Nghiên cứu mạng lưu trữ SAN và xây dựng mô hình triển khai tại trường cao đẳng nghề cơ điện và xây dựng bắc ninh

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG --- NGUYỄN ĐĂNG NINH NGHIÊN CỨU MẠNG LƯU TRỮ SAN VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH TRIỂN KHAI TẠI TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CƠ ĐIỆN VÀ XÂY DỰNG BẮC NINH Chuyên n

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-

NGUYỄN ĐĂNG NINH

NGHIÊN CỨU MẠNG LƯU TRỮ SAN VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH TRIỂN KHAI TẠI

TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CƠ ĐIỆN VÀ XÂY DỰNG BẮC NINH

Chuyên ngành: Truyền dữ liệu và mạng máy tính

Mã số: 60.48.15 Người hướng dẫn khoa học: TS HOÀNG XUÂN DẬU

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI – 2013

MỞ ĐẦU

Với sự phát triển mạnh mẽ của Internet, mạng Web toàn cầu và sự xuất hiện ngày càng nhiều ứng dụng và dịch vụ trên Internet, lượng dữ liệu được tạo ra cần lưu trữ, quản lý trên mạng ngày càng lớn Theo thống kê [6], hiện nay mỗi ngày khoảng 1 exabytes (1018 bytes hay 1 tỷ gigabytes) được tạo ra trên toàn thế giới Vì thế, nhu cầu cần có các giải pháp lưu trữ, quản lý dữ liệu một cách an toàn và hiệu quả là rất cấp thiết Một số giải pháp lưu trữ tiên tiến như RAID (Redundant Array of Independent Disks), NAS (Network Attached Storage) và SAN (Storage Area Network) đã ra đời nhằm đáp ứng được nhu cầu của các công ty, tổ chức về dung lượng lưu trữ lớn, tốc độ truy nhập cao và tính an toàn, tin cậy cao

Trong khi RAID thường gắn liền với một hệ thống máy tính và NAS thường cung cấp dịch vụ lưu trữ cho một mạng cỡ nhỏ, mạng lưu trữ SAN thường được dùng

để cung cấp dịch vụ quản lý và lưu trữ dữ liệu cho các hệ thống cỡ vừa và lớn SAN có khả năng cung cấp dịch vụ lưu trữ với dung lượng rất lớn, tốc độ truy nhập rất cao và

độ an toàn, tin cậy rất cao

Mạng lưu trữ SAN là một mạng máy tính chuyên dùng cho mục đích quản lý và lưu trữ dữ liệu SAN thường gồm nhiều máy chủ được kết nối mạng tốc độ cao với nhau Gigabit LAN hoặc kết nối sử dụng cáp sợi quang thường được sử dụng trong mạng lưu trữ SAN Ngoài hệ thống phần cứng bao gồm các máy chủ và các thiết bị mạng, SAN cần có hệ thống các phần mềm phục

vụ quản lý và cung cấp dịch vụ tìm kiếm và truy nhập dữ liệu Các hệ thống phần mềm này thường được biết dưới dạng các hệ thống file phân tán (DFS – Distributed File System)

Công nghệ SAN đã được nghiên cứu, phát triển và

đã được sử dụng khá rộng rãi trên thế giới Các hãng công nghệ và cung cấp dịch vụ nổi tiếng trên Internet như Google, Yahoo và Amazon đều có các SAN của riêng mình Ở Việt Nam, SAN còn khá mới mẻ do các dịch vụ trực tuyến chưa thực sự phát triển và chi phí đầu tư lớn

Do vậy, việc nghiên cứu và ứng dụng công nghệ SAN cho các mạng doanh nghiệp và tổ chức cỡ nhỏ và vừa với chi phí thấp là điều cần thiết Đây cũng là mục đích của đề tài

“Nghiên cứu mạng lưu trữ SAN và xây dựng mô hình

triển khai tại Trường Cao đẳng nghề Cơ điện và Xây dựng Bắc Ninh” của luận văn này

Luận văn gồm 3 chương chính với các nội dung sau:

Chương 1 – Tổng quan về mạng lưu trữ giới thiệu khái quát về mạng lưu trữ SAN, các đặc trưng, cũng như

ưu và nhược điểm của mạng lưu trữ

Chương 2 – Công nghệ mạng lưu trữ trình bày các công nghệ truyền thông trong mạng lưu trữ và hai loại công nghệ mạng lưu trữ thông dụng là FC SAN và IP SAN

Chương 3 – Xây dựng mô hình triển khai SAN tại trường Cao đẳng nghề cơđiện và xây dựng Bắc Ninh phân tích hiện trạng hạ tầng mạng và các yêu cầu xây dựng hệ thống lýu trữ tập trung tại trýờng Trên cõ sở đó, đưa ra

mô hình triển khai mạng lưu trữ nhằm phục vụ tốt hơn yêu cầu lưu trữ dữ liệu hiện tại và tương lai Luận văn cũng tiến hành cài đặt thử nghiệm mô hình hệ thống lưu trữ dựa trên hệ thống file phân tán và ứng dụng cân bằng tải cho các máy chủ Web

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG LƯU TRỮ 1.1.Khái niệm mạng lưu trữ

Mạng lưu trữ SAN (Storage Area Network) là một mạng riêng tốc độ cao (thường đạt tốc độ Gigabit/sec) dùng cho việc truyền dữ liệu giữa các máy chủ tham gia vào hệ thống lưu trữ cũng như giữa các thiết bị lưu trữ với nhau SAN cho phép thực hiện quản lý tập trung và cung cấp khả năng chia sẻ dữ liệu và tài nguyên lưu trữ

Hình 1.1: Mô hình mạng lưu trữ SAN

1.2.Lịch sử phát triển của các giải pháp lưu trữ

1.3.Các yêu cầu đối với hệ thống lưu trữ

-Hệthốngcầncókhảnăngmởrộng(Scalability)

-Hệthốnglưutrữphảicókhảnăngnângcấptốcđộtruycậpdễdàng

:

-Hệthống lưutrữphảicókhảnăngdễdàngcài đặt thêmcác máy chủ vào hệthống:

-Tínhổnđịnh(Stability):

-Tốcđộ(Speed):

-Khảnăngchiasẻ,dùngchungdữliệu(Shareability):

-Tínhđơngiản(Simplicity):

1.4 Các đặc trưng cơ bản của mạng lưu trữ

Bảng 1.1: Các công nghệ SAN, LAN, WAN Công nghệ Băng thông

hiện tại

Băng thông tương lai

Các ứng dụng

Ethernet 100 Mbps 1 Gbps LAN và WAN

Bảng 1.2: So sánh giữa FC-AL và Ultra SCSI Thuộc tính UltraSCSI

hiệu dụng **

Hỗ trợ giao thức SCSI SCSI, IP, nhiều

loại khác Khả năng mở rộng kết

nối

15 drievrs/bus 126 nodes per loop

Khả năng lưu trữ *** 136 Gbytes 9 172 Gbytes

1.4.3 Mở rộng server và thiết bị lưu trữ

Hình 1.3: Mô hình hướng mở rộng của Server - Storage

truyền thống

Mô hình trên làm cho khả năng của server và khả năng lưu trữ không linh họat và cũng không hiệu quả Sự kết hợp này chỉ khoảng từ 4 đến 10 ổ đĩa Muốn mở rộng khả năng lưu trữ thì việc thêm nhiều server-storage là cần thiết

Nhưng với mô hình mạng SAN thì khả năng mở rộng này cung cấp tính linh hoạt hơn và chi phí hiệu quả hơn, giúp cho khả năng lưu trữ cũng như thực hiện trên server được độc lập mà ở đây mỗi phần có thể mở rộng để cân bằng việc lưu trữ tốt nhất

Hình 1.5: Mô hình mở rộng của SAN

1.4.4 Kết nối theo modular

1.4.5 Tính khả dụng và khả năng chịu lỗi cao

1.4.6 Tính dễ điều khiển

1.4.7 Dễ tích hợp

1.4.8 Khả năng ứng dụng nâng cao

1.5 Ưu và nhược điểm của SAN với các hệ thống lưu trữ khác

Ưu điểm:

 Có khả năng sao lưu dữ liệu với dung lượng lớn và thường xuyên mà không làm ảnh hưởng đến lưu lượng thông tin trên mạng

 SAN đặc biệt thích hợp với các ứng dụng cần tốc

độ và độ trễ nhỏ ví dụ như các ứng dụng xử lý giao dịch trong ngành ngân hàng, tài chính

 Dữ liệu luôn ở mức độ sẵn sàng cao

 Dữ liệu được lưu trữ thống nhất, tập trung và có khả năng quản lý cao Có khả năng khôi phục dữ liệu nếu

 Mức độ an toàn cao do thực hiện quản lý tập trung cũng như sử dụng các công cụ hỗ trợ quản lý SAN

Nhược điểm:

 Chiphíđầutưcao(thêmserverbackup,sửdụngtapelibr arycổngquang,phần mềmbackuptrongSAN)

 Cần nhân lực có trình độ cao quản trị

1.6 Kết chương

Mạng lưu trữ SAN là một mạng chuyên dụng, được thiết kế phục vụ cho việc quản lý và lưu trữ các kho dữ liệu lớn SAN có nhiều ưu điểm trong việc xây dựng một

hệ thống lưu trữ có hiệu năng cao, dung lượng lớn, tính an toàn, tin cậy cao và khả năng mở rộng tốt Mặc dù chi phí đầu tư còn khá lớn, nhưng với sự phát triển của công nghệ truyền thông và đặc biệt là IP SAN, mạng lưu trữ có nhiều tiềm năng triển khai cho các cơ sở cỡ nhỏ và vừa với mức đầu tư hợp lý

CHƯƠNG II: CÔNG NGHỆ MẠNG LƯU TRỮ 2.1 Công nghệ truyền thông trong mạng lưu trữ

2.1.1 Cấu hình điểm-điểm

2.1.2 Cấu hình Arbitrated Loop

2.1.3 Cấu hình SAN Fabric

2.1.3.1 Director-Based Fabric

2.1.3.2 Cấu hình chuyển mạch nối tầng (Cascaded Switch Fabric)

2.1.3.3 Cấu hìnhFabric lưới (Mesh Fabric)

2.1.3.4 Cấu hình SAN Building-Block Fabric

2.1.3.5 Cấu hình SAN Island

2.1.3.6 Cấu hình mạng Metropolitan và Wide Area SAN

• FC-0: định nghĩa tốc độ truyền và phương tiện vật

lý gồm cáp, bộ kết nối, ổ đĩa, các bộ phát và thu

• FC-1: định nghĩa sơ đồ mã hóa, dùng để đồng bộ

dữ liệu khi truyền

• FC-2: định nghĩa giao thức framing và điều khiển dòng

2.2.1.2 Các lớp trên (Upper Layers)

• FC-3: định nghĩa các dịch vụ chung cho các node

• FC-4: định nghĩa sự ánh xạ giao thức lớp trên cùng Các giao thức như: FCP (SCSI), FICON và IP có thể được ánh xạ đến dịch vụ truyền tải Fibre Channel

2.2.1.3 Topologies (Các cấu trúc liên kết)

• Point-to-point ; Loop ; Switched:

2.2.1.4 Các lớp dịch vụ

•Lớp 1: Dịch vụ kết nối có báo nhận

• Lớp 2: Dịch vụ không kết nối có báo nhận:

• Lớp 3: Dịch vụ không kết nối không có báo nhận:

• Lớp 4: Dịch vụ định hướng kết nối một phần băng thông:

• Lớp 5: Dịch vụ kết nối đơn giản:

2.2.2 Các thành phần phần cứng của mạng SAN

2.2.2.1 Hệ thống RAID

2.2.2.2 Switches, Hubs và Bridges

2.2.3 Lợi ích của mạng lưu trữ FC SAN:

Tăng hiệu năng hoạt động, tăng tính linh hoạt của

hệ thống lưu trữ, giảm chi phí sở hữu

2.3 Mạng lưu trữ IP SAN

2.3.1.GiaothứciFCP(

InternetFibreChannelProtocol )

iFCPlàgiaothứctừcổngmạngtớicổngmạng(gatewaytogateway),kếtnốicácthiếtbịkênhquanghọcđãcóbằngcáchsửdụngmạngIPnhằmcungcấpdịch

vụkênhquanghọc(FibreChannelServices)chocácthiếtbịcuốicócổnglàkênh quanghọcdựatrênmạngTCP/IP

2.3.1.1.KiếntrúcmạngiFCP

Hình 2.15 – Kiến trúc iFCP

2.3.1.2.Địa chỉiFCP

2.3.1.3.Giảlậpdịchvụkênhquang họccủaiFCP 2.3.1.4.ĐiềukhiểnkếtnốiTCPvàiFCP

như các cấu hình điểm – điểm, cấu hình Arbitrated Loop

và cấu hình SAN Fabric Mỗi cấu hình có các ưu và nhược điểm riêng và có thể được ứng dụng vào từng trường hợp

cụ thể

Mạng lưu trữ FC SAN là dạng được sử dụng phổ biến do mạng này dựa trên phương tiện truyền dẫn là hệ thống mạng cáp quang, có thông lượng lớn và độ trễ nhỏ Tuy nhiên, mạng FC SAN thường thích hợp với một không gian hẹp như một tòa nhà hoặc các phòng ban trong một công ty Ngoài ra, chi phí xây dựng mạng FC SAN thường khá cao Mạng lưu trữ IP SAN và đặc biệt là iSCSI SAN mới được phát triển trong những năm gần đây, nhưng có nhiều tiềm năng do giá thành thấp và có thể

hỗ trợ khoảng cách xa iSCSI SAN có thể sử dụng mạng Internet làm môi trường truyền dẫn mà không phải đầu tư các kênh riêng Tuy nhiên, các mạng IP SAN thường có

độ trễ và overhead lớn hơn FC SAN do các gói tin có phần mào đầu lớn hơn

CHƯƠNG III: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TRIỂN KHAI SAN TẠI TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CƠ ĐIỆN

bộ phòng, khoa, trung tâm trực thuộc trường; 240 máy tính bàn dùng giảng dạy; 135 giáo viên sử dụng máy tính xách tay; khoảng 2600 học sinh - sinh viên có máy tính cá nhân thường xuyên kết nối hệ thống mạng; 01 modem đường truyền cáp quang 1Gbps; 36 Switch; 8 bộ phát Wireless và nhiều thiết bị thực hành khác

3.1.2 Nhu cầu

Nhằm khắc phục nhược điểm hiện có trong cơ sở

hạ tầng công nghệ thông tin của Trường CĐN CĐXDBN, đòi hỏi phải xây dựng một hệ thống lưu trữ tập trung hiện đại với khả năng mở rộng, độ tin cậy, hiệu suất hoạt động cao cùng với chi phí đầu tư ban đầu thấp

3.2 Các yêu cầu của mô hình triển khai SAN

Hệ thống được thiết kế và triển khai dựa trên công nghệ SAN hiện đại, đáp ứng được các yêu cầu sử dụng hiện tại đồng thời có khả năng nâng cấp mở rộng trong tương lai

3.3 Xây dựng mô hình triển khai SAN

Hình 3.4 : Mô hình kết nối hệ thống lưu trữ SAN dự kiến

Hệ thống lưu trữ mới được xây dựng tách biệt với

cơ sở hạ tầng Công nghệ thông tin hiện có Hệ thống lưu trữ chuyên biệt này sử dụng công nghệ SAN cung cấp

nhiều tính năng về hiệu quả quản lý thiết bị lưu trữ, tính sẵn sàng của hệ thống…

3.4 Triển khai thử nghiệm mô hình mạng lưu trữ SAN

3.4.1 Triển khai thử nghiệm mô hình hệ thống cung cấp dịch vụ lưu trữ dựa trên Windows Server 2008

3.4.1.1 Giới thiệu

 Phần cứng: 01 máy tính vật lý có dung lượng RAM 4GB; 03 máy chủ ảo chạy Windows Server 2008, mỗi máy chủ có dung lượng RAM 1GB;

 Phần mềm: Phần mềm ảo hóa VMWare Server 1.06, Windows Server 2008

2008

Bước 4: Cài đặt, cấu hình và thử nghiệm hệ thống file phân tán DFS trên các máy chủ

Hình 3.5 Giao diện quản lý hệ thống DFS sau khi đã cài đặt

3.4.2 Triển khai thử nghiệm ứng dụng cân bằng tải chạy trên hệ thống lưu trữ

Bước 1: Cài đặt tính năng Network Load Balancing trong từng máy chủ

Bước 2: Cấu hình Network Load Balancing Cluster

Hình 3.6 Giao diện Network Load Balancing Cluster

Bước 3: Cài đặt máy chủ web sử dụng tính năng cân bằng tải

3.5 Kết chương

Do nhu cầu phát triển của Trường Cao đẳng nghề

Cơ điện và Xây dựng Bắc Ninh là cần phải tập trung dữ liệu và phát triển hệ thống ứng dụng tích hợp, nêncác cơ

sở dữ liệu và các ứng dụng trong Trường CĐN CĐXDBN cần được lưu trữ và quản lý tập trung, nhằm đảm bảo tốc

độ truy nhập, tính an toàn, tin cậy dữ liệu Mạng lưu trữ

SAN là một lựa chọn phù hợp cho giai đoạn trước mắt và

cả lâu dài

Chương cũng trình bày việc triển khai mô hình hệ thống lưu trữ dựa trên hệ thống file phân tán DFS của hệ điều hành Windows 2008 Server Hệ thống DFS cho phép tạo một hệ thống lưu trữ được quản lý tập trung, có tính an toàn, tin cậy cao với chi phí thấp Hơn nữa, luận văn cũng triển khai tính năng cân bằng tải, kết hợp với hệ thống DFS để cung cấp dịch vụ web có khả năng sẵn sàng cao

KẾT LUẬN

Xuất phát từ yêu cầu thực tế về yêu cầu quản lý và lưu trữ

dữ liệu của trường Cao đẳng nghề cơ điện và xây dựng Bắc ninh, luận văn tập trung nghiên cứu các các giải pháp xây dựng hệ thống lưu trữ theo mô hình mạng lưu trữ SAN Nhìn chung, SAN cho phép xây dựng các mạng lưu trữ đáp ứng các yêu cầu cao về hiệu năng, dung lượng và tính an toàn, tin cậy Cụ thể, luận văn đã đạt được các kết quả sau:

 Nghiên cứu tổng quan về mạng lưu trữ SAN;

 Nghiên cứu về các công nghệ truyền thông sử dụng trong SAN;

 Nghiên cứu sâu về hai loại SAN thông dụng là FC SAN dựa trên mạng truyền thông cáp quang và IP SAN dựa trên bộ giao thức TCP/IP của mạng Internet;

 Phân tích hiện trạng, đề ra các yêu cầu và đề ra mô hình SAN cho hệ thống lưu trữ tập trung của trường Cao đẳng nghề cơ điện và xây dựng Bắc ninh;

 Cài đặt thử nghiệm mô hình hệ thống lưu trữ dựa trên hệ thống file phân tán trên Windows 2008 Server;

 Cài đặt thử nghiệm ứng dụng cân bằng tải cho các máy chủ chạy trên hệ thống file phân tán trên Windows

mà vẫn đảm bảo hiệu năng cần thiết, thích hợp với các hệ thống lưu trữ cỡ nhỏ và vừa

 Triển khai thiết kế và cài đặt mô hình SAN trên thực tế tại trường Cao đẳng nghề Cơ điện và Xây dựng Bắc ninh, phục vụ tốt hơn yêu cầu tin học hóa công tác quản lý và đào tạo của nhà trường