Системы хранения данных для работы с High Load проектами. NAS. Часть 2

В предыдущей статье шла речь о системах прямого подключения – Direct-attached storage (сокращенно DAS). В том числе разбирали и их недостатки – трудности при организации совместного доступа к файлам, а также низкую эффективность при управлении ресурсами. При дальнейшем развитии СХД эти недостатки компенсировались появлением новых систем хранения данных.

Network Attached Storage

Что такое  NAS?

NAS – аббревиатура английского термина Network Attached Storage. Дословно означает – «подключенное к сети сетевое хранилище». На самом деле данное выше определение не совсем точное. Строго говоря, любой сервер подключен к сети. Каждый компьютер имеет внутри себя некое хранилище данных, хотя бы данных для загрузки и работы операционной системы.

Для более точного описания NAS лучше подходит определение «сетевой накопитель данных». То есть это некий узел локальной сети, главной и зачастую единственной функцией которого является хранение данных, полученных от других участников информационного процесса.

По сути, NAS представляет собой сочетание системы хранения информации (например, массив жестких дисков) и специальной программно-аппаратной платформы, позволяющей подключить эту систему в локальную компьютерную сеть.

Аппаратная организация NAS

Аппаратная организация NAS

В основном NAS используют в качестве носителя информации жесткие диски. На это есть множество причин. Главные из которых:

> простота доступа к информации;
> высокое быстродействие;
> относительно невысокая стоимость хранения информации, которая при этом постоянно снижается благодаря научно-техническому прогрессу.

Примечание. Не всегда Network Attached Storage строится только на жестких дисках. Например, существующие аналогичные устройства могут быть построены на базе ленточных накопителей с применением файловой системы LTFS разработки IBM. Данная файловая система позволяет взаимодействовать с ленточным накопителем аналогично работе с жестким диском.

Внутренняя структура NAS

Внутренняя структура NAS

Отличие NAS от других систем СХД

Есть множество признаков, характерных для Network Attached Storage, – это и наличие LAN-интерфейсов, и развитый стек сетевых протоколов, и программное обеспечение, специализированное для работы в локальной сети.

Наверное, главным из отличительных факторов является обязательное присутствие сетевой файловой системы совместного доступа. К одному и тому же сетевому ресурсу в составе NAS могут обращаться различные пользователи, серверные службы и даже другие NAS.

Разумеется, для других систем хранения данных DAS и SAN такой совместный подход трудноосуществим, так как это классические системы блочного типа, рассчитанные на подключение к серверу-клиенту в режиме внешнего диска.

Составные NAS

В предыдущей статье, посвященной устройствам DAS, говорилось о том, что сетевой серверный узел с прямым подключением дискового хранилища (Disk Enclosure), по сути, является основой для построения более сложных устройств. Это в полной мере справедливо в отношении Network Attached Storage. Очень часто промышленные модели NAS представляют собой головной компьютер (Controller Enclosure), подключенный к локальной сети, работающий с внешним дисковым хранилищем (Disk Enclosure). Такая схема имеет как свои положительные, так и отрицательные стороны.

Схема NAS с внешним дисковым хранилищем

Схема NAS с внешним дисковым хранилищем

Положительная сторона состоит в возможности легко нарастить объем дискового хранилища, просто добавив еще одно хранилище.

Еще один довод в пользу составных NAS – попытка повысить ремонтопригодность. Достаточно заменить головную часть в случае выхода ее из строя, не затрагивая Disk Enclosure.

Плохая новость заключается в том, что такую бесшовную замену Controller Enclosure трудно реализовать на практике. Нужно, чтобы элементы управления дисковой системы, такие как RAID-контроллер, операционная система и специальные драйверы, умели распознавать критически важную информацию: конфигурацию дисковых томов, уровень RAID, наличие дисков в режиме Hotspare и так далее.

Поэтому крайне важно, чтобы вновь установленное программно-аппаратное обеспечение управляющей части умело полностью без ошибок распознавать такие тонкости. Или должна существовать возможность заранее сохранить конфигурацию с работающей системы, чтобы впоследствии восстановить настройки при замене системы. В противном случае можно легко потерять данные со всего хранилища, и дополнительная мера по ремонтопригодности превратится в новую возможность уничтожения данных.

Сети иерархические и одноранговые

Различия между выделенным и невыделенным серверами будут более понятны после небольшого экскурса в прошлое. В свое время (приблизительно в середине 1980-х) наметились два выраженных направления развития компьютерных сетей.

Первое направление предполагало наличие строго распределения ролей: на серверы и клиенты. Сетевая инфраструктура представляла собой несколько выделенных серверов, соединенных сетевым оборудованием между собой и рядовыми участниками обмена данными в сети – рабочими станциями. Соответственно, предполагалось, что все данные хранятся исключительно на серверах, а рабочие станции являются просто средством доступа пользователей в компьютерную сеть. Такие сети получили название иерархические. Наиболее типичной иллюстрацией такого подхода можно считать Novell Netware.

Второй подход заключался в возможности использования ресурсов всех компьютеров в сети. Члены такого сетевого сообщества могут обмениваться данными, передавать короткие сообщения и даже совместно использовать периферийные устройства друг друга, например, принтеры. При этом нет необходимости выделять компьютер на роль отдельно стоящего сервера. Все компьютеры – участники сетевого обмена имеют равный уровень и могут являться одновременно и клиентами и серверами в одной и той же инфраструктуре. Такие сети получили название – одноранговые. Примером такой сети может послужить сеть LANtastik .

Разумеется, оба подхода имеют свои преимущества и недостатки. Чтобы максимально использовать преимущества обоих методов, появились так называемые смешанные сети. Большинство сетей в современных офисах принадлежит именно к этому типу. Например, тонкие клиенты подключаются к терминальному серверу, который, в свою очередь, сам является клиентом для других серверов.

Отличие NAS от File Server

Как уже говорилось выше, прародителем NAS были файловые серверы. Казалось бы, есть проверенное отработанное решение, на котором уже не один десяток лет системные администраторы строили структуру обмена данными.

Для полного понимания идеологии Network Attached Storage рассмотрим обычный File Server на базе универсальной операционной системы.

Существуют два варианта использования файловых серверов: в выделенном и невыделенном режиме. В последнем случае компьютер представляет собой рабочую станцию, на которой работает пользователь, и одновременно на этом компьютере хранятся файлы других участников работы в сети. Такая схема до сих пор применяется в небольших компаниях и домашних офисах.

Выделенный файловый сервер

Выделенный файловый сервер

Но даже файл-сервер используется в выделенном режиме, его все равно можно приспособить для дополнительных функций. Например, компьютер можно использовать как внутренний прокси-сервер, терминальный сервер, обрабатывающий центр системы мониторинга и так далее.

Постоянное увеличение объемов хранимой и передаваемой информации потребовало их жесткой оптимизации. Универсальная операционная система с множеством сопутствующих программ требует дополнительных системных ресурсов. Кроме того, такая конструкция небезопасна. Универсальная система, позволяющая устанавливать бесчисленное множество различных программ, более уязвима для вирусов и атак со стороны злоумышленника, а также ошибок со стороны ИТ-персонала.

Невыделенный файловый сервер

Невыделенный файловый сервер

Помимо всего прочего, первоначальная настройка, запуск и последующая эксплуатация ПК-сервера на основе традиционных серверных ОС требует значительной квалификации, а порой и существенных временных затрат. Все это неизбежно отражается на стоимости владения такими системами.

Это и потребовало создания систем хранения данных нового типа, построенных на базе файловых серверов, но с существенными отличиями.

В отличие от файловых серверов Network Attached Storage не допускает подобного творчества.

Главное отличие NAS от файловых серверов на основе универсальной операционной системы – оптимизация аппаратной платформы и всего программного обеспечения именно для сетевого хранения данных и управления дисковыми массивами.

Часто специализированные сетевые хранилища вообще не имеют возможности подключения монитора и клавиатуры, и управление производится только с помощью сетевого веб-интерфейса. При этом выбор программ, которые можно установить дополнительно, ограничен производителем. Обычно предполагается всего лишь несколько дополнительных плагинов, расширяющих небогатый функционал Network Attached Storage. Подобные ограничения продиктованы стремлением производителя снизить вероятность сбоев по вине ПО стороннего производителя, а также неквалифицированного вмешательства со стороны потребителя. Прекрасным примером такого узкоспециализированного устройства служит Netgear ReadyNAS.

Netgear ReadyNAS.

Примечание. Некоторые модели NAS производители снабжают дополнительными возможностями, например, они могут выступать в качестве принт-серверов или контроллеров домена Active Directory, но это скорее исключение из правил, призванное расширить аудиторию потенциальных клиентов. Чаще всего такое разнообразие встречается среди устройств начального уровня, предназначенных в основном для домашнего использования.

Два способа создания NAS

Аппаратный

Подразумевает промышленный выпуск узкоспециализированных устройств, в которых большое внимание уделяется совместной работе аппаратного и программного обеспечения. Программное обеспечение фактически представляет собой прошивку (firmware), записываемую на специальный флеш-накопитель, который часто поставляется в виде несъемного устройства, например, микросхемы на материнской плате. Иногда в несъемном форм-факторе также поставляются процессор и базовый комплект оперативной памяти. Модернизация таких устройств силами пользователя, как правило, невозможна и выполняется только в специальных сервисных центрах.

В целях оптимизации использования аппаратных ресурсов, а также в стремлении создать как можно более экономичную модель, применяются процессоры, отличные от архитектуры x86, например, ARM, MIPS и даже PowerPC.

Обычно аппаратные NAS имеют минимум средств управления. В большинстве таких моделей полностью отсутствует возможность подключения монитора и клавиатуры, а все действия по обслуживанию выполняются либо с помощью специальных кнопок на корпусе, либо по сети через стандартные средства управления, либо посредством специальных портов для подключения компьютера со специальной программой настройки. В качестве одного из таких средств зарекомендовал себя Windows Hyperterminal, позволяющий работать с устройством через COM-порт (интерфейс RS-232).

В качестве еще одной характерной особенности наличия можно назвать использование узкоспециализированных версий BIOS.

Прекрасным примером аппаратного Network Attached Storage может служить NETGEAR ReadyNAS.

Преимуществом аппаратного NAS является относительно более эффективное использование системных ресурсов за счет лучшей интеграции оборудования и ПО. Следует также отметить высокий уровень безопасности в первую очередь с тем, что аппаратный NAS является более закрытым от внешнего воздействия неподготовленного персонала (невозможно подключить консоль, применяются специализированные BIOS и firmware и так далее).

Ограничением при использовании аппаратного NAS служит все та же закрытость системы. Трудности в установке дополнительного оборудования. Чаще всего разрешается использовать только специализированные комплектующие от производителя данной системы хранения, ассортимент которых неширок, а цены достаточно высоки.

Другое ограничение связано с дополнительными программными модулями, которые поставляются в виде plugins и число которых также крайне мало. С одной стороны, такие драконовские меры призваны повысить отказоустойчивость аппаратного NAS, с другой – значительно ограничивают возможности его применения.

Ну и, разумеется, практически единственный способ модернизации при устаревании – купить другой, более современной модели, и перенести на него данные, а старый отправить на свалку.

Программный

В отличие от аппаратного, представляющего собой закрытую от пользователя систему, программный вариант Network Attached Storage является универсальным компьютером (сервером) с установленным специальным программным обеспечением.

Обычно используются операционные системы семейства UNIX-like, хотя в некоторых случаях могут применяться модификации на базе Windows и других платформ.

Наиболее популярны дистрибутивы на базе FreeBSD, например, FreeNAS, Linux – OpenMediaVault и даже OpenSolarisNexentaStor.

Большинство программных NAS систем имеют удобный интерфейс управления, чаще всего через веб-консоль, а также командную строку. Некоторые системы позволяют использовать локальную консоль для выполнения элементарных действий, таких как смена IP-адреса.

В некоторых случаях системный администратор предпочитает создать сетевую систему хранения данных самостоятельно. Примером такой рукотворной системы может послужить система хранения данных на базе FreeBSD, Samba, SWAT.

Использование универсального оборудования подразумевает и большую универсальность ОС. Так как большинство версий программных NAS строятся на базе известных дистрибутивов Open Source, это дает возможность использовать дополнительные программные пакеты из соответствующих дистрибутивов.

Например, можно установить текстовый редактор для редактирования конфигурационных файлов, программу-архиватор и так далее.

Разумеется, использование программных NAS облегчает функции по замене комплектующих. По сравнению с аппаратным NAS расширяется ассортимент совместимых запчастей, упрощается модификация аппаратной и программной составляющих. В целом программный NAS представляет собой более гибкое решение.

Ограничением применения таких сетевых хранилищ является более низкий уровень «защиты от дурака». В случае когда необходимо передать полномочия по управлению системой хранения менее квалифицированным, но более любопытным лицам, склонным к рискованным экспериментам, применение классической аппаратной реализации NAS будет более оправданным.

Из истории сетевых накопителей

Как говорилось выше, предшественниками NAS были файловые серверы на базе универсальных операционных систем.

Но уже в 1990-е годы компании, разрабатывающие и производящие микропроцессоры и оборудование для работы в сети, в том числе Motorola-Freescale, Intel (отделение XScale, которое сейчас входит в состав компании Marvell), 3Com и другие, положили начало развитию новых специализированных платформ, предназначенных для сетевого хранения данных и управления дисковыми массивами.

В результате этих разработок появились готовые решения для создания специализированных систем сетевого хранения данных.

Сама идея построения нового класса устройств сетевого хранения данных родилась достаточно давно, а первые образцы Network Attached Storage в наиболее близком к сегодняшнему виде появились в середине 1990-х.

Нельзя сказать, что NAS моментально завоевали популярность. Отсутствие общепринятых стандартов и требование установки выделенного оборудования их массового внедрения. Однако рост объемов хранимых данных, необходимость организации совместной работы и необходимость выработки более простых методов управления ИТ-инфраструктурой создали предпосылки для роста популярности сетевых устройств хранения данных.

Примечание. Победоносное шествие операционной системы Novell Netware по странам и офисам было обусловлено тем, что данная система строилась по принципу «ничего лишнего». Фактически это был первый успешный проект по созданию программного NAS, заслуживший общее признание.

Временный регресс в сторону файловых серверов на базе универсальных операционных систем был обязан агрессивной маркетинговой политике компании Microsoft, сделавшей ставку на одноранговые сети и возможность создания невыделенных файл-серверов в целях привлечения большего числа клиентов. Расчет менеджеров Microsoft был очевиден – создав упрощенную, пусть даже неэффективную инфраструктуру на этапе становления, впоследствии будет труднее мигрировать на другую платформу.

Противостоять такой политике компаниям, сразу предлагавшим строить иерархическую сеть и использовать выделенные файл-серверы, было очень затруднительно из-за более высоких затрат на начальном этапе. О том, в какую сумму выльется дальнейшая миграция, обычно мало кто задумывается.

Примечание. Типичный кошмар сисадмина, когда пользователи сети хранят рабочие файлы на своих компьютерах и обмениваются данными через локальные общие папки, получил такое распространение именно благодаря маркетинговой политике Microsoft по продвижению одноранговых сетей и невыделенных серверов.

Однако впоследствии рост объемов данных заставил более критично взглянуть на уже сложившуюся практику хранения данных на файл-серверах, так усиленно продвигаемую со стороны Microsoft, и снова перейти к специализированным сетевым устройствам хранения данных.

Но, несмотря на очевидное, NAS на заре своего появления в виде законченных устройств для конечного потребителя не смогли уверенно утвердиться на рынке в силу достаточно высокой на тот момент стоимости и, что еще более важно, в силу факта идеологического опережения времени. На тот момент развития техники и технологии превалирующим решением были файловые серверы на основе ПК, а доверие к альтернативным платформам было весьма зыбким.

Современные системы NAS

Если на рубеже ХХ-ХХI веков сетевые системы хранения данных еще были чем-то вроде экзотики, то теперь область их применения заметно увеличилась.

Этому способствуют следующие факторы:

  • Стремительный рост хранимой информации.
  • Развитие такого направления, как Big Data.
  • Стремление к оптимизации затрат на обслужива-ние систем хранения и содержание ИТ-персонала. (При этом основная потребность заключается не только в попытке сэкономить на заработной плате, а в большей мере в дефиците грамотных ИТ-специалистов.)
  • Возможность гибкого расширения уже существующей системы.
  • Унификация и взаимозаменяемость используемого оборудования.

Растущая потребность в сетевых системах хранения данных вызывает спрос не только на продукцию таких известных брендов, как NetApp, но и на более простые решения, а также сетевые хранилища «ручной сборки» на базе программных NAS.

Отдельное слово стоит сказать о системах резервного копирования, главное, о системах резервного хранения. Ленточные носители большого объема стоят недешево, и все больше администраторов резервного копирования подходят к мысли о том, что хранить резервные копии на ленточных картриджах становится достаточно дорого.

Например, новая формула хранения при схеме ротации «дед-отей-сын» предполагает, что на ленточные носители записываются только ежемесячные копии («дед»), которые

выносятся за периметр предприятия, а основная масса рабочих резервных копий хранится именно на Network Attached Storage. Такая схема хранения обходится значительно дешевле и позволяет быстрее восстановить данные, потерянные в результате мелких сбоев.

Вместо заключения. Будущее NAS

Строить прогнозы в мире информационных технологий – дело весьма неблагодарное. Вспомним хотя бы знаменитое утверждение Билла Гейтса о достаточном размере в 640 килобайт оперативной памяти.

Но существуют некоторые общие тенденции, на базе которых можно сделать кое-какие предположения. Очень хочется верить, что человечество все-таки придет к более цивилизованному способу хранения данных – от флешек и локальных жестких дисков к специализированным устройствам, обеспечивающим высокую надежность и безопасность хранения.

Рано или поздно такие системы появятся не только в серверных и крупных дата-центрах, а и в небольших офисах, жилых пространствах, везде, где люди используют компьютеры.

Рейтинг материала
[Голосов: 1 Рейтинг: 5]
13 февраля 2017, 07:50

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *