DAS、SAN、NAS

存储的分类

• 根据服务器类型分为：封闭系统的存储和开放系统的存储， 
  
  • 封闭系统主要指大型机，
  • 开放系统指基于Windows、UNIX、Linux等操作系统的服务器； 
    开放系统的存储分为： 
    
    • 内置存储
    • 外挂存储 
      外挂存储根据连接的方式分为： 
      
      • 直连式存储（Direct-Attached Storage，简称DAS）
      • 网络化存储（Fabric-Attached Storage，简称FAS）； 
        网络化存储根据传输协议又分为： 
        
        • 网络接入存储（Network-Attached Storage，简称NAS）
        • 存储区域网络（Storage Area Network，简称SAN）
        
        

1、DAS 直连式存储

　　DAS技术是最早被采用的存储技术，如同PC机的结构，是把外部的数据存储设备都直接挂在服务器内部的总线上，数据存储设备是服务器结构一部分，但由于这种存储技术是把设备直接挂在服务器上，随着需求的不断增大，越来越多的设备添加到网络环境中，导致服务器和存储独立数量较多，资源利用率低下，使得数据共享受到严重的限制。因此适用在一些小型网络应用中。

　　DAS存储更多的依赖服务器主机操作系统进行数据的IO读写和存储维护管理，数据备份和恢复要求占用服务器主机资源（包括CPU、系统IO等），数据流需要回流主机再到服务器连接着的磁带机（库），数据备份通常占用服务器主机资源20-30%，因此许多企业用户的日常数据备份常常在深夜或业务系统不繁忙时进行，以免影响正常业务系统的运行。直连式存储的数据量越大，备份和恢复的时间就越长，对服务器硬件的依赖性和影响就越大。

　　直连式存储与服务器主机之间的连接通道通常采用SCSI连接，随着服务器CPU的处理能力越来越强，存储硬盘空间越来越大，阵列的硬盘数量越来越多，SCSI通道将会成为IO瓶颈；服务器主机SCSI ID资源有限，能够建立的SCSI通道连接有限。

　无论直连式存储还是服务器主机的扩展，从一台服务器扩展为多台服务器组成的群集(Cluster)，或存储阵列容量的扩展，都会造成业务系统的停机，从而给企业带来经济损失，对于银行、电信、传媒等行业7×24小时服务的关键业务系统，这是不可接受的。并且直连式存储或服务器主机的升级扩展，只能由原设备厂商提供，往往受原设备厂商限制。

DAS存在问题：

      ①服务器本身容易成为系统瓶颈。

      ②服务器发生故障，数据不可访问。

      ③对于存在多个服务器的系统来说，设备分散，不便管理。同时多台服务器使用DAS时，存储空间不能在服务器之间动态分配，可能造成相当的资源浪费。

      ④数据备份操作复杂。

2、NAS 网络接入存储 
　　NFS、CIFS

　　NAS存储也通常被称为附加存储，改进了DAS存储技术，顾名思义，就是存储设备通过标准的网络拓扑结构(例如以太网)连接。可以无须服务器直接与企业网络连接，不依赖于通用的操作系统，所以存储容量可以很好的扩展，对于原来的网络服务器的性能没有任何的影响，可以确保这个网络性能不受影响。NAS是文件级的存储方法，它的重点在于帮助工作组和部门级机构解决迅速增加存储容量的需求。如今用户采用NAS较多的功能是用来文档共享、图片共享、电影共享等等，而且随着云计算的发展，一些NAS厂商也推出了云存储功能，大大方便了企业和个人用户的使用。

　　NAS产品是真正即插即用的产品。NAS设备一般支持多计算机平台，用户通过网络支持协议可进入相同的文档，因而NAS设备无需改造即可用于混合Unix/Windows NT局域网内，同时NAS的应用非常灵活。

　　但NAS又一个关键性问题，即备份过程中的带宽消耗。与将备份数据流从LAN中转移出去的存储区域网（SAN）不同，NAS仍使用网络进行备份和恢复。NAS 的一个缺点是它将存储事务由并行SCSI连接转移到了网络上。这就是说LAN除了必须处理正常的最终用户传输流外，还必须处理包括备份操作的存储磁盘请求。

3、SAN

         SAN（Storage Area Network）存储区域网络，是一种高速的、专门用于存储操作的网络，通常独立于计算机局域网（LAN）。SAN将主机（管理server，业务server等）和存储设备连接在一起，能够为其上的任意一台主机和任意一台存储设备提供专用的通信通道。SAN将存储设备从服务器中独立出来，实现了服务器层次上的存储资源共享。SAN将通道技术和网络技术引入存储环境中，提供了一种新型的网络存储解决方案，能够同时满足吞吐率、可用性、可靠性、可扩展性和可管理性等方面的要求。

        通常SAN由磁盘阵列（RAID）连接光纤通道（Fibre Channel）组成（为了区别于IP SAN，通常SAN也称为FC-SAN）。SAN和服务器和客户机的数据通信通过SCSI命令而非TCP/IP，数据处理是“块级”（block level）。SAN也可以定义为是以数据存储为中心，它采用可伸缩的网络拓扑结构，通过具有高传输速率的光通道的直接连接方式，提供SAN内部任意节点之间的多路可选择的数据交换，并且将数据存储管理集中在相对独立的存储区域网内。SAN最终将实现在多种操作系统下，最大限度的数据共享和数据优化管理，以及系统的无缝扩充。

         其中，SAN网络又被细分为FC-SAN网络和IP-SAN网络。

a.FC-SAN

      FC-SAN顾名思义就是直接通过FC通道来连接磁盘阵列，数据通过发送SCSI命令来直接与硬件进行通信，从而提高了整体的速率。

      FC-SAN的构成：

       在FC-SAN中，有一些专用的硬件和软件。硬件包括FC卡、FC HUB、FC交换机、存储系统等，软件主要是FC控制卡针对各种操作系统的驱动程序和存储管理软件。

       ①FC卡：主要用于主机与FC设备之间的连接。

       ②FC HUB：内部运行仲裁环拓扑，连接到HUB的节点共享100MB/S带宽（或更高）。

       ③FC交换机：内部运行Fabric拓扑，每端口独占100MB/S带宽（或更高）。

       ④FC存储设备：采用FC连接方式，光纤接口可以有一到多个。FC存储设备通常采用光纤的硬盘，也有Fibre to SCSI（Fibre to ATA）的解决方案，使用SCSI（或ATA）的硬盘，在整个配置上较便宜。

       ⑤存储网络管理软件：存储管理软件主要的功能是自动发现网络拓扑及映射，当在存储网络中增加或减少时自动发现及组态。

       ⑥高性能的光纤通道交换机和光纤通道网络协议是FC-SAN的关键。把以光纤通道交换机为骨干的网络拓扑结构称为“SAN Fabric”。而光纤通道协议是FC-SAN的另一个本质特征。FC-SAN正是利用光纤通道协议上加载SCSI协议来达到可靠的块级数据传输。

 FC-SAN的应用场景：

     由于FC-SAN是为在服务器和存储设备之间传输大块数据而进行优化的，因此对于以下应用来说是理想的选择：

     ①关键任务数据库应用，其中可预计的响应时间、可用性和可扩展性是基本要素。

     ②集中的存储备份，其中性能、数据一致性和可靠性可以确保企业关键数据的安全。

     ③高可用性和故障切换环境可以确保更低的成本、更高的应用水平。

     ④可扩展的存储虚拟化，可使存储与直接主机连接相分离，并确保动态存储分区。

     ⑤改进的灾难容错特性，在主机服务器及其连接设备之间提供光纤通道高性能和扩展的距离。

     FC-SAN的优点：

     面对迅速增长的数据存储需求，企业和服务提供商渐渐开始选择FC-SAN作为网络基础设施，因为SAN具有出色的可扩展性。事实上，SAN比传统的存储架构具有更多显著的优势。例如，传统的服务器连接存储通常难于更新或集中管理。每台服务器必须关闭才能增加和配置新的存储。相比较而言，FC-SAN不必宕机和中断与服务器的连接即可增加存储。FC-SAN还可以集中管理数据，从而降低了总体拥有成本。

     利用光纤通道技术，FC-SAN可以有效地传输数据块。通过支持在存储和服务器之间传输海量数据块，SAN提供了数据备份的有效方式。因此，传统上用于数据备份的网络带宽可以节约下来用于其他应用。

     开放的、业界标准的光纤通道技术还使得FC-SAN非常灵活。FC-SAN克服了传统上与SCSI相连的线缆限制，极大地拓展了服务器和存储之间的距离，从而增加了更多连接的可能性。改进的扩展性还简化了服务器的部署和升级，保护了原有硬件设备的投资。 

      此外，FC-SAN可以更好地控制存储网络环境，适合那些基于交易的系统在性能和可用性方面的需求。SAN利用高可靠和高性能的光纤通道协议来满足这种需要。

     FC-SAN的另一个长处是传送数据块到企业级数据密集型应用的能力。在数据传送过程中，FC-SAN在通信结点（尤其是服务器）上的处理费用开销更少，因为数据在传送时被分成更小的数据块。因此，光纤通道FC-SAN在传送大数据块时非常有效，这使得光纤通道协议非常适用于存储密集型环境。

b.IP-SAN

      简单来讲，IP-SAN（IP存储）的通信通道是使用IP通道，而不是光纤通道，把服务器与存储设备连接起来的技术，除了标准已获通过的iSCSI，还有FCIP、iFCP等正在制定的标准。而iSCSI发展最快，已经成了IP存储一个有力的代表。

      像光纤通道一样，IP存储是可交换的，但是与光纤通道不一样的是，IP网络是成熟的，不存在互操作性问题，而光纤通道SAN最令人头痛的就是这个问题。IP已经被IT业界广泛认可，有非常多的网络管理软件和服务产品可供使用。

NAS与SAN 的关系

关于NAS和SAN的区别，可以列出很多来。比如带宽大小，距离长短，共享优劣等等。几乎所有区别都是由两个因素衍生出来的。一个是FC与Ethernet，另一个是block与file system。

简而言之，如果用户需要通过FC访问block，就用SAN；如果需要通过Ethernet访问file system，就用NAS。

应用程序与SAN设备通信过程：

对于SAN方式来说，应用程序别想通过运行在服务器本机（或者NAS设备）上的文件系统与磁盘阵列对话，应用程序对本机的文件系统（或对NAS服务器）说：“嗨，哥们（本机文件系统或者NAS），帮我把/mnt/SAN 目录下的SAN.txt那个文件送到我的缓冲区里。” 本机的文件系统（或者NAS服务器）开始计算SAN.txt文件占用的磁盘扇区的LBA地址，计算好了之后向SAN磁盘阵列说（用SCSI语言）：“嗨，盘阵哥，吧从LBA10000开始后的128个扇区全部传给我呗”，盘阵收到后，自己忙活一通，不过是物理磁盘，还是LUN，反正最终是找到了那些扇区，通过FC网络传送给文件系统（或者NAS服务器），文件系统收到扇区内容之后，根据文件系统记录截掉多余部分，将整理后的数据放入请求这个数据的应用程序缓冲区。

应用程序与NAS设备通信过程：

应用程序通过操作系统的虚拟目录层直接与NAS设备对话：“嗨，NAS哥，帮我把/mnt/NAS目录下的NAS.txt 文件传过来。” 或者“嗨，NAS哥，帮我把/mnt/NAS目录下的NAS.txt 文件的前1024字节传过来” 这些话是会被封装成TCP/IP数据包，通过以太网网络传给NAS设备上。NAS收到这个请求后，立即用自己的文件系统（NTFS,JFS2,EXT2，EXT3等）计算NAS.txt文件都占用了磁盘的那些扇区，然后从自己磁盘上使用ATA或者SCSI语言想对应磁盘读取数据（或者自己后端是SAN存储，直接从SAN上要数据）。

显然，NAS将文件系统逻辑搬出了主服务器，称为了一个单独的文件系统逻辑运行者。下图展示从主机到NAS设备的IO全流程：

之后，主机客户端上某应用程序发起了对/mnt/nas/nas.txt文件的读取操作，读取从偏移量0字节开始往后的1024字节，也就是这个文件的前1024字节。

这个动作是通过调用操作系统提供的文件操作API执行的，比如read(),

这个IO请求被传送到了NFS Client处，NFS Client知道/mnt/nas路径对应的其实是NAS 服务端的/nas/export这个输出目录，所以NFS Client将上层下发的这个读取请求封装成NFS协议规定的标准格式通过网络传送到NAS 服务器端。

NAS服务器端接收到这个请求之后，将请求通过操作系统API传送给文件系统模块处理。文件系统模块接收到针对/nas/export/nas.txt文件的读请求之后，首先查询缓存内是否有对应数据，如果有，则直接返回结果；如果没有，则需要将这段字节所落入的底层存储空间的块信息取回，这个动作通过查询inode表等元数据获得。当得到了底层块地址之后，文件系统通过调用OS提供的API将这些快的读请求发送下游模块，也就是卷管理层。

卷管理层是将底层物理磁盘设备进行虚拟化封装的层次。当卷管理层收到针对某个卷某段LBA地址的请求之后，他要进行翻译，将目标虚拟卷的地址翻译为对应着底层物理磁盘块身边的地址；翻译完成之后，卷管理层将对应目标地址的请求再次通过调用OS API的方式发送给下游，也就是驱动程序层了。

块设备驱动是负责对应块设备进行IO的角色，他将这些IO发送给SCSI CDB Generator也就是SCSI指令的翻译中心。

SCSI CDB Generator的职责是将对应的IO请求描述问SCSI协议的标准格式。之后这些指令被发送到SCSI/FC适配器的驱动程序处，

设备驱动程序接收到这些SCSI指令后，将其封装到对应的链路帧中通过内部总线网络或者外部包交换网络传送到目标。

SCSI指令传送到目标设备，目标设备执行相应指令并返回结果。

4、DAS、SAN、NAS对比

FC-SAN，IP-SAN，NAS，DAS区别
DASNASFC-SANIP-SAN成本低较低高较高数据传输速度快慢极快较快扩展性无扩展性较低易于扩展最易扩展服务器访问存储方式直接访问存储数据块以文件方式访问直接访问存储数据块直接访问存储数据块服务器系统性能开销低较低低较高安全性高低高低是否集中管理存储否是是是备份效率低较低高较高网络传输协议无TCP/IPFibre ChannelTCP/IP

5、总结

根据DAS、NAS、SAN的不同特性，DAS及SAN是基于存储空间的磁盘分配，是基于硬件层面的存储方式，而NAS则是基于应用层面的存储方式，可以根据应用环境来对其进行总结。

DAS多采用SCSI或SAS接口，由于部署节点的单一性及较高的性能，适用于单一节点的企业级应用，或者地理位置比较分散的服务器使用。DAS由于部署的局限性目前使用量越来越少。

NAS利用现有以太网网络，因此部署灵活，部署的成本非常低，基于TCP/IP协议的特性可以提供丰富的网络服务，基于文件的形式提供数据的存储及备份，但是TCP/IP协议决定了数据传输的数据打包及解包会占用系统资源，另外传输速率受限于以太网的速率，因此不适用于企业级应用，通常部署于部门级应用。

SAN存储使用光纤网络进行传输，并且独立于应用网络，可以提供非常高的带宽，数据的传输基于块协议，无需对数据进行处理，直接进行传送，因此性能最好，另外光纤线路可以提供远距离的高带宽链路，可以实现数据中心的异地灾备应用，但是部署成本较高。因此SAN存储多应用于企业级的存储部署中。

随着技术的发展，以iSCSI技术的IP SAN技术使NAS存储抢占了一部分SAN存储的市场份额，另外随着10Gb以太网技术的发展NAS存储的发展空间将会更加广阔。