氣象信息系統中的存儲區域網絡選型與應用*

黃 澎 王證帥 陳榮忠 呂巧誼

(1.廈門市氣象災害防御技術中心，福建 廈門 361006；2.廈門海峽氣象開放重點實驗室，福建 廈門 361006)

1 概述

在氣象信息數據急速增長的今天，高效地存儲和處理數據成為氣象科學發展的新重點[1]。從效率的角度來說，除了購買高性能的存儲硬件設備、優化存儲系統軟件外，還需要在架構上合理設計整個系統的存儲方式。在企業級的存儲解決方案中，傳統的存儲架構早已被存儲區域網絡(Storage Area Network，SAN)所取代。近些年來，存儲區域網絡在氣象信息系統中也已得到了部分應用，但是，在設計氣象網絡架構時，科研和業務技術人員通常聚焦于IP網絡的設計以及網絡安全層面的規劃，忽略了對存儲區域網絡的探討。事實上，選擇一種合適的存儲區域網絡對于氣象信息系統設計來說十分必要。

基于此，本文將首先以光纖通道存儲區域網絡(Fibre Channel Storage Area Network，FC SAN)為重點，闡述當前主流的存儲區域網絡架構與原理，并對氣象信息系統中的存儲區域網絡選型給出建議。最后，通過廈門市氣象局信息系統升級改造項目總結存儲區域網絡在氣象信息系統中的典型應用。本研究旨在為后續的氣象網絡規劃工作提供參考。

2 存儲區域網絡原理簡介

傳統概念中，存儲設備作為主機的一部分而存在，主機通過內部IO總線與其進行數據交互。這種模式下存儲的可擴展性和安全性都存在著較大弊端，無法滿足企業級數據存儲需求。隨后誕生的直連式存儲(Direct-attached Storage，DAS)方案一定程度上緩解了上述弊端帶來的存儲壓力。直連式存儲將存儲設備與服務端剝離開，通過SCSI技術或FC技術將存儲設備直接外掛于主機總線上，提高了存儲設備的可擴展性，滿足了高性能傳輸需求。但是，DAS模式下，主機仍然會占用相當大運算資源去進行存儲維護與管理。同時，DAS往往直接采用SCSI通道作為主機與存儲的連接，而SCSI通道帶寬不高，且可用于建立SCSI連接的SCSI ID有限，因而無法滿足大規模的連接需求。所以目前，DAS方式僅用于小型系統中[2]。

為了解決DAS的不足，SAN應運而生。SAN是目前大中型IDC機房的“標配”。本質上，SAN將存儲設備作為一個獨立的網絡單元，供其他設備共享。在SAN架構下，服務器與存儲設備間通過FC、IP等通道連接，解決了DAS直接以SCSI通道進行連接的不足。SAN將存儲設備進行網絡化管理，有利于存儲整合和資源共享并且具有高可靠性和可擴展性，同時還便于數據備份和統一災備。

主流的SAN架構包括FC SAN、IP SAN、FCOE等，這些SAN架構的區別在于IO數據的外層封裝方式以及傳輸鏈路存在差異，表1為三種存儲區域網絡的比較。

表1 三種主流SAN架構對比

其中，FC SAN應用最廣，采用FC SAN架構時，連接存儲設備的服務器需配置FC HBA卡，并且需要專門購買價格昂貴的光纖交換機。數據傳輸過程中，主機下發的IO操作通過FC HBA卡被封裝成FC數據包，然后通過光纖交換機進行傳輸。值得一提的是，FC只是一種封裝和傳輸協議，實際組網中的傳輸介質并不一定是光纖，只不過目前絕大多數FC SAN是以光纖作為物理鏈路。典型的FC SAN組網拓撲見圖1。

圖1 FC SAN組網拓撲

當前，已經有相當一部分應用場景開始使用IP SAN以及FCOE(Fibre Channel over Ethernet)方式來組建存儲區域網絡。與FC SAN相比，IP SAN以及FCOE的組網成本相對較低。IP SAN下，主機IO的操作被封裝在IP數據包中，而FCOE下，IO被封裝進二層以太網幀中。這兩種方式將存儲區域網絡以及 TCP/IP網絡有機地結合在一起，節約了SAN的建設成本。不過，在目前已有的技術條件下，其傳輸效率不如FC SAN。

談到SAN，不得不提網絡附加存儲 NAS(Network Attached Storage)。NAS是指一個具有獨立操作系統的網絡存儲單元。該存儲單元通過NFS、CIFS等文件共享協議將自身目錄進行網絡共享，而客戶端系統則根據需求將共享目錄掛載進文件系統目錄樹。經常被使用的Windows網絡映射盤就是NAS共享的一種方式，該方式在氣象信息系統中被廣泛使用。NAS的存儲部分可以是NAS服務器自帶的物理硬盤，也可以是SAN中的存儲單元。本文認為，服務器對待網絡映射盤(NAS方式)與SAN提供的磁盤的最根本區別在于IO的最小單位。讀寫網絡映射盤時，主機每次向NAS服務端請求的單位是文件，而讀寫SAN盤時，主機每次向SAN存儲發出的IO最小單位是存儲的底層物理單元(例如簇)。在實際應用場景中，NAS與SAN經常融合組網以滿足多種業務訪問需求。

3 氣象信息系統存儲區域網絡選型建議

目前，氣象探測設備的空間分布密度大規模增加，每天由自動站、雷達、氣象衛星以及各種各樣的探測設備傳回的氣象數據以PB級增加[3]。同時，探測精度的提升、數據二次開發需求的增加也對存儲的空間和性能提出了新的挑戰。因此，必須合理地對氣象數據的存儲進行規劃與布局，才能從容面對氣象大數據時代的到來。本文將從省、市、區三個級別探討存儲區域網絡的選型建議。

省級氣象信息中心是每個省氣象數據的存儲核心與樞紐，在存儲的規劃與設計上需要兼顧性能、穩定性以及安全性。在當前技術條件下，相比于其他存儲區域網絡類型，FC SAN具有速度快、穩定性高等優勢，因此可以優先選擇FC SAN 作為省級氣象信息系統存儲架構。為了實現數據存儲的物理安全性，在節點部署上應當以雙節點雙鏈路進行冗余設計，必要時還應當進行數據的異地容災建設。而考慮到目前氣象信息系統中廣泛使用映射盤作為單位間的數據傳遞方式，因此在FC SAN的基礎上建議配置高性能的專用NAS服務器，以提高映射盤訪問速度。

市級的氣象信息系統主要存儲本地氣象信息數據，以及對省級數據進行備份。若不涉及對外單位提供數據服務，沒有高并發的IO需求，可以不專門建設存儲區域網絡而直接采用直連式存儲，然后采用NAS方式進行數據共享，節約建設成本。若IO需求較大，可以選擇價格相對FC SAN低的IP SAN 或 FCOE方式進行存儲組網。而個別訪問量大，IO性能要求很高的地市建議參照省級方式進行FC SAN建設。在市級存儲區域網絡建設時，還應充分考慮下轄縣級氣象信息系統的存儲需求，可以將部分存儲需求較大的縣級存儲集約至市級，便于存儲的后續統一管理與維護。

縣級氣象信息系統因IO數據量較少，不建議單獨建設SAN。在某些特殊情況下，例如有些縣級需要建設小規模的虛擬化平臺，那么可以用光纖專線接入所在市級系統的SAN(直接以FC通道經光纖接入，非IP方式接入)，無需專門自建一套存儲系統。但是，當以此種方式接入市級存儲區域網絡時，市級系統應當在邊界做好數據安全措施，確保數據安全。此外，縣級氣象信息系統可以根據本地氣象信息數據量大小決定是否購買小型NAS設備以便進行數據共享。

4 存儲區域網絡在氣象信息系統中的典型應用

氣象系統的業務具有一定特性，除了滿足日常業務數據的存取需求，還要兼顧科研、外單位數據共享等方面的因素[4]，因此需要根據具體情況來規劃和部署存儲區域網絡。本文將以廈門市氣象局信息系統升級改造項目為實踐基礎，簡述存儲區域網絡在氣象信息系統中的典型應用。簡要拓撲見圖2。

圖2 廈門市氣象局存儲區域網絡簡圖

系統采用FC SAN組網模式將三個主要模塊接入存儲區域網絡，分別為NAS服務器、虛擬化資源池以及部分機架式服務器。其中，NAS服務器用來滿足快速的映射盤服務，對各氣象業務部門以及外單位提供高速數據共享。虛擬化資源池由多臺高性能服務器組成，劃分為若干集群，承載了全市氣象信息系統中的絕大部分虛擬機的運行。根據科研以及業務需求，部分機架式服務器(如數據庫服務器)也被接入存儲區域網絡，用以實現高性能存儲與計算。

圖2中，存儲資源池由SSD盤與SAS盤分級構成，重要業務與應用劃分SSD盤，而普通業務劃分SAS盤，這種分級方式在節約建設成本的同時實現了性能的定向優化。對于客戶端來說，服務端采用的存儲架構是透明的，客戶端與服務端通過IP網絡進行數據的交互。該應用方案提升了客戶端層面對氣象信息數據的訪問，加快了應用層面的讀取效率，同時方便了數據的備份，提高了數據安全性。

5 結束語

氣象大數據時代，存儲是基礎和重點，存儲性能的優劣直接決定數據存取快慢，而存儲區域網絡的合理設計能更好地發揮出存儲的性能和節約建設成本。氣象信息網絡工作者十分有必要加深對存儲以及存儲區域網絡的理解，從而為做好新時代氣象信息服務提供保障。