學實踐探討[J].課程教育研究，2016（01）：241-242.

[7]R.J.T.Morris,B.J.Truskowski.The Evolution of Storage Systems[J].IBM Systems Journal,2003,42(2)：205-217.

[8]Masaru Kitsuregawa,Kazuo Goda,Takashi Hoshino.Storage Fusion[C].Proceedings of the 2nd International Conference on Ubiquitous Information Management and Communication.New York：ACM Press,2008：270-277.

[9]張光勇.基于FreeNAS搭建網絡存儲系統[J].科技創新與應用，2014（05）：55-56.

[10]周鐵成，陳孝榕.基于Openfiler的統一網絡存儲系統研究[J].微計算機信息，2008（33）：150-151，154.

[11]李福林.利用IP SAN建設校園統一數據存儲平臺[J].情報探索，2009(8)：71-73.

[12]陳廣旭，郭延紅.IP SAN存儲技術的特點及應用[J].電腦知識與技術，2010，6(5)：1217-1218.

[13]周曉麗,蔣兆遠.網絡存儲新方向——NAS與SAN的集成[J].信息技術，2005（7）：37-39.

[14]周國軍，吳慶軍.使用VirtualBox和Hadoop搭建云計算虛擬實驗平臺[J].玉林師范學院學報，2014（02）：113-118.

[15]李彬. 基于 Freenas構建個人云存儲[J].信息化建設，2015（05）：32-34.

[16]孫振正，龔靖，段勇，雷俊智.面向下一代數據中心的軟件定義存儲技術研究[J].電信科學，2014（01）：39-43.

[17]EMC2.EMC 中國[EB/OL].https：//china.emc.com/index.htm,2016-5-2.

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

∶廣東省高等學校教學團隊建設項目（No.67000-18822504）、中山大學校級質量工程（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，研究方向為計算機網絡、信息安全

2017-09-07

2017-10-25