網絡存儲技術在高校中的應用及方案設計＊

李杰，馮剛

（北海職業學院，廣西 北海 536000）

1 高校目前的現狀及需求分析

1.1 高校目前的現狀

1.1.1 多個校區且各校區數據獨立

在高校擴招大背景下，各大高校的校區數量達到3個以上，每個校區的數據存儲在本校區服務器上，服務器硬盤只能采用單一的方式進行部署，最終造成數據共享能力差，加大了數據遷移的難度；大多數高校的大部分數據沒有經過集中處理，嚴重重復的數據導致存儲資源被浪費；數據分散，存在安全隱患，對技術和管理方面造成的影響較大，存儲功能升級困難。

1.1.2 業務模式由傳統模式轉變為自動化模式

隨著學校信息化教育建設的推進，網絡如今已遍布各個學校，為了更好服務教學以及規范學校管理、簡化辦公和實現網絡辦公，必須搭建各類服務系統，同時學校還需要建設大量的教學資源庫服務教學及豐富大學生的校園生活。這些服務產生的大量數據及數據備份均需要大量的存儲空間來支持。數據經過處理后被共享，由于系統不同可能導致數據無法兼容。用戶類型復雜多樣，訪問次數頻繁，應用系統繁多，數據的安全性及容災恢復能力有限，這些都極大地增加了校園網絡存儲規劃的難度。

1.1.3 網絡存儲采用的依然是以服務器為中心的傳統存儲架構

由于資金和存儲設備方面的投入較少和重視程度不夠，目前大多數高校采取的存儲方式主要有以下2種：①通過硬盤，然后通過服務器連接到擴展柜。這種方式實際上不屬于網絡存儲系統，采用這種方式的優點是部署和操作方面都非常簡單，缺點是當數據量較大時，存儲容量和數據讀取速度方面會受到服務器性能的限制，無法對數據進行冗余保護，無法進行功能擴展，數據的集中存儲和管理難以實現，維護成本較高。②采用DAS（Direct Attached Storage，直接附加存儲），存儲設備（RAID 或JBOD）通過電纜（通常是SCSI 接口電纜）直接掛到服務器總線上，采用這種方式對數據進行備份、恢復和容災。這種方式是最常見的一種方式，優點是設備采購及維護成本低，配置和操作簡單。但是隨著高校服務系統以及數據量逐漸增多，DAS 開始面臨各方面的問題，由于DAS 是由一臺主機連接存儲設備，在數據讀取方面效率較低，如果主機發生故障，用戶便無法訪問數據，如果想采用多個主機進行存儲時，存儲空間無法進行動態分配，導致資源被浪費。

1.2 需求分析

高校當前網絡存儲方面的需求主要包括以下3方面。

任務三高階無極繼電器雖然是本次課程的重難點內容，但在解決方案上，采用以學生為主體，教師為輔的原則進行。教師講解測試內容和注意事項，學生根據已給資源設計電路，小組分工合作，完成無極繼電器特性測試，并將測試結果上傳至學習平臺。教師播放優秀老師講解測試要點視頻，學生根據測試要點完成組間互評。

1.2.1 存儲容量需求

存儲容量是存儲系統最關注的問題，例如在高校教務管理系統中，系統內部資源包括學生的信息（包括在校及畢業的學生至少3 萬余人的信息）以及1 000余名教師的信息。這些信息的存儲量可達1.5 TB，而這只是冰山一角，在高校數據中占比最大的是監控數據。學校通常會在校園內各個角落及室內安裝監控攝像機，攝像機的數量通常會達到200 臺或以上。如果校園內需要安裝200 臺攝像機，1 臺設備1 d所產生的數據量大約為25 G，如果需要錄入1 080 P 格式的錄像信息，則產生的數據量大約為50 G，這些數據通常需要保存30 d，全校攝像機所需容量大約為150～300 T，所以必須提高存儲容量。

1.2.2 應用需求

隨著校園信息化建設不斷深入和發展，為了更好服務教學和管理學校，各種服務平臺融入校園，例如服務教學的網絡教學平臺、服務學生的學生管理平臺和服務教師的人力資源管理平臺等，這些對校園服務器的承載能力都是一個極大的考驗。

1.2.3 安全需求

安全需求主要包括數據訪問安全與數據防護安全2個方面。數據訪問安全指采用數據加密算法對數據進行加密，確保數據在傳輸過程中無法被竊取、篡改，同時進行用戶身份識別等。主要通過磁盤列陣、異地容災和數據備份等手段對數據進行安全保護，確保業務系統在遭受意外原因的情況下能保證原有的業務系統正常運轉，在異地部署了一套與現有業務系統相同的生產環境，保證業務正常運轉，防止因意外刪除等原因造成數據丟失。

2 常用存儲技術

目前高端服務器所使用的專業存儲技術主要有DAS、NAS 和SAN 這3 種。

DAS，也叫直接附加存儲，是將主機與存儲設備通過SCSI 接口直接連接在一起，是目前高校常用的一種存儲方式，這種方式成本低、配置簡單、使用方便、在高校成立初期對高校還是比較有吸引力的，但這種方式無法滿足高校目前的存儲需求。

NAS，也叫網絡附屬存儲，是一種將數據通過集中整合處理后，不同主機和應用服務器通過網絡對其進行訪問的技術。這種方式實際上是將存儲器件（例如磁盤陣列、CD/DVD 驅動器、磁帶驅動器或可移動的存儲介質）和內嵌系統軟件結合，實現共享跨平臺文件的功能。相當于一臺具有多種功能并且攜帶大量存儲空間的系統服務器。這種方式的優點如下：成本方面，由于NAS 對設備和硬件要求較低，管理軟件成本較低，總體成本比DAS 稍微高一些；使用方面，NAS設備的安裝和使用簡單方便，用戶可以通過不同的服務器訪問NAS 中的數據，大大減少服務器的系統開銷。

使用NAS方式進行網絡存儲也需要考慮以下幾個問題：由于NAS 傳輸數據是通過IP 網絡進行的，如果IP 網絡中存在大量的數據而出現網絡擁塞或遇上網絡高峰期，會嚴重影響系統性能；通過網絡傳輸數據存在數據被竊取、數據被篡改等安全風險；由于存儲只能以文件方式訪問，而不能像普通文件系統一樣直接訪問物理數據塊，大型數據庫就不能使用NAS。

SAN 是一種專門為存儲建立的獨立于TCP/IP 網絡之外的專用網絡，因此存取速度很快，并且SAN 一般采用高端的RAID 陣列，使得SAN 的性能在前面幾種存儲方案中更受歡迎。

SAN 實際上是一個專用網絡，所以它的擴展性很強，無論在SAN 系統中增加存儲空間還是增加服務器都非常容易。通過SAN 接口的磁帶機，SAN 系統可以方便高效地集中備份數據[2]。但是，它也存在如下一些缺點：由于采用的是光纖通信交換機和高端的RAID陣列，價格昂貴，部分商業企業無法承擔高昂費用；數據傳輸采用的是單獨建立的光纖網絡，在異地擴展難以實現。

SAN 有FCSAN 與IPSAN 這2 種結構。早期的SAN默認指的是FCSAN，是采用光纖通道技術構建存儲局域網。這種結構優點是輸帶寬高，最高可達到8 Gb/s，性能穩定可靠，技術成熟。但是由于這種方式需要在光纖網絡上進行部署，目前高校網絡均采用的是IP 網絡，所有要重新采購光纖交換機和大量的光纖來搭建網絡，成本非常高；FCSAN 在維護及配置方面較為復雜，需要培訓專業的FC 網絡管理員。

IPSAN 是在SAN 后產生的，是通過IP 網絡構建存儲網絡。由于SAN 采用的是SCSI 小型計算機系統接口協議標準，不是IP 數據包，無法在TCP/IP 網絡上進行傳輸，于是誕生了iSCSI 互聯網小型計算機系統接口，用于實現在IP 網絡上運行SCSI 協議，這樣便能在各種高速以太網上進行數據的存取或備份等操作。IPSAN 的優點是可以在普通的網線和交換機所構成的以太網上運行，所以可以利用現有網絡資源進行部署，成本有所降低，由于IP 網絡技術比較成熟，所有IPSAN 在部署和管理方面難度低；目前以太網的速度最高可達萬兆，這使得IPSAN 的傳輸帶寬毫不遜色于FCSAN；基于IP 網絡的天生優勢，使得IPSAN 很容易實現異地存儲、遠程容災等穿越WAN 才能實現的功能。

3 網絡存儲方案設計與實現

3.1 方案1

數字化校園建設涉及整個學校幾乎所有部門如后勤、圖書館、財務、教務、網絡中心等，雖然數據量不是很大，但是數據卻非常重要，一旦出現問題，需要在很短時間內進行恢復，否則會給學校造成非常大的負面影響[3]。學校教務、OA.Web 等應用系統建設在不同的服務器上，數據分散、管理困難，原有服務器存儲容量難以滿足教學資源庫、視頻點播的應用需求。

學校中心機房可放置1 臺聯想PX12-450R（48 TB）NAS 設備實現對數據的集中存儲，用戶無需通過服務器就可直接訪問NAS 設備。聯想PX12-450R 屬于企業級網絡存儲設備。用戶可以直接通過NAS 設備訪問數據而不用通過服務器，整個過程不占用服務器的系統資源。即使主服務器系統發生故障或系統崩潰時，用戶仍然能夠通過NAS 設備正常訪問數據。PX12-450R最大支持12 顆3.5 英寸（約為8.89 cm）SATA 硬盤，支持4 TB SATA 硬盤，系統最大容量為48 TB。采用RJ-45 標準網絡接口，在不關閉服務器或停止整個網絡的情況下，直接將NAS 設備鏈接到主干網絡的交換機或局域網中，通過Web 瀏覽器遠程進行設備的設置、升級及管理。設備配備了3 種不同速率的網口，分別是十兆、百兆和千兆，滿足各種存儲速率的需求。PX12-450R 支持Windows、UNIX、Mac、Linux 和NetWare 等不同操作系統，并兼容多種網絡訪問協議，如NFS（Linux/UNIX）、AFP/Bonjour（Apple）、FTP、

SFTP、TFTP、HTTP、HTTPS、WebDAV、Windows DFS、SNMP。設備有防病毒功能，支持數據加密，確保數據安全，可支持48個以上攝像機工作。如果網絡環境較好，且有較充足的資金，建議使用千兆網。

3.2 方案2

高校中占比最多的數據主要為監控視頻數據，以200 路監控錄像為例，200 路監控屬于大型監控，光靠NVR（網絡視頻錄像機）和硬盤是不行的，采用FCSAN成本較高，因此采用IPSAN 網絡存儲方式，將服務器與存儲設備通過交換機進行連接，性能不算最好，但不受距離的限制，相比FCSAN 成本要低。

采用10 臺32 路NVR，每臺NVR 只使用24 路，這樣可以預留8 路，后續如果需要擴展可直接添加進去，同時還可以降低NVR 監控點，防止碼流大占用帶寬。

數據存儲方面，200 路監控錄像1個月內所產生的數據量大約為150～300 T，通常視頻采用h.265 編碼格式進行存儲，存儲的實際數據量只有50%，即75～150 T。以150 T 為例，采用80 塊4 T 的硬盤進行存儲，每8 塊硬盤組成1個RAID5，共有10 組，分別分配給每臺NVR。采用千兆以太網作為存儲網絡來傳輸所有視頻流，采用1 臺聯想SureSAS112i（雙控iSCSI）磁盤陣列，總共安裝80 塊SATA 硬盤，用來處理來自NVR 的所有讀寫請求。

交換機方面，每個攝像機碼率最低為5 M，只需要選擇2 臺千兆交換機，這里可以采用華為S5700 交換機，每臺交換機負責100 路監控的數據處理。

可將該方案應用于大型公共監控系統中，如機場、港口或大型設施及博物館、醫院、商場中。它具有以下優點：具有高可擴展性、高性價比、高性能，可整合及統一管理存儲空間，可集中管理設備。但存儲方案是基于IPSAN 設計的，由于以太網本身傳播機制的問題，在數據傳輸過程中會進行沖突檢測，當訪問的設備或存儲設備過多時，整個存儲系統的效率將大大降低。海量存儲時，無法將所有的數據載入到系統緩存中，搜尋數據需要大量的磁盤I/O。大部分IPSAN存儲采用的是SATA 磁盤，該磁盤在這方面的性能較弱[4]。

4 結論

本文采用NAS 和IPSAN 這2 種不同的方式構建存儲系統，不僅滿足校園內不同的業務需求，同時解決由于數據量大、類型多所導致的數據存儲以及數據讀取效率慢的問題。NAS 技術的特點是即插即用，在管理方面降低了難度，并且對硬件要求不高，降低了成本。IPSAN 技術的主要特點是速度快，同時可以在現有的系統上進行部署，部署簡單、管理難度低、易擴展。隨著存儲技術的不斷提高，服務器集群技術、數據鏡像技術等都可以在該系統中實現，將會進一步提高網絡存儲系統的整體性能[5]。在具體應用存儲技術的過程中，要將多種存儲技術進行有效結合，因此學校要結合自身發展情況探尋適合自身發展的存儲方案[6]。