Чому мережа зберігання даних (SAN) є необхідною для сучасних центрів обробки даних?

SAN, або мережа зберігання даних (Storage Area Network), — це спеціалізована мережа чи підмережа, яка з’єднує спільні масиви пам’яті з кількома серверами.

Доступність та надійність систем зберігання даних є фундаментальними для виконання обчислювальних завдань. Стандартний підхід до розгортання дисків із прямим підключенням чудово підходить багатьом компаніям завдяки своїй простоті, але вони прив’язані до фізичного сервера через інтерфейс SAS. Тим корпораціям, які прагнуть більшого контролю та гнучкості, краще зосередитися на SAN.

Технологія SAN задовольняє потреби багатьох великих корпорацій, які прагнуть отримати доступ до більш масштабованих, спеціалізованих середовищ, де кілька серверів можна легко підключити до пристроїв зберігання даних. Організація може здійснюватися за рівнями або пулами. SAN — це більш централізований підхід, за якого користувачі можуть оптимізувати ємність сховища, відмовостійкість та забезпечити високий рівень захисту.

Типові сценарії використання мереж зберігання даних

Якщо спростити це поняття, то SAN — це мережа дисків, до яких мають доступ сервери. Такий підхід допомагає консолідувати сховища. Наприклад, якщо мова йде про центр обробки даних із великою кількістю серверів, зазвичай використовуються фізичні диски, розташовані на окремих серверах, і набагато ефективніше використовувати сховище у спеціалізованій підсистемі, оскільки так набагато простіше захищати та керувати всіма даними.

SAN також надзвичайно ефективна для забезпечення доступності системи зберігання даних. Ця технологія працює шляхом з’єднання декількох пристроїв і комп’ютерів, тому під час будь-яких збоїв можна використовувати альтернативний шлях замість того, щоб повністю покладатися на один пристрій зберігання даних. У разі будь-яких технічних проблем система продовжуватиме функціонувати завдяки доступності інших пристроїв зберігання даних та шляхів до них. Централізований підхід значно спрощує процес адміністрування та завдання з управління.

Усі ці фактори позитивно впливають на безперебійність бізнесу та відновлення після аварій, тому це може стати величезною перевагою для багатьох організацій. Щоб зрозуміти особливість SAN, спробуємо порівняти її з традиційною технологією DAS.  

Технологія DAS працює за рахунок підключення дисків безпосередньо до комп’ютера через інтерфейси SAS/SATA. На дисках зазвичай зберігається інформація, необхідна для певного сервера. Звісно, доступ до інформації з одного пристрою DAS можливий з інших серверів, але з’єднання здійснюється через стандартну IP-мережу. Передача великих обсягів інформації через IP-мережу може бути надзвичайно трудомісткою і безпосередньо впливати на продуктивність системи.

SAN працює зовсім інакше — усі диски підключені до виділеної мережі зберігання даних. До сховища може легко отримати доступ будь-який сервер у мережі, і немає необхідності проходити через локальну мережу (LAN). Це означає, що відмовостійкість і продуктивність системи можуть бути значно покращені порівняно зі стандартним підходом.

SAN може підтримувати стільки пристроїв зберігання даних, скільки потрібно, і легко масштабуватися до понад тисячі дисків. Крім того, доступ до системи може отримати будь-який сервер із відповідним інтерфейсом SAN. Щодо основних мережевих інтерфейсів, їх є два:

• Fibre Channel вважається високошвидкісною мережею, яка вирізняється мінімальною затримкою та високою пропускною здатністю. Такий підхід дозволяє розміщувати блоки зберігання даних у певному місці, тоді як сервер може знаходитися в іншому кінці міста або на території кампусу. Традиційно цей підхід також може застосовуватися у випадках, коли сервери та системи зберігання даних розташовані в одному місці на відстані до 10 метрів один від одного. Цей підхід реалізується шляхом встановлення адаптерів HBA на кожному сервері, пристрої зберігання даних, мережевому комутаторі та інших пристроях мережі. Кожен адаптер HBA має один або кілька портів для обміну даними, які можуть бути фізичними або віртуальними.
• iSCSI — це ще один тип мережі, що функціонує шляхом з’єднання спільних систем зберігання даних з обчислювальними ресурсами. FC пропонує доступ до унікальної архітектури мережі, тоді як iSCSI поєднує традиційні блоки даних, пакети команд та технологію мережі Ethernet. Завдяки цьому сховища iSCSI можуть використовувати ті самі адаптери, кабелі, комутатори та інші мережеві компоненти, що й у мережі Ethernet. Кожен сервер, який працює в системі, розпізнає сховище iSCSI як ще один підключений диск. Цей підхід базується на таких стандартах, як «цілі» та «ініціатори», де ініціаторами можуть бути масиви зберігання даних або операційні системи, тоді як ціллю є підключений до мережі жорсткий диск.

Принципи роботи SAN

SAN — це важлива мережа, необхідна для підключення сервера до системи зберігання даних. Головною метою такого підходу є розміщення сховища окремо, що спрощує захист та управління численними процесами. Це можна реалізувати фізично за допомогою масивів зберігання даних або за допомогою програмного забезпечення, такого як vSAN чи VMware.

Підключення серверів та сховища через спеціальну мережу дозволяє покращити продуктивність, оскільки не доводиться конкурувати за пропускну здатність локальної мережі (LAN). Мережу SAN можна розділити на 3 окремі рівні: рівень сховища, рівень хостів та рівень фабрики; розглянемо кожен компонент окремо.

1. Рівень хостів. Цей рівень функціонує на основі серверів, на яких виконується весь робочий навантаження. Зазвичай сервери використовують компоненти LAN/Ethernet для взаємодії з іншими серверами та користувачами. Однак до їх складу також входить мережевий адаптер для виділеного доступу до SAN. Такі адаптери називаються HBA і використовують вбудоване програмне забезпечення та драйвер пристрою. Така конфігурація необхідна для передачі команд зберігання даних до SAN та її сховища. Існує безліч технологій SAN, з яких організації можуть обирати, серед них — FC, iSCSI та InfiniBand. Вибір необхідної технології повністю залежить від потреб конкретної компанії та витрат.

2. Рівень фабрики охоплює всі мережеві пристрої та кабелі, що з’єднують системи зберігання даних та хости. Зазвичай це такі мережеві пристрої: шлюзи, комутатори, протокольні мости та маршрутизатори. Пристрої фабрики SAN можуть використовувати оптоволоконні з’єднання або мідні кабелі для локальної мережі. Під час побудови фабрики SAN використовується кілька з’єднань для забезпечення наявності різних шляхів. Отже, у разі виникнення певних проблем все одно залишатиметься можливість продовжувати обмін даними через доступні шляхи.

3. Рівень систем зберігання даних. Цей рівень включає безліч пристроїв зберігання даних, об’єднаних у рівні та пули. Носії даних можуть бути різних типів, зокрема HDD, SSD, CD/DVD-приводи та навіть стрічкові накопичувачі. Більшість цих пристроїв можна об’єднати в RAID-групу або розділити на дискові розділи, яким присвоюється LUN, що відповідає літері диска. Це означає, що хост може отримати доступ до необхідних LUN, що дозволяє ефективніше керувати всіма ресурсами зберігання даних. Існує 2 варіанти можливих обмежень доступу — зонування та маскування LUN.

Технологія SAN також передбачає використання деяких протоколів, необхідних для підготовки сховищ даних та для обміну даними. Найпопулярнішим є протокол FCP, але існують також протоколи iSCSI, ATA, FCoE, iFCP та деякі інші. Зазвичай ця технологія підтримує кілька протоколів для належного взаємодії всіх рівнів.

Як налаштувати мережу зони зберігання даних

Насамперед підприємству слід врахувати вимоги до обчислювальних потужностей програмного та апаратного забезпечення.

• Системи зберігання даних (список виправлень, прошивка тощо)
• Адаптери хост-шини (версія річки, версія прошивки тощо)
• Комутатори

Для налаштування SAN виконайте такі кроки:

1. Підключіть усі необхідні апаратні компоненти та встановіть необхідне програмне забезпечення. Це означає, що вам слід перевірити версії, налаштувати HBA та масив зберігання даних.

2. За необхідності змініть деякі параметри конфігурації.

3. Перевірте все, що стосується робочих процесів.

4. Налаштуйте базові параметри продуктивності для кожного компонента.

5. Оформіть документацію щодо експлуатаційних процедур.

Архітектура та функціональність фабрики SAN

Основи фабрики SAN пов’язані з підключенням серверів до систем зберігання даних, високою продуктивністю та масштабованістю мережі. Якщо говорити про найпростіший можливий сценарій, FC SAN можна легко підключити до портів HBA безпосередньо через необхідні порти на масивах зберігання даних SAN, часто з використанням оптичних кабелів.

Структура SAN є такою особливою завдяки здатності мінімізувати точки відмови, і це може бути надзвичайно вигідним. Головна мета — створити щонайменше 2 з’єднання між елементами SAN. Таким чином, у разі будь-яких проблем буде доступний принаймні один робочий шлях.

Давайте детальніше розглянемо деякі аспекти функціонування системи. Хост-сервер створює запит на доступ до пристрою зберігання даних. Традиційні команди SCSI повинні бути інкапсульовані в пакети, які структуруються відповідно до правил протоколу. Ці пакети надходять до HBA, де вони передаються по кабелях. Потім вони передаються до мережі SAN, і запит потрапляє на комутатори. Потім конкретний комутатор надсилає запит до пристрою зберігання даних. Для виконання цього процесу процесор системи зберігання даних взаємодіє з необхідним пристроєм.

Детальніше про комутатори SAN

Комутатори SAN вважаються основною ланкою мережі SAN. Як і будь-які інші типи комутаторів, ці пристрої працюють таким чином: вони приймають пакети даних, визначають їхнє місце призначення та направляють пакети до місця призначення. У структурі SAN існує кілька типів комутаторів, таких як граничні, модульні та магістральні комутатори. Залежно від розміру мережі SAN кількість комутаторів може відрізнятися. У невеликих мережах SAN може бути 16–32 порти, тоді як у великих — навіть 128.

Для підвищення відмовостійкості системи зберігання даних однієї фабрики недостатньо — слід включити деякі внутрішні технології, такі як RAID. Така система також включатиме й інші технології, пов’язані зі стисненням даних, клонуванням сховищ, «тонким» виділенням ресурсів тощо. Добре спроектована система дозволяє будь-якому хосту підключатися до будь-якого пристрою зберігання даних. Однак для підвищення безпеки можуть використовуватися технології маскування LUN та зонування.

Різні підходи до розгортання SAN

• Віртуальна SAN. Віртуалізація ідеально підходить для SAN і сприяє підвищенню масштабованості та гнучкості. VSAN (Virtual SAN) — це форма ізоляції, схожа на SAN, яка використовує віртуалізацію для об’єднання декількох сегментів у єдину фізичну мережу SAN. VSAN можна використовувати для підвищення безпеки та управління мережевим трафіком. Цей процес працює таким чином, що VSAN допомагає запобігати виникненню в одному сегменті проблем, які можуть вплинути на інші частини, а сам сегмент можна змінювати, не зачіпаючи жодних фізичних компонентів. VMware пропонує технологію vSAN та надає доступ до таких розширених функцій, як переміщення даних, багаторівневе зберігання, об’єднання ресурсів зберігання та інших. Крім того, VMware vSAN надає такі функції, як управління життєвим циклом даних та автоматичне переміщення даних між рівнями.
• Уніфікована мережа SAN. Зазвичай об’єкти, файли та інші типи даних потребують окремої системи зберігання, такої як NAS. Уніфікована система зберігання підтримує різні типи даних завдяки використанню декількох протоколів, таких як NFS, SMB та інших. Завдяки використанню уніфікованої системи SAN користувачі отримують доступ до потужних функцій, наприклад, реплікації даних, шифрування даних, багаторівневого зберігання та дедуплікації даних.
• Конвергентна SAN. Великим недоліком традиційної FC SAN є її вартість; щоб подолати цей недолік, можна використовувати мережу Ethernet. FCoE підтримує конвергентну SAN, яка може працювати на компонентах Ethernet і допомагає створити недорогу мережу.
• Гіперконвергентна інфраструктура. За допомогою HCI можна об’єднувати ресурси зберігання та обчислювальні ресурси у вузли за потребою та керувати всіма процесами за допомогою простої утиліти. Ця технологія використовує віртуалізацію, а її основною метою є спрощення розгортання апаратного забезпечення з можливістю швидкого масштабування. HCI можна використовувати замість SAN або разом з корпоративною мережею SAN.  

Переваги використання SAN

• Виняткова масштабованість. Можна підтримувати тисячі хостів SAN та пристроїв для зберігання даних, тому будь-яка організація може задовольнити свої потреби.
• Висока продуктивність. Для завдань зберігання даних використовується окрема мережа, і для досягнення найкращої продуктивності рекомендується використовувати FC. Також доступні конвергентні мережі та мережі iSCSI.
• Наявність додаткових функцій управління. Це стосується таких опцій, як дедуплікація даних, шифрування даних, функції самовідновлення та інше. Ці функції централізовані й можуть легко застосовуватися до всіх ресурсів.
• Висока доступність. Кількість точок відмови зведена до мінімуму або майже виключена завдяки різноманітності альтернативних шляхів.  

Потенційні недоліки систем SAN

• Управління. Такі функції, як зонування та прив’язка LUN, не є найпростішими для організацій, що мають багато інших нетехнічних завдань. Щоб досягти необхідного рівня безпеки, не можна виключити деякі трудомісткі процеси.
• Складність. Традиційну SAN вважають дійсно складною, і організаціям слід задуматися про залучення професійних ІТ-фахівців та збільшення бюджетів для подолання цього недоліку.
• Масштабність. SAN надзвичайно ефективна для величезних середовищ із великою кількістю систем зберігання даних та серверів. Звісно, її можна використовувати й у менших масштабах, але це вимагає більших інвестицій. Саме тому невеликим компаніям краще розглянути можливість використання конвергентної SAN, розгортання HCI та інших альтернатив.

Порівняння рішень SAN і NAS

NAS, або мережеве сховище даних, — це альтернативний варіант, що базується на файловому протоколі. Ця технологія базується на виділеному файловому сервері, розташованому між сховищем даних та серверами.

Обидва ці підходи необхідні для зберігання даних. SAN підходить для блокового зберігання даних, що стосується більш структурованої інформації. Натомість NAS краще підходить для неструктурованих даних — зображень, відео, документів, електронних листів тощо.

NAS вимагає менших витрат і використовує загальну мережу. Якщо говорити про SAN, то вона набагато масштабованіша та має значно кращі характеристики продуктивності.

Провідні постачальники та рішення SAN

Під час планування SAN важливо враховувати мережу, хости та системи зберігання даних.

Почнемо з хостів. Практично будь-який хост може працювати в мережі SAN, головне — правильно вибрати інтерфейс для доступу до фабрики. Найкращим варіантом є замовлення серверів із багатопортовим FC HBA. Якщо такого немає, HBA можна встановити на сервер, але для цього повинен бути слот PCIe. Карти HBA випускають компанії QLogic, ATTO, Agilent, Brocade та Broadcom. Ці карти продають багато постачальників.

Наступний пункт — мережеве кабельне підключення, комутатори та інші важливі компоненти. Ось кілька варіантів на вибір:

• Комутатори QLogic серії SANbox 5xxx
• Комутатори Cisco серії MDS
• ATTO Technology 8308, 8316 та 8324
• Виробники систем зберігання даних:
• NetApp
• Huawei
• Hewlett-Packard Enterprise
• Dell
• Hitachi Data Systems

Ключові стандарти в технології SAN

Розробка стандартів пов’язана з деякими галузевими групами. Першим, про який слід згадати, є SMI-S. Цей стандарт відповідає за управління пристроями зберігання даних. Іншим стандартом у SAN є Channel Physical Interface.

Кращі практики в управлінні SAN

Для забезпечення належної продуктивності надзвичайно важливо дотримуватися таких практик. Почніть із належного формування звітів та моніторингу. Ось деякі важливі показники та метрики, на які слід звернути увагу:

• Ключові показники ефективності (KPI), пов’язані з пропускною здатністю запису/читання для кожного масиву;
• Ємність LUN/SAN — перевірка дефіциту та загальних тенденцій;
• Перевірка продуктивності вводу-виводу хост-сервера
• Показники, пов’язані зі структурою SAN.

Відстежуючи основні показники, можна вживати профілактичних заходів щодо більшості можливих проблем.