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虚拟存储技术在视频网络中的应用

发布时间:2019-10-09 14:40:47 编辑:笔名

视频编辑、制作具有数据量存储大、码流高、实时性强、安全性重要等特点。这就要求应用于视频领域的存储技术和产品必须具有足够的带宽并且稳定性要好。

在单机应用时,为了保证一台编辑站点有足够的数据带宽,SCSI技术、本地RAID技术(包括软件和硬件)被广泛应用。通过把若干个SCSI硬盘加上控制器组成一个大容量,快速响应,高可靠性的存储子系统,从用户看可作为一个逻辑盘或者虚拟盘,从而大大提高了数据传输率和存储容量,同时利用纠错技术提高了存储的可靠性。同时可满足带宽要求。

随着节目制作需求的发展,要求2—3台站点共享编辑数据。这时可利用SCSI网络技术实现这一要求。几台编辑站点均配置高性能的SCSI适配器,连接至共享的SCSI磁盘阵列,既可以实现几个站点共享数据,又可以保证每一台单机的工作带宽。

光纤通道技术的成熟应用对视频网络的发展具有里程碑的意义,从此主机与共享存储设备之间的连接距离限制从几米、十几米,扩展到几百米、几千米,再配合光纤通道交换设备,网络规模得到几倍、十几倍的扩充。这时候的FC磁盘阵列——RAID容错技术、相对SCSI的高带宽、大容量,成为视频网络中的核心存储设备。

随着电视台规模的发展,全台级大规模视频网络的应用被提出。在这种需求下,就必须将更先进的存储技术与产品引入视频领域。存储区域网(SAN)的发展目前正处于全速上升期,各种概念层出不穷。其中具有划时代意义的是虚拟存储概念的提出。相对于传统的交换机加RAID阵列,主机通过硬件层直接访问阵列中的硬盘的SAN结构,虚拟存储的定位是将数据存储功能从实际的、物理的数据存取过程中抽象出来,使普通用户在访问数据时不必关心具体的存储设备的配置参数、物理位置及容量,从而简化用户和系统管理人员的工作难度。

目前虚拟存储的发展尚无统一标准,从虚拟化存储的拓扑结构来讲主要有两种方式:即对称式与非对称式。对称式虚拟存储技术是指虚拟存储控制设备与存储软件系统、交换设备集成为一个整体,内嵌在网络数据传输路径中;非对称式虚拟存储技术是指虚拟存储控制设备独立于数据传输路径之外。现在我们就从虚拟化存储的拓扑结构来分析哪一种虚拟化存储解决方案适用于视频网络。

一、对称式虚拟存储

在对称式虚拟存储结构图中,存储控制设备 High Speed Traffic Directors(HSTD)与存储池子系统Storage Pool集成在一起,组成SAN Appliance。可以看到在该方案中存储控制设备HSTD在主机与存储池数据交换的过程中起到核心作用。该方案的虚拟存储过程是这样的:由HSTD内嵌的存储管理系统将存储池中的物理硬盘虚拟为逻辑存储单元(LUN),并进行端口映射(指定某一个LUN能被哪些端口所见),主机端将各可见的存储单元映射为操作系统可识别的盘符。当主机向SAN Appliance写入数据时,用户只需要将数据写入位置指定为自己映射的盘符(LUN),数据经过HSTD的高速并行端口,先写入高速缓存,HSTD中的存储管理系统自动完成目标位置由LUN到物理硬盘的转换,在此过程中用户见到的只是虚拟逻辑单元,而不关心每个LUN的具体物理组织结构。

该方案具有以下主要特点:

1. 采用大容量高速缓存,显著提高数据传输速度。

缓存是存储系统中广泛采用的位于主机与存储设备之间的I/O路径上的中间介质。当主机从存储设备中读取数据时,会把与当前数据存储位置相连的数据读到缓存中,并把多次调用的数据保留在缓存中;当主机读数据时,在很大几率上能够从缓存中找到所需要的数据。直接从缓存上读出。而从缓存读取数据时的速度只受到电信号传播速度的影响(等于光速),因此大大高于从硬盘读数据时盘片机械转动的速度。当主机向存储设备写入数据时,先把数据写入缓存中,待主机端写入动作停止,再从缓存中将数据写入硬盘,同样高于直接写入硬盘的速度

2.多端口并行技术,消除了I/O瓶颈。

传统的FC存储设备中控制端口与逻辑盘之间是固定关系,访问一块硬盘只能通过控制它的控制器端口。在对称式虚拟存储设备中,SAN Appliance的存储端口与LUN的关系是虚拟的,也就是说多台主机可以通过多个存储端口(最多8个)并发访问同一个LUN;在光纤通道100MB/带宽的大前提下,并行工作的端口数量越多,数据带宽就越高。

3. 逻辑存储单元提供了高速的磁盘访问速度。

在视频应用环境中,应用程序读写数据时以固定大小的数据块为单位(从512byte到1MB之间)。而存储系统为了保证应用程序的带宽需求,往往设计为传输512byte以上的数据块大小时才能达到其最佳I/O性能。在传统SAN结构中,当容量需求增大时,唯一的解决办法是多块磁盘(物理或逻辑的)绑定为带区集,实现大容量LUN。在对称式虚拟存储系统中,为主机提供真正的超大容量、高性能LUN,而不是用带区集方式实现的性能较差的逻辑卷。与带区集相比,Power LUN具有很多优势,如大块的I/O block会真正被存储系统所接受,有效提高数据传输速度;并且由于没有带区集的处理过程,主机CPU可以解除很大负担,提高了主机的性能。

4. 成对的HSTD系统的容错性能。

在对称式虚拟存储系统中,HSTD是数据I/O的必经之地,存储池是数据存放地。由于存储池中的数据具有容错机制保障安全,因此用户自然会想到HSTD是否有容错保护。象许多大型存储系统一样,在成熟的对称式虚拟存储系统中,HSTD是成对配制的,每对HSTD之间是通过SAN Appliance内嵌的网络管理服务实现缓存数据一致和相互通信的。

5. 在SAN Appliance之上可方便的连接交换设备,实现超大规模Fabric结构的SAN。

二、非对称式虚拟存储系统

网络中的每一台和虚拟存储管理设备均连接到,其中主机的数据路径通过FC交换设备到达磁盘阵列;虚拟存储设备对网络上连接的磁盘阵列进行虚拟化操作,将各存储阵列中的LUN虚拟为逻辑带区集(Strip),并对网络上的每一台主机指定对每一个Strip的访问权限(可写、可读、禁止访问)。当主机要访问某个Strip时,首先要访问虚拟存储设备,读取Strip信息和访问权限,然后再通过交换设备访问实际的Strip中的数据。在此过程中,主机只会识别到逻辑的Strip,而不会直接识别到物理硬盘。

这种方案具有如下特点:

1.将不同物理硬盘阵列中的容量进行逻辑组合,实现虚拟的带区集,将多个阵列控制器端口绑定,在一定程度上提高了系统的可用带宽。

2.在交换机端口数量足够的情况下,可在一个网络内安装两台虚拟存储设备,实现Strip信息和访问权限的冗余。

但是该方案存在如下一些不足:

1.该方案本质上是带区集——磁盘阵列结构,一旦带区集中的某个磁盘阵列控制器损坏,或者这个阵列到交换机路径上的铜缆、GBIC损坏,都会导致一个虚拟的LUN离线,而带区集本身是没有容错能力的,一个LUN的损坏就意味着整个Strip里面数据的丢失。

2.由于该方案的带宽提高是通过阵列端口绑定来实现的,而普通光纤通道阵列控制器的有效带宽仅在40MB/S左右,因此要达到几百兆的带宽就意味着要调用十几台阵列,这样就会占用几十个交换机端口,在只有一两台交换机的中小型网络中,这是不可实现的。

3.由于各种品牌、型号的磁盘阵列其性能不完全相同,如果出于虚拟化的目的将不同品牌、型号的阵列进行绑定,会带来一个问题:即数据写入或读出时各并发数据流的速度不同,这就意味着原来的数据包顺序在传输完毕后被打乱,系统需要占用时间和资源去重新进行数据包排序整理,这会严重影响系统性能。

以上从拓扑结构角度分析了对称式与非对称式虚拟存储方案的异同,实际从虚拟化存储的实现原理来将也有两种方式;即数据块虚拟与虚拟文件系统。

数据块虚拟存储方案着重解决数据传输过程中的冲突和延时问题。在多交换机组成的大型Fabric结构的SAN中,由于多台主机通过多个交换机端口访问存储设备,延时和数据块冲突问题非常严重。数据块虚拟存储方案利用虚拟的多端口并行技术,为多台客户机提供了极高的带宽,最大限度上减少了延时与冲突的发生,在实际应用中,数据块虚拟存储方案以对称式拓扑结构为表现形式。

虚拟文件系统存储方案着重解决大规模网络中文件共享的安全机制问题。通过对不同的站点指定不同的访问权限,保证网络文件的安全。在实际应用中,虚拟文件系统存储方案以对非称式拓扑结构为表现形式。

由以上分析可知,从拓扑结构来讲,对称式的方案具有更高的带宽性能,更好的安全特性,因此比较适合大规模视频网络应用。非对称式方案由于采用了虚拟文件原理,因此更适合普通局域网(如办公网)的应用。

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