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从架构评价存储

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随着存储技术的不断演进,目前存储市场的角逐更加激烈,产品也是百花齐放,概念层出不穷。但是万变不离其宗,企业采购一个存储希望其能够高速存取数据、有效扩展、安全可靠和便于管理。

来源:ZDNet存储频道 2013年8月27日

关键字: HDS VSP

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随着存储技术的不断演进,目前存储市场的角逐更加激烈,产品也是百花齐放,概念层出不穷。但是万变不离其宗,企业采购一个存储希望其能够高速存取数据、有效扩展、安全可靠和便于管理。而对所有这些起到关键作用的就是存储架构,一个拥有好的架构的存储设备能够让企业按照业务发展灵活的扩展,或在相同的系统配置下,获得更好的投资收益。

从架构上看,目前的存储架构主要分为三类:双控制器(主备或双活),多控制器紧耦合系统,多控制器松耦合系统。每种存储架构适应不同的场景和厂商的技术路线,下面分别描述:

  • 双控制器架构

双控制器存储架构发展时间最长,架构也非常成熟,相对来讲成本也最低,目前我们见到的大多数存储均属于这个架构。现多被应用于中端部门级存储中,存储架构大致如下:

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该架构的特点如下:

  • 两个控制器实现所有的I/O操作,通过专用通道实现控制器间的写缓存镜像,保证数据的高可用;
  • 前端通过安装于主机端的多路径负载均衡机制实现两个控制器的故障切换(或负载均衡,不是所有的双控架构都支持,后面会讲到)
  • 两个控制器通过冗余的链路连接到后端磁盘的冗余环路(FC)或冗余交换电路(SAS)
  • 架构扩展性较低,系统上线之后,整个存储中能够扩展的功能单元只有cache。
  • 单一控制器故障会让系统丢失一半处理能力,同时为了保证安全,此时系统会让写数据不经过缓存而直接进入磁盘,性能下降明显;

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典型的(也是大多数产品)中端存储采用双控制器的主备模式,也就是每个磁盘卷需要管理员设定一个主控制器和一个备控制器,由管理员在系统分配时在两个控制器间实现负载的手动均衡。但也有部分双控制器架构能够实现两个控制器的负载均衡,比如IBM DS8000和HDS HUS 100,当然DS8000属于高端存储,HUS100是中端阵列,扩展性上不可类比,但两者架构中控制器间都有独立的负载均衡机制,能够由存储根据两个控制器CPU和缓存的繁忙程度动态调整I/O流向。这样,管理员就无需人工分配控制器的负载,简化了操作,提高存储处理资源的利用率。

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  • 多控制器紧耦合架构

多控制器互联架构是传统的高端存储架构,HDS和EMC是目前市场唯一掌握该技术的厂商。该架构通过交换机制将存储各功能部件:处理器、缓存、前端端口、后端端口进行互联。因为该架构的实现难度和成本都很高,目前只有在高端系统中有采用。比如HDS VSP/HUS VM或EMC DMX(EMC上一代高端存储,目前VMAX不是该架构)。

这种架构与我们后面要讲到的多控制器松耦合系统的根本差异在于:该架构互联机制在内部总线级实现,而松耦合架构通过I/O卡的外部互联。

这是HDS VSP的架构图,从图中我们可以发现,系统的VSD(存储处理器板)Cache,FED(前端接口板)BED(后端接口板)通过switch matrix进行互联,多个Matrix通过PCI-E总线进行互联,从而组成多层一个大型存储设备,这样的结构特点是:

  • 整个存储器资源共享,系统处理器、缓存等资源可以被任何端口(主机)使用,资源使用效率更高;
  • 任何两个功能部件单元之间通讯只需要通过交换背板,也就是I/O不需要“绕路”;
  • 功能单元可以单独添加,比如处理器、cache、端口板等,也就是说,用户可以按照自己的情况进行扩展;
  • 单一功能部件的故障,只会让系统的资源减少1/n(n为配置数量),而不像双控架构中的单一故障会让系统进入单边运行的不安全状态。

HDS的HUSVM存储也采用类似的架构(如左图),不同之处在于HUS VM因为定位与入门级企业存储,其互联架构没有VSP复杂,而是将一组Main board(包括cache和ASIC芯片)和一组MP Blade(包括处理器和RAM)进行互联,架构类似于上述VSP的一层互联结构。任何一个单元的故障之下,其他三部分仍能正常发挥作用,而不像双控架构下的丢失1/2能力。

  • 多控制器松耦合架构

这个架构是近些年很多厂商乐于采用的架构,通过外部I/O协议,将多组控制器进行互联从而组成一个大型存储,采用该架构的包括EMC VMAX、HP 3Par、IBM  XIV以及HUAWEI S8100等。

该架构的示意图如下:

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        EMC VMAX      

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HP 3Par

上述架构中,功能节点都是成对出现(EMC称为引擎,HP/IBM称为节点),功能节点间通过I/O协议互联,与上面总线互联架构的不同点在于,该架构的资源不是全局共享,任何跨节点的IO处理器需要其他节点进行中转,该结构特点如下:

  • 整机的扩展性很大,如:EMC VMAX40K已经能够扩展至3200个磁盘和2TB缓存
  • 大量采用工业标准器件,成本优势大,研发周期短
  • 每个节点的配置相对较低,多采用中端存储控制器
  • 节点本身不能扩展,系统扩展通过增加节点实现,也就是处理器、缓存、端口板的一起扩展;
  • 要获得系统全部处理能力,业务和数据要在所有节点间人工均匀分布;

上述三种架构的比较让我们看到,不同的架构有其自身的显著特点,都适应特定的应用场景和客户群体。

双控制器架构具备简单、成熟和成本低廉的特点,在小型应用和大中型企业的非核心系统中能够广泛的使用,但其扩展性和可靠性会阻碍其在核心、高可靠的场景的使用。

多控制器紧耦合架构可靠性和并发吞吐能力强,更适用于大型应用和密集运算场景,但传统上来讲该架构的组件均为专用部件,成本高是这种架构在企业中大规模采用的最大阻碍。不过,我们也看到近些年像HDS VSP中也采用了大量的Intel Xeon处理器承担部分I/O运算,成本也在逐步降低。

多控制器松耦合系统的横向扩展架构具备更大的扩展能力,适合于大型企业整合多个中小型应用,而又保持了单一系统的管理便捷性。同时因为采用大量的工业标准元件,所以该架构的硬件成本较低,但其非全局资源架构对系统管理人员的应用部署和优化又提出了新的挑战。

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