淺析網絡交換存儲

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摘要本文主要分析了以光纖通道存儲區域網絡FCSAN（FibreChannelStorageAreaNetwork）和基于IP的存儲區域網絡IPSAN（InternetProtocolStorageAreaNetwork）為代表的網絡存儲技術現狀和特點，探討了新興的軟交換技術的特點和優勢，并就下一代網絡環境下的存儲網絡進行相關分析。

關鍵字存儲區域網絡，下一代網絡，軟交換

1前言

目前基于以太網和廣域傳輸服務的IP網絡主導著企業IT策略。IP是一種被廣泛使用、價格可以負擔、可以擴展到數量龐大的設備及遠距離的技術。盡管大部分企業數據可以通過一般IP網絡傳輸，但是塊級的數據存儲是例外。高性能的存儲數據訪問一般是通過直接連接存儲DAS（DirectAttachedStorage），或通過專用光纖通道存儲區域網絡SAN（StorageAreaNetwork）進行。網絡應用的興起，同時也帶來更多的數據存儲和傳輸的要求，存儲和網絡逐步緊密的結合，給人們帶來了真正的網絡存儲。而作為網絡存儲的一種實現方式——存儲區域網絡，也逐漸被人們認識并應用于各個領域。

DAS是指將存儲設備通過SCSI接口或光纖通道直接連接到服務器上，即每一臺服務器都帶有自己的磁盤、磁帶機或是磁帶庫。這種方式的弊端在于：異構平臺下存儲資源無法均衡共享，存儲設備利用率低、投資形成不可避免的浪費，且每臺服務器是一個孤立的存儲者，服務器出現異常會使數據不可獲得，不能提供真正意義上的網絡化存儲。

SAN是通過光纖通道協議將若干臺存儲服務器、存儲陣列組成一個單獨的數據網絡，提供企業級的塊級數據存儲服務。SAN是將一個或多個網絡存儲設備（如：磁盤陣列RAID）和服務器連接起來的專用高速網絡，它提供了一個能存儲大量數據且具有高可靠性和高升級能力的數據存儲系統，它為那些需要健壯且易于升級的存儲系統的網絡提供了一種理想的解決方案。SAN存儲方式將成為未來信息存儲發展的主流。

融合是下一代網絡的重要特征。傳統電信的業務部是由運營商和少數的電信設備制造商開發部署的，盡管智能網實現了業務和呼叫控制的分離，但是由于復雜的電信網絡接口技術的限制，壟斷式的業務提供橫式仍未能得到改變。基于軟交換的固網NGN技術．提出了分解網關功能的思路，即將VOIP網關分解為媒體網關(MGW)、信令網關(SGW)、媒體網關控制器(MGC)等幾部分。人們期待新的網絡直能提供融合各類網絡能力的綜合業務，特別提供用戶所需的多種多樣的個性化多媒體業務。

顯然，為了同時滿足企業信息及存儲數據傳輸的需要，如何在下一代網絡框架下合理實現網絡存儲并提供高效的存儲業務，其解決方案的好壞直接影響著企業的生存和發展。

2存儲網絡的主流技術

2.1FCSAN

2.1.1.光纖通道FC

光纖通道存儲區域網絡FCSAN，是近幾年發展起來的存儲區域網的第一種存在形式。當前絕大多數SAN系統的實施都是建立在光纖通道(FibreChannel)技術基礎上，這種技術為存儲領域的應用提供了高性能的塊數據訪問方案。

光纖通道技術是美國國家標準學會ANSI委托的幾個委員會根據OSI標準共同開發的一

組集成標準的通用名稱，是為網絡和通道I／0接口定義和建立的一個開放標準。它結合了通道和網絡的優點，是把設備連接到網絡結構上的一種高速通道，主要用來連接工作站、大型機、巨型機和存儲設備。此協議可實現大容量、高速度信息傳輸。它獨立于介質，支持同時傳輸多種不同協議，適用于服務器、海量存儲子網絡、外設之間通過集線器、交換機和點對點連接進行雙向、串行數據通訊：正如在以太網中IP、NetBIOS和SNA等協議均可在單一以太網適配器上同時使用，是因為所有這些協議在以太網中都被得到映射一樣，各種網絡層的通訊協議也可以通過協議映射在光纖通道上得以實現。

FC是一種基于標準的體系結構，它提供了吉比特的速度、長距離的傳輸，并且支持網絡擴展到數百萬臺設備。光纖通道通過創建一個交換機網絡基礎設施，克服了一些存在于SCSI中的擴展問題，如：光纖通道延伸了SCSI的距離（25米極限），可達到10公里，并且克服了SCSI對設備數量的限制。

FC是一種基于標準的網絡結構，它定義了一個通過網絡移動數據的多層結構。光纖通道的分層模型與網絡模型OSI（OpenSystemsInterconnect)類似，分為5層：FC一0、FC一1、FC—2、FC一3和FC—4。

FC一0定義了物理接口。它主要是針對物理介質的，規定了收發的信號和傳輸的介質，它可以是光纖也可以是銅纜；

FC-1為吉比特傳輸提供了底層的鏈路控制和數據編碼；

FC一2則規定了具體的傳輸機制，包括幀格式、節點間的信息交換、拓撲結構、和提供的類服務；

FC一3規定了同一節點上多端口的傳輸類型，提供高級特性的公共服務；

FC-4則是從應用出發，把各種主要通道、外設接口和網絡的上層協議如高性能并行接口HIPPI、IPI(IntelligentPeripheral’SInterface)、SCSl(SmallComputerSystemInterface)命令集、IP(IntemetProtoc01)、IEEE802.2和ATM(AsynchronousTransferMode)等映射到光纖通道上。

與OSI模型相比較：FC一0和FC一1可看成OSI模型中的物理層；FC一2和數據鏈路層的MAC(MediaAccessContr01)層有很多類似之處；FC一3還不能算是完整的一層；FC一4可看作是相當于OSI模型的傳輸層。

2.1.2.FCSAN實現方案

實現FCSAN的硬件基礎設施是光纖通道，用光纖通道構筑的FCSAN，由三部分構成：存儲和備份設備，包括磁帶庫、磁盤陣列和光盤庫等；光纖通道網絡連接部件，包括主機總線適配卡(HBA：HostBusAdapter)和驅動程序、光纜(線)、集線器、交換機、光纖通道與SCSI間的橋接器(Bridge)等；應用和管理軟件，包括備份軟件、存儲資源管理軟件、設備管理軟件。在FCSAN解決方案中，除存儲設備外，其關鍵部件就是網絡連接部件——光纖交換機。

圖1是典型的FCSAN組成結構。可以看出，服務器通過光纖通道，和存儲設備連接，數據通過光纖通道存儲到存儲設備上，而存儲管理都集中在一個相對獨立的局域網內。SAN的最大特點就是基于光纖通道技術(FibreChannel)的電纜,交換機和集線器,將很多的存儲設備連接起來,再與有很多不同的服務器組成的網絡相連接,以多點對多點的方式進行管理專用的高速數據存儲網。它將多個獨立的存儲系統與多個服務器互聯。其最重要的優點是允許多個用戶同時接入數據存儲網上的不同存儲設備，任何服務器可以接人數據存儲網上的任意存儲設備，從而大大提高了存儲系統的可接入性和可用性。實質上，它是一個與用戶／服務器分離的，包括有多個獨立的存儲子系統的專用高速數據存儲網。正是由于在結構上，SAN是一個相對于通信網絡完全獨立的網絡，因此各種數據業務的處理，數據業務的備份和恢復等都是在自己的網絡上進行的，這極大地降低了通信網絡的負擔。SAN還可以讓存儲設備與存儲設備直接相連,并基于新的集群技術,和直接與網絡連接的存儲設備技術,使多臺服務器與多臺磁帶庫磁盤陣列相集成成為可能。根據圖1的結構可以組成上百個節點的大型FCFabric（在同構型交換網絡拓撲中的一個或者多個交換機），其中配置了互聯的交換機主要用于提供高帶寬和可用性。服務器和存儲設備匯聚在Fabric邊緣，FC交換機集中在Fabric的中心處，互連構成了Fabric的骨干部分。服務器通常連在以太網上，作為客戶端和存儲區域網絡通信的，完成相應的任務和處理。FC交換機是存儲區域網絡的核心設備，管理路由通信，進行數據交換，同時也是存儲區域網絡中最智能的設備。FCSAN擁有高速，安全等特性，主要是由于SAN以FC技術為核心，并將存儲應用和FC技術的不同層次進行了合理的對應，從而使實際問題得到最優化解決。

2.2IPSAN

FCSAN雖然性能優越，可擴展性好，但也存在某些不足之處。FCSAN的傳輸距離通常不超過50公里。因此，FCSAN還不能有效地整合更多的主機與存儲的需求。雖然光纖通道（FibreChannel）技術有統一的標準，但各家廠商卻有不同的解釋。時至今日，互操作性仍是FCSAN實施過程中存在的主要問題，在管理上更是如此。隨著IT技術逐漸發展，所有IT產品的價格也在下降，但是基于FCSAN的存儲設備價格仍居高不下。一個企業如果考慮使用FCSAN，就不得不購買HBA、光纖交換機、光纖磁盤陣列、管理軟件……這并不是普通中小企業能夠承受得起的。且受限于現有的光纖傳輸方式，其價格昂貴。

因此，基于普通lP協議和以太網的SAN應運而生，這就是IP存儲，它將SCSI協議映射到TCP／IP協議上，使得SCSI的命令、數據和狀態可以在傳統的IP網上傳輸。IP存儲系統在整個IP網上創建了一個共享存儲環境，很好地實現了數據共享和遠程訪問；由于采用的是SCSI、以太網、TCP／IP等現有技術和設施，造價低，便于構建和維護。IP存儲互操作性好，且能跨越FCSAN的距離限制，把共享存儲系統擴展到LAN、WAN甚至Internet上．

目前，IP存儲技術發展有2個技術方向：存儲隧道(Storagetuneling)和本地IP存儲(NativeIP—basedstorage)。存儲隧道的基本思想是將IP協議作為連接異地2個光纖SAN的隧道，用來解決SAN環境的互聯問題。本地IP存儲的基本思想是利用現有的存儲協議，將SCSI和FibreChannel直接集成在IP協議中，實現存儲和網絡的無縫融合。目前IETF已開發出3種IP存儲協議：基于TCP／IP的光纖通道(FCIP)、互聯網FibreChannel協議(iFCP)和互聯網小型計算機系統接口(iSCSI)。其中FCIP和iFCP協議是實現存儲隧道技術的兩種方式，FCIP協議是在兩個SAN之間通過以太網建立隧道，構成一個統一的SAN環境，與之相對應的iFCP是在FibreChannel與IP之間建立網關到網關的連接，使FibreChannel幀使用IP路由到正確的目的。由FCIP和iFCP支持的存儲隧道技術提供的是SAN與SAN之間點到點的連接，從功能上講是一種類似于光纖的專用連接技術。

存儲隧道技術較好地解決了SAN之間的異地連接，但其實現成本較高，缺乏通用性，較大的延遲對系統的性能也會造成一定的影響。與存儲隧道技術相比，本地IP存儲技術具有顯著的優勢。它利用現有的存儲協議，以IP協議替代FibreChannel協議，構建結構上與LAN隔離，技術上與LAN一致的新型SAN存儲——IPSAN，將存儲網絡與傳統的LAN物理上整合成一個網絡。本地IP存儲技術進一步地模糊了本地存儲和遠程存儲的界限，在IPSAN環境中，只要主機和存儲系統能提供標準接口，就可以實現在任何位置的主機訪問任何位置的數據，提高了存儲系統使用的靈活性。實現IPSAN最合適的協議是iSCSI協議。

iSCSI是由IETF開發的一種基于存儲網絡的Internet協議，它繼承了SCSI協議的穩定性和可靠性，能夠在TCP／IP網絡上傳送標準的SCSI命令，使主機系統和不同的外部設備塊數據進行I／O操作，并且可以實現遠程存儲管理。可以說，iSCSI是集成了SCSI協議和TCP／IP協議的新的協議。iSCSl只是將數據的存儲變得更加靈活，因為它是在SCSI基礎上擴展了網絡功能，也就是可以讓SCSI命令通過網絡傳送到遠程的SCSI設備上，而SCSI協議只能訪問本地的SCSI設備。從存儲系統管理層次上iSCSISAN可分為三大組成部分：iSCSI磁盤陣列等iSCSI存儲設備、IP網(包括IP交換機或IP路由器)、Iscsi服務器及存儲管理軟件。每個iSCSI服務器和iSCSI存儲沒備都支持以太網接口和iSCSI協議，從而可以作為一個網絡實體直接連接IP交換機或IP路由器。如圖2所示，我們可以看出用FibreChannel搭建的FCSAN與利用iSCSI搭建的IPSAN的區別。在IPSAN中，千兆以太網交換機代替了價格昂貴且只有FCSAN專用的光纖交換機,客戶端的啟動器Initiator或iSCSI卡代替了價格較高的主機HBA卡，具有iSCSI接口的高性價比的存儲設備代替了光纖磁盤陣列。

IPSAN與FCSAN就像一對雙胞胎，兩者擁有基本相同的特性。從目前情況看，FCSAN是高性能的保證，而IPSAN在經濟性方面優勢更明顯。

3.基于軟交換的下一代存儲網絡分析

3.1軟交換技術概述

軟交換又稱為呼叫、呼叫服務器或媒體網關控制器。軟交換技術的基本概念是把呼叫控制功能從傳輸層(媒體網關)中分離出來。通過服務器上的軟件實現基本呼叫控制功能，如呼叫選路、信令互通、管理控制(建立會話、拆除會話)等。由于把呼叫控制和呼叫傳輸分離開來，為控制、交換和軟件可編程功能建立了分離的平面，使業務提供者可以方便地將傳輸業務與控制協議結合起來，實現基本業務和補充業務的轉移。軟交換技術將使語音網與數據網完美融合，集語音、數據、視頻等所有形式的信息為一體，形成綜合性網絡，促進各項增值業務的快速發展，成為下一代網絡的技術核心。

從廣義上說，軟交換指一種分層的體系結構，利用該體系結構可以建立下一代網絡框架，其功能涵蓋下一代網絡NGN的接入層、傳輸層、控制層和業務層，這要由軟交換設備、信令網關SG、媒體網關MG、應用服務器AS和綜合接入設備IAD等組成。但從狹義上講，軟交換單指軟交換設備，它是下一代網絡的核心設備之一，處于NGN分層結構的控制層，負責提供業務呼叫控制和連接控制功能。

軟交換作為一個開放的實體，與外部的接口必須采用開放的協議：

媒體網關與軟交換間的接口一一用于軟交換對媒體網關的承載控制、資源控制及管理。此接口可使用媒體網關控制協議或H.248協議。

信令網關與軟交換間的接口一一用于傳遞軟交換和信令網關間的信令信息，此接口可使用信令控制傳輸協議或其它類似協議。

軟交換間的接口一一實現不同軟交換間的交互。此接口可以使用SIP—T或BICC協議。

軟交換與應用／業務層之間的接口一一提供訪問各種數據庫、三方應用平臺、各種功能服務器等的接口，實現對各種增值業務，管理業務和三方應用的支持。

軟交換與策略服務器間的接口一一實現對網絡設備的工作進行動態干預。

軟交換與網關中心間的接口一一實現網絡管理，此接口可使用SNMP協議。

軟交換與智能網的服務控制點SCP(servicecontrolpoint)之間的接口一一實現對現有智能網業務的支持，此接口可使用INAP協議。

3.2.基于軟交換的存儲網絡結構分析

基于軟交換的下一代存儲網絡框架，具體如圖3所示：

位于控制層中的軟交換設備，通過傳輸服務層中的核心傳輸網，與處于媒體接入層中的

媒體網關交互通信，接收正在處理呼叫的相關信息，根據業務應用層已定義好的相關設定，

指示媒體網關完成呼叫，可以說這是軟交換網絡體系結構的基本處理流程。

作為媒體接入層的基本處理單元，媒體網關負責管理PsIN與分組數據網絡之間的互通

以及媒體、信令的相互轉換，包括協議分析、話音編解碼、回聲消除、數字檢測和傳真轉發

等G信令網關則提供No．7信令網絡(SS7鏈路)和分組數據網絡之間的轉換，其中包括協議

ISUP、TCAP等的轉換。而無線網關則負責移動通信網到分組數據網絡的交換。軟交換設備

通過提供基本的呼叫控制和信令處理功能，對網絡中的傳輸和交換資源進行分配和管理，在

這些網關之間建立起呼叫或是己定義的復雜的處理，同時產生這次處理的詳細記錄。

應用服務器和軟交換設備之間的接口采用IETF制定的SIP，軟交換設備可以通過它將呼

叫轉至應用服務器進行增值業務的處理，同時應用服務器也可通過該接口將呼叫重新轉移到

軟交換設備。API駐留于應用服務器之中，為軟交換的業務和交換功能提供接入和生成的手

段，它們為分組話音業務提供者提供了一個可以迅速高效地開發各種不同業務的環境。由于

這些API具有開放和靈活的特性，因此它們可以使得在生成、管理業務時不必對軟交換設備

的功能進行更新或升級。進行連接和通信，以便齊NGN上更加靈活地提供業務。具體而言，軟交換系統是一個基于軟件的分布式交換和控制平臺，將呼叫控制功能從媒體網關中分離出來，利用分組網代替電路交換矩陣，開放業務、控制、接入和交換間的協議，從而真正實現開放的運營環境。

4結束語

隨著數據業務特別是IP業務的日益增長，數據存儲和下一代網絡架構日益為人們所關注。下一代網絡將具有提供話音、數據、視頻和多媒體等各種業務的綜合性質網絡體系的結構，將傳統的交換機功能模塊分離為獨立的網絡部件。為了同時滿足企業信息及存儲數據傳輸的需要，如何在下一代網絡框架下合理實現網絡存儲并提供高效的存儲業務，其解決方案的好壞直接影響著企業的生存和發展。

參考文獻

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