數字圖書館的存儲之路

張 媛

(長安大學圖書館，陜西 西安 710064)

1 引言

數字圖書館是一種館藏以數字化格式存儲可以利用電腦訪問的圖書館，與傳統圖書館相比，最大的不同之一在于存儲方式。傳統圖書館存儲的是紙質資源，這一模式使它的規模必將受物理空間的束縛。數字圖書館存儲的是電子版化的紙質資源，更便于讀者檢索瀏覽，所以越來越受到讀者的喜愛。

隨著電子圖書、期刊、論文、多媒體等各類資源的不斷豐富及海量增長，數字圖書館的存儲規模也在不斷擴大，如何更有效地管理這些資源，值得深入探討。

2 數字圖書館的建設階段——DAS存儲技術的應用現狀

數字圖書館初期建設工作僅停留在對館藏資源的數字化加工及全文檢索等方面，數據容量并不是很大，一般的服務器容量就可以滿足需求，并不需要使用大容量的存儲設備。隨著讀者對信息資源需求的增長，購買現成的數字資源成為必然趨勢，靠單臺服務器來存儲顯然無法勝任，DAS就這樣率先登上了圖書館的歷史舞臺。

DAS(Direct Attached Storage)即直接外掛存儲，是最先被采用的網絡存儲系統。在圖1中，I/O請求直接從服務器發送到存儲設備，存儲設備通過SCSI電纜或FC光纖直接和服務器相連。這種直連方式，解決了單臺服務器的存儲空間擴展、高性能傳輸需求的問題，并且單臺外置存儲系統的容量已經從不到1TB發展到了2TB，隨著大容量硬盤的推出，單臺外置存儲系統容量還會上升。由于早期的網絡比較簡單，而DAS的初始費用也比較低，所以直連式存儲很快得到了發展。

圖1 DAS系統架構

目前DAS架構在圖書館中的應用不是很多，一般用于數據量不是很大的應用中，從趨勢上看，DAS仍然會作為一種存儲模式，繼續得到應用。

3 數字圖書館的發展階段——NAS和SAN存儲技術的應用現狀

隨著網絡及學科建設的發展，各圖書館的數字應用不斷增多，這種單服務器單存儲的DAS架構已不能滿足多服務器設備共享的需求，而且剩余容量的再分配困難、可擴展性差、連接距離有限及無法集中管理存儲等弊端進一步凸顯，于是相繼出現了NAS和SAN等其他存儲技術。

3.1 NAS存儲技術應用現狀

NAS(Network Attached Storage)即網絡連接存儲，主要用于網絡文件共享。在圖2中，存儲部件通過RAID控制器做好RAID組并根據需求分配大小不同的邏輯卷，簡單地配置IP地址后，局域網中的用戶即可通過TCP/IP協議與存儲部件建立連接并通過文件存取協議如NFS、CIFS等共享存取邏輯卷中的數據。這種連接方式支持各種操作系統，而且在不同的網絡環境中使用時，無需對網絡環境進行任何的修改，因此能滿足特定用戶的需要。

圖2 NAS系統架構

目前NAS架構在圖書館中的應用并不多見，基于其文件存儲的特性，很適合為圖書館的網站服務器和FTP服務器提供存儲。對那些希望降低存儲成本但又希望數據存儲具有高性能和高可靠性，同時有一定系統擴展要求的圖書館來說，是一個很好的選擇。

3.2 SAN存儲技術應用現狀

NAS系統成本較低，易于實現文件共享，但由于它采用文件請求的方式，會占用主機大量的CPU資源，文件操作的延遲相當嚴重，并且不適合那些不采用文件系統進行存儲管理的系統，如某些數據庫，所以SAN技術應運而生。

圖3 SAN系統架構

SAN(Storage Area Network)存儲區域網絡，是一種將連接設備、存儲設備和接口集成在一個高速網絡中的技術。在圖3中，SAN本身是一個獨立網絡，它與外部局域網的應用是分離的，存儲數據流不會占用業務網絡帶寬，所有的數據在高速、高帶寬的網絡中進行傳輸。由于SAN存儲實現的是直接對物理硬件的塊級存儲訪問，極大地提高了存儲的性能和升級能力，因此一面世就受到了極大追捧。

目前常用的SAN解決方案主要分為FCSAN和IPSAN兩大類，關于這兩類架構的應用比較一直爭論不休。FCSAN一直以它的安全、穩定、快捷著稱，而IPSAN在保護現有網絡的基礎上為用戶提供了跨廣域網的數據交互和存儲的能力，且有較好的兼容和擴展性，還有管理與維護方便等特性，因此也廣受關注。就圖書館的應用而言，雖然IPSAN也有一定應用，但大多仍使用FCSAN架構。

4 數字圖書館的整合階段——存儲虛擬化技術的應用

DAS、NAS、SAN不同架構的應用，使數字圖書館的存儲系統形成一個個數據孤島，如何在現有的環境下對現有設備進行整合，成為許多數據中心急于解決的問題，而存儲虛擬化技術的出現使這一問題迎刃而解。

圖4 SV系統架構

SV(Storage Virtualization)存儲虛擬化，是通過虛擬卷映射、流數據定位、數據快照、虛擬機等技術實現異構存儲設備的統一管理以及存儲位置無關性而提出的，目的在于屏蔽存儲管理中的一系列復雜問題而向用戶提供簡單透明統一的存儲訪問模式。在圖4中，存儲虛擬化將底層存儲設備如DAS、NAS、SAN等異構的存儲系統虛擬化成一個大的存儲池，進行統一管理;根據服務器層各服務器需要按需分配存儲空間，屏蔽存儲設備硬件的特殊性，而只保留其統一的邏輯特性，從而實現了異構存儲系統的集中管理。此外，存儲虛擬化技術在簡化系統管理及增強存儲平臺的可靠性方面也表現突出。

4.1 提高硬件資源的使用效率

經費緊缺使圖書館的設備淘汰更新換代比較慢，很容易造成一個數據中心有不同品牌的服務器和不同架構的存儲。不同品牌產品的兼容性問題使設備的使用效率低下。存儲虛擬化不僅可以整合異構平臺，充分利用原有設備，解決數據容量增長擴充、硬件升級時面臨的成本限制問題，而且能實現按需分配存儲資源，合理利用數據存儲空間，極大地提高各種硬件系統資源的使用效率。同時，存儲虛擬化可以提供數據分層存儲，將不同讀寫速度的存儲介質分為不同級別，比如，熱點數據保存在存取速度快的物理設備中，這樣就充分保障了硬件設備效率最大化，使圖書館的現有設備達到物盡其用的效果。

4.2 簡化系統管理的復雜度

不同廠商、不同架構的存儲設備的配置不同，不同品牌的服務器安裝不同操作系統連接存儲設備的配置也不同，設備越多，管理難度越大。存儲虛擬化技術使整個服務器、存儲系統的平臺管理變得集中、簡單;同時，設備集中化和標準化不僅使圖書館技術管理員減少不必要的麻煩，還為實際運行環境帶來更多的價值，各種設備的配置管理、數據安全管理、業務連續性管理、容量管理、運行管理、性能管理等等都可以集中化。從此，數字圖書館的設備管理人員可以從每年的設備維護、管理、擴容、系統升級的煩惱中解脫出來。

4.3 增強存儲平臺的可靠性

在圖書館的實際應用中，可能出現更換存儲基礎設施等情況，存儲設備必須離線，導致業務間斷。存儲虛擬化不僅提供硬件資源的集中管理，還允許故障設備在線更換，保障數據不間斷讀取，實現業務的不間斷運行。另外，傳統的數據集中管理易造成設備I/O負載過重，并存在單點故障的危險，而通過存儲虛擬化可以實現I/O負載均衡，提高存儲效率，降低設備性能的局限性。

目前，部分圖書館已實行了存儲虛擬化，大多仍處于調研觀望階段。隨著服務器、桌面虛擬化在圖書館的應用不斷增多，服務器集群、數據快照、模板備份等對存儲的需求隨虛擬化規模線性增長，每年中外文數據庫的數據更新量更是驚人，光CNKI期刊全文2011年的數據量就有1.6T，各館自建的特色數據庫每年的更新量也不容小覷。數據量每年呈T級別增長，加之DAS、NAS、SAN存儲架構的異構，存儲虛擬化必將成為數字圖書館在存儲有效使用管理方面的一劑良藥，也將是大勢所趨。

5 數字圖書館的共建共享階段——云存儲技術的發展與展望

存儲虛擬化有效地整合了圖書館異構平臺下的存儲資源，極大地提高了管理和使用效率，但各館每年投入在新增數據量存儲的價格成本依然很高，從各圖書館購買的資源來看，具有較高的重復率。有效地共建共享圖書館資源才是節約成本、提高使用效率的根本方法。

5.1 云存儲技術的發展

云存儲的概念與云計算類似，它是指通過集群應用、網格技術或分布式文件系統等手段，將網絡中各種不同類型的存儲設備通過應用軟件集合起來協同工作，共同對外提供數據存儲和業務訪問功能的一個系統。通俗意義上講，云存儲系統中的所有設備對使用者都是完全透明的，任何一個經過授權的使用者都可以通過接入網絡與云存儲連接，對云存儲進行數據訪問。

圖5 云存儲系統模型

在圖5中，云存儲系統整體架構可劃分為4個層次，自底向上依次是存儲層、基礎管理層、應用接口層以及訪問層。存儲層是云存儲系統最為基礎的部分，而存儲虛擬化則是存儲層的核心，因此云存儲具有存儲虛擬化的所有優勢。基礎管理層是云存儲最核心的部分，也是云存儲中最難以實現的部分。它通過集群、分布式文件系統和網格計算等技術，實現云存儲中多個存儲設備之間的協同工作，使多個的存儲設備可以對外提供同一種服務，并提供更大更強更好的數據訪問性能;內容分發系統、數據加密技術保證云存儲中的數據不會被未授權的用戶所訪問，同時，通過各種數據備份和容災技術和措施可以保證云存儲中的數據不會丟失，保證云存儲自身的安全和穩定。應用接口層是云存儲最靈活多變的部分，各數字圖書館可以根據實際業務類型，開發不同的應用服務接口，提供不同的應用服務。訪問層是云存儲最終向用戶提供的服務，任何一個授權用戶都可以通過標準的公用應用接口來登錄云存儲系統，享受云存儲服務。

5.2 云存儲技術展望

云存儲與存儲虛擬化相比更強調的是服務，這與圖書館向讀者提供服務的理念一致，因此云存儲更適合未來數字圖書館的發展需求。目前寬帶網絡的發展更促使基于云存儲的圖書館聯盟的成立成為可能，這更有利于圖書館間共建共享數字資源。

在圖6中，數字圖書館1、數字圖書館2和數字圖書館3是位于同一城市的云圖書館，而數字圖書館4和數字圖書館5則是位于不同城市間的云圖書館。不管是居于城市A的用戶乙還是居于城市B或城市C的用戶甲都可以訪問這五所數字圖書館中的資源，實現不同區域圖書館間的資源共建與共享。

圖6 基于云存儲的圖書館聯盟系統架構

構建基于云存儲的圖書館聯盟不僅使同一區域資費緊缺的圖書館間可以共建共享資源，而且使不同區域的較先進的圖書館帶動落后圖書館共同發展，是不同區域圖書館間的強強聯手，最大的受益者莫過于廣大用戶。

6 結語

數字圖書館的存儲經歷DAS的建設階段，走過NAS、SAN的發展過程，開始邁向存儲虛擬化的整合時期，必將進入云存儲的共建共享時代，讓我們圖書館界的同仁們共同關注。

［1］數字圖書館［EB/OL］.［2012－08 －12］.http://zh.wikipedia.org/wiki/數字圖書館.

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