# 3. 存储架构

2024年7月25日28分钟阅读

- FormalSciences/ComputerScience
- ComputerStorage/StorageArchitecture

## 存储架构

存储架构是企业 IT 基础设施的核心部分，决定了数据的存储、管理和访问方式。本文将详细介绍存储架构的不同类型及其发展历史、实现原理、技术架构和未来展望，包括直接附加存储（DAS）、网络附加存储（NAS）和存储区域网络（SAN）。

## 直接附加存储（DAS）

直接附加存储（Direct Attached Storage，DAS）是最早的存储架构形式之一，广泛应用于早期的计算机系统中。DAS 系统通过直接连接存储设备到服务器的方式，实现数据存储和访问。与网络附加存储（NAS）和存储区域网络（SAN）相比，DAS 架构更加简单，性能也较高。

### 发展历史

DAS 系统的发展始于计算机早期阶段，随着技术的进步，不断演变和改进。

- 1970 年代：DAS 系统初期使用并行 ATA（PATA）接口，这种接口在台式机和服务器中非常常见，但受限于传输速度和数据线的限制。
- 2000 年代初：随着技术进步，串行 ATA（SATA）接口逐渐取代了 PATA 接口。SATA 接口不仅传输速度更快，而且数据线更细、更便于管理。
- 2000 年代中期：串行连接 SCSI（SAS）接口出现，进一步提升了 DAS 系统的性能和可靠性。SAS 接口支持更高的数据传输速率，并且具有较好的兼容性和扩展性。
- 2010 年代：非易失性存储器快速接口（NVMe）开始被广泛应用，使得 DAS 系统的传输速度达到新的高度。NVMe 接口利用 PCIe 总线，实现了更低的延迟和更高的 IOPS 性能。

### 实现原理

DAS 系统通过专用接口将存储设备（如硬盘驱动器或固态硬盘）直接连接到服务器的主板上。每个存储设备都有其独立的数据通道，与主机直接通信，不经过任何中间网络设备。这种直接连接的方式确保了数据传输的高效性和稳定性。

### 技术架构

DAS 系统的主要组件包括：

- 存储设备：硬盘驱动器（HDD）或固态硬盘（SSD），用于存储数据。SSD 由于其高性能和低延迟，逐渐成为主流选择。
- 接口：实现数据传输的接口，包括 SATA、SAS 和 NVMe。不同接口类型提供不同的传输速度和功能。
- 控制器：管理数据读写操作的硬件或固件。控制器负责协调存储设备与服务器之间的数据传输，确保数据的完整性和可靠性。

### 优缺点

优点:

1. 高性能：由于存储设备直接连接到服务器，数据传输路径短，延迟低，性能高。
2. 低成本：相较于 NAS 和 SAN，DAS 系统的架构简单，不需要额外的网络设备，成本较低。
3. 易于部署：DAS 系统的安装和配置相对简单，适合小型企业和个人用户。

缺点:

1. 扩展性差：DAS 系统的存储容量受限于服务器的接口数量和可支持的存储设备数量，扩展性较差。
2. 共享性低：DAS 系统通常仅限于单个服务器使用，不能方便地在多个服务器之间共享存储资源。
3. 管理复杂：随着存储设备数量的增加，管理和维护多个独立的 DAS 系统变得复杂。

### 适用场景

DAS 系统适用于以下场景：

- 小型企业：由于成本低、易于部署，小型企业常采用 DAS 系统满足其存储需求。
- 高性能应用：需要高数据传输速度和低延迟的应用，如视频编辑、科学计算等。
- 特定任务：某些专用任务如备份服务器、监控系统等，由于不需要共享存储资源，DAS 系统是一个理想选择。

**直接附加存储（DAS）作为一种经典的存储架构，具有高性能、低成本和易于部署的优点。**虽然在扩展性和共享性方面有所不足，但在小型企业和特定应用场景中，DAS 系统依然是一种高效且可靠的存储解决方案。随着技术的发展，DAS 系统的接口类型和性能不断提升，为用户提供了更多的选择和更好的使用体验。

## 网络附加存储（NAS）

网络附加存储（Network Attached Storage，NAS）是一种专为数据存储和文件共享设计的设备。通过连接到网络，NAS 设备可以为多个客户端提供集中式存储服务，解决了直接附加存储（DAS）在共享和扩展性方面的局限。

### 发展历史

NAS 系统的出现可以追溯到 20 世纪 90 年代，旨在克服 DAS 系统在数据共享和扩展性上的不足。以下是 NAS 系统发展中的几个关键节点：

- 1992 年：NetApp 公司推出了世界上第一台 NAS 设备，采用了文件系统和 TCP/IP 协议，使得存储设备能够通过网络进行文件共享。
- 1995 年：EMC 公司进入 NAS 市场，推出了高性能的 NAS 产品，进一步推动了 NAS 技术的发展和普及。
- 2000 年代：随着网络技术的发展，NAS 设备逐渐支持千兆以太网（Gigabit Ethernet），提高了数据传输速度和效率。
- 2010 年代：引入了 10GbE 和更高速的网络接口，使得 NAS 设备在性能上有了显著提升，并开始支持更多的企业级功能，如快照、复制和远程备份。

### 实现原理

NAS 系统通过网络接口（通常是以太网）连接到局域网（LAN），实现数据的集中存储和共享。客户端设备（如计算机、服务器）通过网络文件协议（如 NFS、SMB/CIFS）访问 NAS 设备上的数据。

### 技术架构

NAS 系统的主要组件包括：

- 存储设备：NAS 设备内部集成了多个硬盘驱动器（HDD）或固态硬盘（SSD），用于存储数据。
- 网络接口：常见的网络接口类型包括千兆以太网（Gigabit Ethernet）和 10GbE，用于连接到局域网。
- 操作系统：NAS 设备运行专用的 NAS 操作系统，提供存储管理、网络服务和数据保护功能。常见的 NAS 操作系统有 FreeNAS、Synology DSM 和 QNAP QTS。
- 协议支持：NAS 设备通常支持多种网络文件协议，如网络文件系统（NFS）、服务器消息块（SMB/CIFS）、苹果文件协议（AFP）等，确保跨平台的文件访问和共享。

### 优缺点

优点

1. 易于共享和管理：NAS 设备通过网络连接，多个客户端可以同时访问和共享存储资源，简化了文件管理和协作。
2. 良好的扩展性：NAS 系统可以通过增加硬盘或扩展柜轻松扩展存储容量，满足不断增长的数据需求。
3. 数据保护：许多 NAS 设备提供高级数据保护功能，如 RAID、快照和备份，确保数据的安全性和完整性。

缺点

1. 性能受限于网络带宽：NAS 设备的性能通常受限于网络带宽，尤其是在高并发访问或大文件传输时，可能会出现瓶颈。
2. 延迟较高：相比 DAS 系统，NAS 由于通过网络进行数据传输，延迟较高，可能不适用于对延迟敏感的应用。

### 适用场景

NAS 系统适用于以下场景：

- 文件共享和协作：在企业或团队中，NAS 设备可以作为中心文件服务器，提供集中存储和文件共享，支持跨平台访问。
- 数据备份和恢复：NAS 设备常用于数据备份和恢复，提供自动备份、版本控制和数据恢复功能，保障数据安全。
- 多媒体存储和流媒体：家庭和小型企业可以使用 NAS 设备存储多媒体文件（如照片、视频、音乐），并通过 DLNA 等协议实现流媒体播放。

**网络附加存储（NAS）作为一种高效、灵活的存储解决方案，通过网络接口实现了数据的集中存储和共享。**尽管在性能上可能受限于网络带宽，但 NAS 系统在文件共享、数据备份和多媒体存储等应用场景中表现出色。随着网络技术和存储技术的不断进步，NAS 设备的性能和功能将进一步提升，继续为中小型企业和家庭用户提供可靠的存储服务。

## 存储区域网络（SAN）

存储区域网络（Storage Area Network，SAN）是一种高性能的存储架构，通过专用的存储网络连接服务器和存储设备，为企业和数据中心提供高效、可靠的存储解决方案。SAN 系统提供了块级存储访问，能够满足对高性能和高可用性存储需求的关键业务应用。

### 发展历史

存储区域网络的发展始于 20 世纪 90 年代末，旨在解决传统存储架构在性能和扩展性方面的不足。以下是 SAN 系统发展历程中的一些关键节点：

- 1990 年代末：SAN 系统开始普及，最早采用的是光纤通道（Fibre Channel）技术，提供高速、低延迟的存储连接。
- 2000 年代初：随着互联网技术的发展，基于 IP 的 iSCSI 协议被引入，使得通过标准以太网实现 SAN 成为可能，降低了部署成本。
- 2010 年代：引入了 Fibre Channel over Ethernet（FCoE）技术，结合了光纤通道的高性能和以太网的灵活性，进一步提升了 SAN 系统的效率和可管理性。

### 实现原理

SAN 系统通过专用的存储网络（通常是光纤通道或以太网）将服务器和存储设备连接起来。服务器可以通过 SAN 网络直接访问存储设备上的块设备，实现高效的数据读写操作。SAN 系统提供了集中化的存储管理，支持高级数据保护和备份功能。

### 技术架构

SAN 系统的主要组件包括：

- 存储设备：SAN 系统中的存储设备通常是高性能硬盘阵列或固态硬盘（SSD），用于存储大量数据并提供快速访问。
- 网络交换机：SAN 网络使用光纤通道交换机或以太网交换机连接存储设备和服务器。光纤通道交换机提供高速、低延迟的数据传输，以太网交换机则支持 iSCSI 协议，实现基于 IP 的存储连接。
- 协议支持：SAN 系统支持多种存储网络协议，包括 Fibre Channel、iSCSI 和 FCoE。这些协议确保数据在服务器和存储设备之间的高效传输。
- 管理软件：SAN 系统配备专用的管理软件，用于集中管理和配置存储资源。管理软件提供存储设备的监控、配置和优化功能，确保系统的高可用性和性能。

### 优缺点

优点:

1. 高性能：SAN 系统通过高速存储网络实现了快速的数据传输，适用于高性能计算和数据库应用。
2. 高可用性：SAN 系统通常具有冗余设计，支持多路径访问和故障切换，提高了系统的可靠性和可用性。
3. 良好的扩展性：SAN 系统可以通过增加存储设备和网络交换机轻松扩展存储容量，满足不断增长的数据需求。
4. 集中管理：SAN 系统提供集中化的存储管理，简化了存储资源的配置和管理，提高了运营效率。

缺点:

1. 成本较高：SAN 系统的初始部署和维护成本较高，包括高性能存储设备、光纤通道交换机和专业管理软件。
2. 复杂性高：SAN 系统的架构和管理相对复杂，需要专业的技术人员进行维护和管理。

### 适用场景

SAN 系统适用于以下场景：

- 大型企业和数据中心：需要高性能、高可用性存储解决方案的企业和数据中心，SAN 系统可以满足其关键业务应用的需求。
- 高性能计算和数据库应用：对于需要快速数据访问和高吞吐量的应用，如科学计算、金融交易和大型数据库，SAN 系统提供了理想的存储环境。
- 虚拟化和云计算：SAN 系统支持虚拟化和云计算环境中的集中存储和动态资源分配，提高了资源利用率和灵活性。

存储区域网络（SAN）作为一种高性能的存储架构，通过专用存储网络提供了块级存储访问，具有高性能、高可用性和良好的扩展性。尽管成本和复杂性较高，SAN 系统在大型企业和数据中心中得到了广泛应用，满足了关键业务应用对存储性能和可靠性的严格要求。随着技术的不断进步，SAN 系统将继续在高性能计算和虚拟化环境中发挥重要作用，为企业提供可靠的存储解决方案。

## 存储架构的演变与发展

随着技术的不断进步，存储架构也在不断演变和发展，以满足不同应用场景和业务需求。以下是存储架构发展中的几个重要趋势和技术。

### 软件定义存储（SDS）

软件定义存储（Software-Defined Storage，SDS）通过抽象硬件资源，使用软件实现存储功能，为用户提供更高的灵活性和可扩展性。

SDS 系统可以在标准硬件上运行，并支持多种存储协议和服务，具有以下特点：

- 硬件抽象：SDS 通过软件层将存储硬件抽象化，使存储资源的管理和配置更加灵活，不再依赖于特定的硬件设备。
- 灵活扩展：SDS 系统可以根据需求动态扩展存储容量和性能，无需更换整个存储架构。
- 统一管理：通过统一的软件平台管理存储资源，实现对不同类型存储设备的集中管理和监控。

主要优势:

1. 灵活性高：SDS 可以在各种标准硬件上运行，用户可以根据需求选择硬件设备，避免厂商锁定。
2. 成本节约：使用标准硬件和开源软件组件可以降低存储系统的总体拥有成本。
3. 易于扩展：可以按需添加新的存储节点，实现存储容量和性能的无缝扩展。

### 超融合基础设施（HCI）

**超融合基础设施（Hyper-Converged Infrastructure，HCI）通过将计算、存储和网络资源整合到一个统一的平台上，实现资源的统一管理和动态分配。**HCI 系统利用虚拟化技术，简化了 IT 基础设施的部署和管理，提高了资源利用率。其主要特点包括：

- 统一平台：计算、存储和网络资源集成在一个硬件设备中，简化了物理设备的部署和管理。
- 虚拟化技术：通过虚拟化软件实现资源的池化和动态分配，提高了资源的利用效率。
- 扩展性强：可以通过添加新的节点无缝扩展系统资源，满足业务增长需求。

主要优势:

1. 部署简便：HCI 系统预先集成了计算、存储和网络资源，减少了部署和配置时间。
2. 管理简化：通过统一的管理界面管理所有资源，降低了运维复杂性。
3. 高效利用资源：虚拟化技术实现资源池化和动态分配，提高了资源利用率和系统灵活性。

### 云存储

**云存储（Cloud Storage）利用云计算技术，提供按需扩展的存储服务。**企业可以通过云存储服务提供商获取高可用性和可扩展的存储资源，降低存储成本和管理复杂性。云存储具有以下特点：

- 按需扩展：根据实际需求动态调整存储容量，避免过度采购和资源浪费。
- 高可用性：云存储服务提供商通常提供多重数据备份和灾难恢复措施，确保数据的高可用性和可靠性。
- 简化管理：用户无需管理底层硬件，只需关注数据和应用，简化了存储系统的运维工作。

主要优势

1. 成本节约：按需付费模式降低了初始投资和运营成本。
2. 高可用性和可靠性：云服务提供商提供的数据冗余和备份措施，提高了数据的安全性和可靠性。
3. 灵活性和可扩展性：可以随时调整存储容量，满足业务需求的快速变化。

## 存储网关和中继技术

随着企业数据量的爆炸式增长和存储需求的多样化，存储网关和中继技术在存储架构中扮演着越来越重要的角色。这些技术不仅提升了存储系统的灵活性和可扩展性，还简化了数据管理和传输的复杂性。

### 存储网关

**存储网关（Storage Gateway）是一种连接本地存储和云存储的桥梁，提供数据迁移、缓存和优化功能，使企业能够无缝利用云存储资源。**存储网关通常支持多种存储协议，如 NFS、SMB/CIFS 和 iSCSI，简化了数据的跨平台访问。其主要特点包括：

- 数据迁移：支持将本地存储的数据迁移到云存储，或从云存储迁移回本地，实现数据的灵活调度和管理。
- 缓存功能：在本地存储和云存储之间提供缓存，提高数据访问速度和效率，减少延迟。
- 数据优化：通过数据压缩、重复数据删除和加密等技术优化数据传输和存储，降低存储成本和提高安全性。

主要优势：

1. 灵活性：存储网关使企业能够根据需要在本地和云存储之间灵活调度数据，适应不同业务场景。
2. 成本节约：通过缓存和数据优化技术，减少了数据传输量和存储成本。
3. 简化管理：支持多种存储协议，简化了异构存储环境中的数据管理和访问。

### 存储中继

**存储中继（Storage Relay）通过中继设备或服务，实现不同存储系统之间的数据传输和同步，提高了数据的可访问性和一致性。**存储中继技术在异构存储环境和灾备方案中具有重要作用。其主要特点包括：

- 数据传输：实现不同存储系统之间的高速数据传输，确保数据在不同位置和系统之间的一致性。
- 数据同步：通过定期或实时的数据同步，确保数据在多个存储系统之间的一致性和可用性。
- 异构环境支持：支持不同类型和品牌的存储系统，提供统一的数据传输和同步解决方案。

主要优势

1. 数据一致性：通过定期或实时同步，确保不同存储系统之间的数据一致性，减少数据不一致带来的风险。
2. 高可用性：在灾备方案中，存储中继技术可以确保数据在不同位置之间的可用性，提高系统的容灾能力。
3. 跨平台支持：支持异构存储环境，实现不同存储系统之间的无缝数据传输和同步，简化数据管理。

### 适用场景

存储网关和存储中继技术适用于以下场景：

- 混合云环境：企业利用存储网关将本地存储与云存储无缝连接，灵活利用云资源，优化存储成本。
- 灾备方案：通过存储中继技术实现不同数据中心之间的数据同步和传输，提高灾备能力和数据可用性。
- 异构存储环境：在多种存储系统共存的环境中，存储中继技术提供统一的数据管理和传输解决方案，简化数据管理。

存储网关和中继技术在现代存储架构中发挥着关键作用，提升了数据管理的灵活性和效率。存储网关通过连接本地存储和云存储，提供数据迁移、缓存和优化功能，帮助企业更好地利用云存储资源。

存储中继通过实现不同存储系统之间的数据传输和同步，提高了数据的一致性和可访问性，特别是在异构存储环境和灾备方案中具有重要作用。随着技术的不断发展，这些技术将继续在数据管理和存储优化中发挥重要作用，为企业提供更加灵活和高效的存储解决方案。

## 结论

存储架构是企业 IT 基础设施的关键组成部分，不同的存储架构类型适用于不同的业务需求和场景。存储架构从传统的 DAS、NAS 和 SAN 系统，逐步发展到 SDS、HCI 和云存储，每种架构都有其独特的优缺点，更体现了技术进步和需求变化的驱动力。

随着技术的不断发展，存储架构将继续创新和进化，为企业的数字化转型提供坚实的基础。在未来，随着大数据、人工智能和物联网等技术的进一步发展，存储架构将面临新的挑战和机遇，为企业提供更加灵活、高效和可靠的存储服务。