一種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)的研究

楊烈君，吳玉芹，陳楊

寧德師范學(xué)院計(jì)算機(jī)系，福建寧德352100

一種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)的研究

楊烈君，吳玉芹，陳楊

寧德師范學(xué)院計(jì)算機(jī)系，福建寧德352100

提出了一種新的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)——軟件定義存儲(chǔ)系統(tǒng)（SDS）的改進(jìn)實(shí)施方案.基于一種虛擬化的存儲(chǔ)方式可以自動(dòng)分配存儲(chǔ)、安全、網(wǎng)絡(luò)等資源，并將這些資源池化，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)保護(hù)、復(fù)制、壓縮等一系列存儲(chǔ)功能.與傳統(tǒng)的DAS和SAN系統(tǒng)的存儲(chǔ)模式的存儲(chǔ)性能進(jìn)行了比較，結(jié)果表明該系統(tǒng)對于小容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，存儲(chǔ)速率略高其他存儲(chǔ)方式；對大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)性能與吞吐量優(yōu)化效果明顯，當(dāng)數(shù)據(jù)塊容量達(dá)5 Tbit時(shí)，其存儲(chǔ)速率超過SAN存儲(chǔ)系統(tǒng)約3.9倍.

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；軟件定義存儲(chǔ)；存儲(chǔ)性能

1 引言

云計(jì)算目前受到業(yè)界越來越多的關(guān)注，他是一種新興的計(jì)算模式.在云存儲(chǔ)由概念變成了具有巨大商業(yè)價(jià)值的實(shí)際應(yīng)用后其存儲(chǔ)的安全性問題卻一直沒有得到有效的解決，好的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式不僅可以提高存儲(chǔ)性能，更重要的是它也應(yīng)該能保障數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的安全.如亞馬遜是國外著名的云服務(wù)提供商，把安全性看成云存儲(chǔ)服務(wù)中最重要的一部分，他們根據(jù)安全性制定了一系列安全方案，其中提出的最典型的云存儲(chǔ)應(yīng)用是S3（Simple Storage Service），S3特別強(qiáng)調(diào)存儲(chǔ)的安全機(jī)制，用戶可以根據(jù)自己的意愿選擇誰訪問他的數(shù)據(jù)，用戶可以自由控制這一操作，選擇什么時(shí)候給予訪問，訪問什么類型的數(shù)據(jù)等，這些都在用戶的控制之內(nèi)［1］.中國電信云計(jì)算公司作為國內(nèi)首家具有服務(wù)級別的云計(jì)算公司也提出“寬帶入戶，云服務(wù)到家；終端在手，云服務(wù)隨身”.的口號(hào)，這樣一個(gè)理念可以看出云服務(wù)占主要位置，但他們在提供云服務(wù)時(shí)都面臨數(shù)據(jù)安全問題的困擾.

云存儲(chǔ)受到的安全威脅可能來自訪問控制，也可能來自數(shù)據(jù)傳輸、安全漏洞和數(shù)據(jù)所存在的物理位置等方方面面，所以如何保證各方面的安全性，是云存儲(chǔ)現(xiàn)在首要完成的任務(wù).在一項(xiàng)研究中表明，數(shù)據(jù)安全是所有安全問題的核心，數(shù)據(jù)安全也是用戶最關(guān)注的焦點(diǎn).不難理解，當(dāng)今是數(shù)據(jù)的時(shí)代，擁有數(shù)據(jù)就相當(dāng)于擁有一切，對數(shù)據(jù)的保護(hù)尤為重要，對數(shù)據(jù)的泄漏和惡意修改將給企業(yè)帶來巨大損失.由此可見數(shù)據(jù)安全性也將是云存儲(chǔ)技術(shù)一直而且以后長期要關(guān)注的課題之一，而在大數(shù)據(jù)時(shí)代，傳統(tǒng)存儲(chǔ)模式已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)在的潮流滿足數(shù)據(jù)安全的需求，因此軟件定義存儲(chǔ)（Software Defined Storage，簡稱SDS）應(yīng)用而生，軟件定義存儲(chǔ)（SDS）以其靈活性和高擴(kuò)展性被云存儲(chǔ)服務(wù)提供商所重視并憑借其所具有的巨大優(yōu)勢將逐漸超越傳統(tǒng)的存儲(chǔ)模式［2］.

2 傳統(tǒng)存儲(chǔ)模式的弊端

傳統(tǒng)的存儲(chǔ)架構(gòu)如磁盤、DAS、SAN模式是現(xiàn)在大多數(shù)廠家提供的存儲(chǔ)模式，是基數(shù)最大的存儲(chǔ)模式［3］.可是隨著時(shí)代的發(fā)展，數(shù)據(jù)的幾何式增長，傳統(tǒng)的存儲(chǔ)模式因?yàn)榇鎯?chǔ)容量的不足而飽受詬病.一方面，數(shù)據(jù)是要永久保存的，將一直占有空間；另一方面，數(shù)據(jù)是持續(xù)增加的.這種形勢下，用戶必須增大容量來存放自己所需的數(shù)據(jù)；磁盤和DAS架構(gòu)的固有容量自不必說，SAN的擴(kuò)容必須配有機(jī)頭，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的增長，這種存儲(chǔ)模式性能降低.而且，增大的容量又使成本增加，這種成本的增加將是持續(xù)性的，是一個(gè)無底洞.傳統(tǒng)存儲(chǔ)模式的數(shù)據(jù)冗余也是一大問題，很多沒用的重復(fù)的數(shù)據(jù)占據(jù)了磁盤大量的容量，有用的數(shù)據(jù)寥寥可數(shù)，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)效率低下［4］.

3 軟件定義存儲(chǔ)原理

軟件定義存儲(chǔ)（SDS）是一種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式，所有存儲(chǔ)相關(guān)的控制工作都僅在相對于物理存儲(chǔ)硬件的外部軟件中.如何理解呢？簡單來說，SDS是用來存儲(chǔ)的，是存儲(chǔ)的一種方式.什么是軟件，用戶和硬件之間的接口界面就是軟件.單純從字義上理解，軟件比硬件更具靈活性.SDS就是把控制平面單獨(dú)抽離出來，放在軟件上實(shí)現(xiàn)這些存儲(chǔ)功能的一種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式［5］.

SDS的核心是存儲(chǔ)虛擬化，在一定程度上SDS可以認(rèn)為就是存儲(chǔ)虛擬化.SDS可以自動(dòng)分配存儲(chǔ)、安全、網(wǎng)絡(luò)等資源，將這些資源池化，并且API來提供給消費(fèi)者一個(gè)友好的用戶界面，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)保護(hù)、復(fù)制、壓縮等一系列存儲(chǔ)功能，這些功能都是依靠軟件來控制的，SDS的解決方案，用戶在不增加任何工作量的情況下進(jìn)行縱向擴(kuò)展或橫向擴(kuò)展［6］.2012年8月盛大云因一臺(tái)物理服務(wù)器磁盤發(fā)生損壞導(dǎo)致一些用戶的數(shù)據(jù)丟失，原因是沒有備份.要是當(dāng)時(shí)采用的是SDS這種存儲(chǔ)方式的話，也許就不會(huì)出現(xiàn)這種問題從而避免損失.

軟件定義存儲(chǔ)（SDS）的定義出現(xiàn)至今已將近三年，但目前仍然沒有一致的意見，所有研究機(jī)構(gòu)和各大廠商，他們對軟件定義存儲(chǔ)有著不同的定義或描述.但作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)領(lǐng)域的權(quán)威全球網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)工業(yè)協(xié)會(huì)（SNIA）則認(rèn)為SDS應(yīng)允許異構(gòu)的或者專有的平臺(tái)，并且平臺(tái)能夠提供管理和部署其虛擬存儲(chǔ)空間的自助服務(wù)接口.除此，SDS還包括以下特征：

1）自動(dòng)化的標(biāo)準(zhǔn)即為管理比較簡化，維護(hù)存儲(chǔ)架構(gòu)的成本也降低；

2）標(biāo)準(zhǔn)接口指對于部署、管理、維護(hù)存儲(chǔ)服務(wù)和存儲(chǔ)設(shè)備，并且能夠提供良好的應(yīng)用編程接口；

3）擴(kuò)展性即提供可靠性和性能的無縫擴(kuò)展，其中無需中斷應(yīng)用；

4）虛擬數(shù)據(jù)路徑即可以提供文件、塊和對象的接口，又能夠支持這些接口寫入數(shù)據(jù)；

存儲(chǔ)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)中心也可以為數(shù)據(jù)管理員都能用于部署和控制路徑服務(wù)［3］.軟件定義存儲(chǔ)包括控制路徑和數(shù)據(jù)路徑，影響到所有存放在相應(yīng)虛擬存儲(chǔ)空間的數(shù)據(jù)，而軟件定義存儲(chǔ)SDS則通過以下路徑實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)控制：

步驟1：確定存儲(chǔ)需求，設(shè)計(jì)一種存儲(chǔ)解決方案的第一步是確定您的工作負(fù)載（應(yīng)用程序、服務(wù)器和客戶端），然后確定存儲(chǔ)需求.

步驟2：檢查的設(shè)計(jì)，并根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，完成步驟1和軟件定義存儲(chǔ)設(shè)計(jì)中的任務(wù)，將獲取您的硬件和軟件的建議的設(shè)計(jì).

步驟3：使用存儲(chǔ)空間的硬件供應(yīng)商以最終確定設(shè)計(jì).

步驟4：準(zhǔn)備部署解決方案.

具體方案如下：在交換機(jī)啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行初始化將交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)緩存空間置空，為交換機(jī)設(shè)置緩存閥值，用于檢測交換機(jī)數(shù)據(jù)處理狀況.當(dāng)交換機(jī)收到數(shù)據(jù)分組時(shí)，先將數(shù)據(jù)分組放入到轉(zhuǎn)發(fā)緩存中，然后判斷交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)緩存是否達(dá)到閥值，如果沒有達(dá)到閥值，則直接在緩存中等待處理，匹配流表，執(zhí)行相應(yīng)的Action.當(dāng)緩存中的數(shù)據(jù)達(dá)到閥值時(shí)，則發(fā)送達(dá)到閥值的信息告訴控制器，控制器收到消息后，對經(jīng)過該交換機(jī)的數(shù)據(jù)分組重新進(jìn)行路由選擇，有其它路徑的就按照新路徑進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)；對于沒有其它路徑的數(shù)據(jù)分組，則將數(shù)據(jù)暫時(shí)還存在其下一跳交換機(jī)中，通知源節(jié)點(diǎn)對必須通過該路徑的數(shù)據(jù)分組進(jìn)行延遲發(fā)送，等待節(jié)點(diǎn)擁塞解決然后再重新進(jìn)行發(fā)送.控制器調(diào)取所有連接到它的交換機(jī)的緩存狀況，將還有足夠緩存空間的所有相鄰交換機(jī)的信息封裝到流表中，對交換機(jī)下發(fā)流表，讓出現(xiàn)擁塞的交換機(jī)把緩存中的數(shù)據(jù)分組，平均分配發(fā)送到可以代為緩存的交換機(jī)中.數(shù)據(jù)分組到達(dá)相鄰交換機(jī)后，為數(shù)據(jù)分組重現(xiàn)計(jì)算路由，有可用路徑的則代為轉(zhuǎn)發(fā)，反之，就放入緩存中，等待出現(xiàn)擁塞的交換機(jī)恢復(fù)正常.如果相鄰交換機(jī)中都有足夠的緩存空間，則優(yōu)先將數(shù)據(jù)分組進(jìn)行二次轉(zhuǎn)發(fā)到下一級相鄰交換機(jī)，執(zhí)行上述操作.擁塞解決后，交換機(jī)發(fā)送擁塞已解決的信息到控制器，控制器對全網(wǎng)交換機(jī)發(fā)出通知信息，將暫存在相鄰交換機(jī)中的數(shù)據(jù)分組取回重新進(jìn)行發(fā)送同時(shí)暫停發(fā)送的數(shù)據(jù)分組繼續(xù)發(fā)送過來.如圖1所示.

圖1 實(shí)現(xiàn)的方案Fig.1Implementation of the program

4 軟件定義存儲(chǔ)的優(yōu)勢

軟件定義存儲(chǔ)（SDS）之所以被云存儲(chǔ)服務(wù)提供商所重視并逐漸超越傳統(tǒng)的存儲(chǔ)模式正是由于其相對于傳統(tǒng)存儲(chǔ)方式具有眾多的優(yōu)勢，下面將對軟件定義存儲(chǔ)的主要優(yōu)勢進(jìn)行初步分析.

4.1 數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性

企業(yè)可以從數(shù)據(jù)中獲得新的資料情報(bào)，從而獲得新商機(jī)，所以，能否即時(shí)訪問數(shù)據(jù)成為企業(yè)找到商機(jī)的重要因素.現(xiàn)在的存儲(chǔ)對資源的訪問提出更大的需求.顯然，以硬件為中心的傳統(tǒng)方式無法實(shí)現(xiàn)這一功能，缺乏靈活性.隨著用戶需求的提高，硬件定義存儲(chǔ)呈現(xiàn)出了諸多弊端.要想實(shí)現(xiàn)更多功能，硬件必須更新?lián)Q代，專門制造根據(jù)用戶需要的產(chǎn)品，否則缺乏靈活性.而且生產(chǎn)出來的產(chǎn)品有了一些小問題，就得回爐重造，成本和效率得不到提升是可以預(yù)見的［7］.SDS就沒有這種擔(dān)憂，它可以根據(jù)用戶的需求專門定制一套服務(wù).當(dāng)用戶要求增加某項(xiàng)服務(wù)和功能時(shí)，只需要在架構(gòu)的系統(tǒng)中動(dòng)刀就可以了，實(shí)現(xiàn)了高擴(kuò)展性，這是傳統(tǒng)存儲(chǔ)架構(gòu)所欠缺的［8］.

4.2 低成本

以前的存儲(chǔ)功能相對固化，大多數(shù)存儲(chǔ)功能都集中在硬件上，造成了想要某一種存儲(chǔ)設(shè)備必須從特定的廠商購買，成本自然高［9］.值得注意的是，軟件定義存儲(chǔ)的出現(xiàn)，讓用戶不必從特定廠商購買存儲(chǔ)介質(zhì).也就打斷了這些廠商的壟斷，它可以架構(gòu)在任何類型的服務(wù)器硬件上.也就是說，它創(chuàng)建于該硬盤，但可以使用在其他硬盤上，SDS更像是一個(gè)系統(tǒng).就像手機(jī)App一樣，任何手機(jī)通過下載都能夠得到這款應(yīng)用程序，不是誰創(chuàng)建了它就專屬誰.所以買了SDS等同于買了特定存儲(chǔ)設(shè)備，這是一個(gè)巨大的進(jìn)步［10］.SDS的最大成本就在于它的架構(gòu)及其管理，沒有了特定廠商的壟斷，成本自然降低.

4.3 高靈活性

SDS可以在硬件上運(yùn)行，同樣可以運(yùn)行在云存儲(chǔ)的架構(gòu)中，它可以存在于云存儲(chǔ)服務(wù)中作為云存儲(chǔ)的一部分［11］.雖然SDS是將控制平面單獨(dú)分離出來的，但是它擁有硬件應(yīng)該有的所有存儲(chǔ)功能，這點(diǎn)是最重要的.那么，使用SDS架構(gòu)的云存儲(chǔ)，SDS將為用戶處理大部分網(wǎng)絡(luò)管理工作，因?yàn)镾DS可以自動(dòng)分配這些工作.提高存儲(chǔ)的使用率. SDS的靈活性和擴(kuò)展性將為云存儲(chǔ)如虎添翼［12］.

5 實(shí)驗(yàn)?zāi)M

5.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的搭建方案［13］：

1）硬件平臺(tái)是PC物理機(jī)一臺(tái)；

2）在PC物理機(jī)上安裝VMware Workstation 12.1.0；

3）在VMware中創(chuàng)建Ubuntu 14.04虛擬機(jī)［14］；

4）在Ubuntu中配置安裝IOMeter.

在實(shí)驗(yàn)中主機(jī)上采用Iometer對遠(yuǎn)端的邏輯盤進(jìn)行測評，選用5個(gè)數(shù)據(jù)量不同的樣本，分別為5 Mbit，50 Mbit，500 Mbit，5 Gbit和5 Tbit這5個(gè)容量.分析三種網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)方式在不同數(shù)據(jù)量下存儲(chǔ)效率的表現(xiàn)，如圖2所示.為了更精確比較這三種方式，做出以下規(guī)定：

1）對于每個(gè)數(shù)據(jù)量，三種存儲(chǔ)方式在相同時(shí)間內(nèi)測試存儲(chǔ)速率；

2）每個(gè)數(shù)據(jù)量測試兩組，取平均值（四舍五入）；

3）除了存儲(chǔ)方式與數(shù)據(jù)量的不同，其他無關(guān)變量盡量避免.

圖2 不同存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)在不同數(shù)據(jù)塊下的存儲(chǔ)速率Fig.2Storage rates of different storage structures under different data blocks

5.2 實(shí)驗(yàn)分析

從圖2可以直觀地看出，軟件定義存儲(chǔ)性能優(yōu)于其他存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)：

1）在小容量的數(shù)據(jù)塊中，軟件定義存儲(chǔ)的存儲(chǔ)速率跟SAN存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)是差不多的，DAS存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)次之.

2）隨著數(shù)據(jù)塊容量增大，軟件定義存儲(chǔ)沒有令人失望，雖然三者的處理能力都有了下降，可是軟件定義存儲(chǔ)還是遙遙領(lǐng)先，三者之間的差距越來越明顯.軟件定義存儲(chǔ)的存儲(chǔ)性能明顯優(yōu)于SAN存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)與DAS存儲(chǔ)結(jié)構(gòu).

3）在數(shù)據(jù)量達(dá)到5 Tbit的時(shí)候，三種存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)下降的幅度都很明顯，DAS存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)甚至達(dá)到了不能處理的情況，SAN存儲(chǔ)雖然能夠處理，相對于軟件定義存儲(chǔ)它的存儲(chǔ)速度就有點(diǎn)脫節(jié)了.

分析比較之后可以看出，在信息量少的處理中，三種存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)都可以駕馭.所以DAS存儲(chǔ)更適合處理信息量少的數(shù)據(jù)，比如小型數(shù)字視頻監(jiān)控項(xiàng)目，DAS的缺點(diǎn)這么明顯，它的優(yōu)點(diǎn)也是顯而易見的，結(jié)構(gòu)簡單，成本廉價(jià)是DAS存儲(chǔ)的優(yōu)勢［15］；SAN存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)性能還是比較優(yōu)秀的，擴(kuò)容能力較強(qiáng)，是一種比較優(yōu)秀的存儲(chǔ)方式.可是面對大數(shù)據(jù)時(shí)代，它的優(yōu)勢就不能很好地展現(xiàn)了，它更適用于SQL數(shù)據(jù)庫；軟件定義存儲(chǔ)在系統(tǒng)軟件的修改方面實(shí)現(xiàn)用戶提出的新功能，在處理超大數(shù)據(jù)時(shí)達(dá)到78 Mbit/s的存儲(chǔ)速率，約為傳統(tǒng)SAN存儲(chǔ)技術(shù)的3.9倍，這些優(yōu)勢將極大的推動(dòng)云存儲(chǔ)的進(jìn)一步發(fā)展.對于超大數(shù)據(jù)還是需要軟件定義存儲(chǔ)來勝任，其作為一種新的存儲(chǔ)方式，它表現(xiàn)出強(qiáng)大的性能，可以較好的應(yīng)對大數(shù)據(jù)時(shí)代發(fā)出的挑戰(zhàn).

6 結(jié)語

以上介紹了軟件定義存儲(chǔ)這種新的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式，將它與現(xiàn)有的幾種存儲(chǔ)方式的各種參數(shù)進(jìn)行對比分析，展示其優(yōu)勢.然后通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M將它與其他存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能對比，從嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)中證明軟件定義存儲(chǔ)的存儲(chǔ)性能優(yōu)于傳統(tǒng)的大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu).這種新的存儲(chǔ)方式具有一定的優(yōu)勢，在大數(shù)據(jù)時(shí)代將發(fā)揮它的作用.本文沒有對軟件定義存儲(chǔ)能自定義分配存儲(chǔ)資源這一特點(diǎn)進(jìn)行分析，后續(xù)的研究可對軟件定義存儲(chǔ)如何自定義分配存儲(chǔ)資源進(jìn)行深入研究，進(jìn)而為存儲(chǔ)的安全問題提供有效的解決方案，進(jìn)一步完善存儲(chǔ)技術(shù)，一個(gè)安全可靠的存儲(chǔ)服務(wù)將會(huì)使用戶用得更安心更放心.

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本文編輯：陳小平

Study on a Data Storage System

YANG Liejun，WU Yuqin，CHEN Yang
Computer Department，Ningde Normal University，Ningde 352100，China

This paper proposes a new data storage system named an improved implementation of Software Definition Storage System（SDS），which can automatically allocate storage，security，network and other resources on basis of a virtualized storage mode.The system can also pool these resources to achieve data protection，replication，compression and other storage functions.By comparing storage performance of SDS with traditional Direct-Attached Storage and Storage Area Network（SAN）storage models，the storage rate of SDS is slightly higher than that of other storage systems for small-capacity data storage，and the SDS has obvious advantages in the storage performance and throughput optimization for large-capacity data storage.The storage rate of SDS is 3.9 times as much as that of SAN when the capacity amounts to 5 Tbits.

data storage；software defined storage；storage performance

TM344.1

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2016.06.018

1674-2869（2016）06-0611-05

2016-10-10

福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2015J01660）；福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目（JAT160538）；寧德師范學(xué)院服務(wù)寧德項(xiàng)目（2013F30）

楊烈君，碩士，講師.E-mail：slocky@126.com