что означает систематизированное хранилище информации
Хранение данных. Или что такое NAS, SAN и прочие умные сокращения простыми словами
TL;DR: Вводная статья с описанием разных вариантов хранения данных. Будут рассмотрены принципы, описаны преимущества и недостатки, а также предпочтительные варианты использования.
Зачем это все?
Хранение данных — одно из важнейших направлений развития компьютеров, возникшее после появления энергонезависимых запоминающих устройств. Системы хранения данных разных масштабов применяются повсеместно: в банках, магазинах, предприятиях. По мере роста требований к хранимым данным растет сложность хранилищ данных.
Надежно хранить данные в больших объемах, а также выдерживать отказы физических носителей — весьма интересная и сложная инженерная задача.
Хранение данных
Под хранением обычно понимают запись данных на некоторые накопители данных, с целью их (данных) дальнейшего использования. Опустим исторические варианты организации хранения, рассмотрим подробнее классификацию систем хранения по разным критериям. Я выбрал следующие критерии для классификации: по способу подключения, по типу используемых носителей, по форме хранения данных, по реализации.
По способу подключения есть следующие варианты:
подключение дисков в сервере
дисковая полка, подключаемая по FC
По типу используемых накопителей возможно выделить:
Если рассматривать форму хранения данных, то явно выделяются следующие:
По реализации достаточно сложно провести четкие границы, однако можно отметить:
RAID контроллер от компании Fujitsu
пример организации LVM с шифрованием и избыточностью в виртуальной машине Linux в облаке Azure
Давайте рассмотрим более детально некоторые технологии, их достоинства и недостатки.
Direct Attached Storage — это исторически первый вариант подключения носителей, применяемый до сих пор. Накопитель, с точки зрения компьютера, в котором он установлен, используется монопольно, обращение с накопителем происходит поблочно, обеспечивая максимальную скорость обмена данными с накопителем с минимальными задержками. Также это наиболее дешевый вариант организации системы хранения данных, однако не лишенный своих недостатков. К примеру если нужно организовать хранение данных предприятия на нескольких серверах, то такой способ организации не позволяет совместное использование дисков разных серверов между собой, так что система хранения данных будет не оптимальной: некоторые сервера будут испытывать недостаток дискового пространства, другие же — не будут полностью его утилизировать:
Конфигурации систем с единственным накопителем применяются чаще всего для нетребовательных нагрузок, обычно для домашнего применения. Для профессиональных целей, а также промышленного применения чаще всего используется несколько накопителей, объединенных в RAID-массив программно, либо с помощью аппаратной карты RAID для достижения отказоустойчивости и\или более высокой скорости работы, чем единичный накопитель. Также есть возможность организации кэширования наиболее часто используемых данных на более быстром, но менее емком твердотельном накопителе для достижения и большой емкости и большой скорости работы дисковой подсистемы компьютера.
Storage area network, она же сеть хранения данных, является технологией организации системы хранения данных с использованием выделенной сети, позволяя таким образом подключать диски к серверам с использованием специализированного оборудования. Так решается вопрос с утилизацией дискового пространства серверами, а также устраняются точки отказа, неизбежно присутствующие в системах хранения данных на основе DAS. Сеть хранения данных чаще всего использует технологию Fibre Channel, однако явной привязки к технологии передачи данных — нет. Накопители используются в блочном режиме, для общения с накопителями используются протоколы SCSI и NVMe, инкапсулируемые в кадры FC, либо в стандартные пакеты TCP, например в случае использования SAN на основе iSCSI.
Давайте разберем более детально устройство SAN, для этого логически разделим ее на две важных части, сервера с HBA и дисковые полки, как оконечные устройства, а также коммутаторы (в больших системах — маршрутизаторы) и кабели, как средства построения сети. HBA — специализированный контроллер, размещаемый в сервере, подключаемом к SAN. Через этот контроллер сервер будет «видеть» диски, размещаемые в дисковых полках. Сервера и дисковые полки не обязательно должны размещаться рядом, хотя для достижения высокой производительности и малых задержек это рекомендуется. Сервера и полки подключаются к коммутатору, который организует общую среду передачи данных. Коммутаторы могут также соединяться с собой с помощью межкоммутаторных соединений, совокупность всех коммутаторов и их соединений называется фабрикой. Есть разные варианты реализации фабрики, я не буду тут останавливаться подробно. Для отказоустойчивости рекомендуется подключать минимум две фабрики к каждому HBA в сервере (иногда ставят несколько HBA) и к каждой дисковой полке, чтобы коммутаторы не стали точкой отказа SAN.
Недостатками такой системы являются большая стоимость и сложность, поскольку для обеспечения отказоустойчивости требуется обеспечить несколько путей доступа (multipath) серверов к дисковым полкам, а значит, как минимум, задублировать фабрики. Также в силу физических ограничений (скорость света в общем и емкость передачи данных в информационной матрице коммутаторов в частности) хоть и существует возможность неограниченного подключения устройств между собой, на практике чаще всего есть ограничения по числу соединений (в том числе и между коммутаторами), числу дисковых полок и тому подобное.
Network attached storage, или сетевое файловое хранилище, представляет дисковые ресурсы в виде файлов (или объектов) с использованием сетевых протоколов, например NFS, SMB и прочих. Принципиально базируется на DAS, но ключевым отличием является предоставление общего файлового доступа. Так как работа ведется по сети — сама система хранения может быть сколько угодно далеко от потребителей (в разумных пределах разумеется), но это же является и недостатком в случае организации на предприятиях или в датацентрах, поскольку для работы утилизируется полоса пропускания основной сети — что, однако, может быть нивелировано с использованием выделенных сетевых карт для доступа к NAS. Также по сравнению с SAN упрощается работа клиентов, поскольку сервер NAS берет на себя все вопросы по общему доступу и т.п.
Unified storage
Универсальные системы, позволяющие совмещать в себе как функции NAS так и SAN. Чаще всего по реализации это SAN, в которой есть возможность активировать файловый доступ к дисковому пространству. Для этого устанавливаются дополнительные сетевые карты (или используются уже существующие, если SAN построена на их основе), после чего создается файловая система на некотором блочном устройстве — и уже она раздается по сети клиентам через некоторый файловый протокол, например NFS.
Software-defined storage — программно определяемое хранилище данных, основанное на DAS, при котором дисковые подсистемы нескольких серверов логически объединяются между собой в кластер, который дает своим клиентам доступ к общему дисковому пространству.
Наиболее яркими представителями являются GlusterFS и Ceph, но также подобные вещи можно сделать и традиционными средствами (например на основе LVM2, программной реализации iSCSI и NFS).
N.B. редактора: У вас есть возможность изучить технологию сетевого хранилища Ceph, чтобы использовать в своих проектах для повышения отказоустойчивости, на нашем практическим курсе по Ceph. В начале курса вы получите системные знания по базовым понятиям и терминам, а по окончании научитесь полноценно устанавливать, настраивать и управлять Ceph. Детали и полная программа курса здесь.
Пример SDS на основе GlusterFS
Из преимуществ SDS — можно построить отказоустойчивую производительную реплицируемую систему хранения данных с использованием обычного, возможно даже устаревшего оборудования. Если убрать зависимость от основной сети, то есть добавить выделенные сетевые карты для работы SDS, то получается решение с преимуществами больших SAN\NAS, но без присущих им недостатков. Я считаю, что за подобными системами — будущее, особенно с учетом того, что быстрая сетевая инфраструктура более универсальная (ее можно использовать и для других целей), а также дешевеет гораздо быстрее, чем специализированное оборудование для построения SAN. Недостатком можно назвать увеличение сложности по сравнению с обычным NAS, а также излишней перегруженностью (нужно больше оборудования) в условиях малых систем хранения данных.
Гиперконвергентные системы
Подавляющее большинство систем хранения данных используется для организации дисков виртуальных машин, при использовании SAN неизбежно происходит удорожание инфраструктуры. Но если объединить дисковые системы серверов с помощью SDS, а процессорные ресурсы и оперативную память с помощью гипервизоров отдавать виртуальным машинам, использующим дисковые ресурсы этой SDS — получится неплохо сэкономить. Такой подход с тесной интеграцией хранилища совместно с другими ресурсами называется гиперконвергентностью. Ключевой особенностью тут является способность почти бесконечного роста при нехватке ресурсов, поскольку если не хватает ресурсов, достаточно добавить еще один сервер с дисками к общей системе, чтобы нарастить ее. На практике обычно есть ограничения, но в целом наращивать получается гораздо проще, чем чистую SAN. Недостатком является обычно достаточно высокая стоимость подобных решений, но в целом совокупная стоимость владения обычно снижается.
Облака и эфемерные хранилища
Логическим продолжением перехода на виртуализацию является запуск сервисов в облаках. В предельном случае сервисы разбиваются на функции, запускаемые по требованию (бессерверные вычисления, serverless). Важной особенностью тут является отсутствие состояния, то есть сервисы запускаются по требованию и потенциально могут быть запущены столько экземпляров приложения, сколько требуется для текущей нагрузки. Большинство поставщиков (GCP, Azure, Amazon и прочие) облачных решений предлагают также и доступ к хранилищам, включая файловые и блочные, а также объектные. Некоторые предлагают дополнительно облачные базы, так что приложение, рассчитанное на запуск в таком облаке, легко может работать с подобными системами хранения данных. Для того, чтобы все работало, достаточно оплатить вовремя эти услуги, для небольших приложений поставщики вообще предлагают бесплатное использование ресурсов в течение некоторого срока, либо вообще навсегда.
Из недостатков: могут заблокировать аккаунт, на котором все работает, что может привести к простоям в работе. Также могут быть проблемы со связностью и\или доступностью таких сервисов по сети, поскольку такие хранилища полностью зависят от корректной и правильной работы глобальной сети.
Заключение
Надеюсь, статья была полезной не только новичкам. Предлагаю обсудить в комментариях дополнительные возможности систем хранения данных, написать о своем опыте построения систем хранения данных.
Конспект на тему » Базы данных. СУБД»
Описание презентации по отдельным слайдам:
Базы Данных. Опорный конспект Маливанова Т.А. Учитель информатики «Гимназия №4»
Деление БД по способу организации данных и связей между ними
Реляционная БД. Особенности БД Термин «реляционный» (от латинского relation – отношение) указывает на то, что такая модель хранения данных построена на взаимоотношении её составляющих. Отношения приводятся в виде двухмерных таблиц.
Свойства реляционной БД Каждая ячейка таблицы – один элемент данных. Все столбцы таблицы являются однородными, то есть имеют одинаковый тип. Каждый столбец (поле) имеет уникальные имя. Одинаковые строки в таблице отсутствуют. Порядок следования строк в таблице может быть произвольным и определяется количеством полей, количеством записей, количеством данных. Реляционная модель данных, как правило, состоит из нескольких таблиц, которые связываются между собой ключами. Ключ (ключевое поле БД) – поле или несколько полей, которые однозначно определяют (идентифицируют) запись.
Проектирование БД Этапы проектирования БД
Создание реляционной БД Правило 1. Разработать структуру таблиц на бумаге.
Правило 2. При проектировании нужно правильно определить типы данных, которые заносятся в поля таблицы.
Курс повышения квалификации
Дистанционное обучение как современный формат преподавания
Курс профессиональной переподготовки
Методическая работа в онлайн-образовании
Курс профессиональной переподготовки
Математика и информатика: теория и методика преподавания в образовательной организации
Ищем педагогов в команду «Инфоурок»
Номер материала: ДБ-1070513
Не нашли то что искали?
Вам будут интересны эти курсы:
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.
Безлимитный доступ к занятиям с онлайн-репетиторами
Выгоднее, чем оплачивать каждое занятие отдельно
Учителям предлагают 1,5 миллиона рублей за переезд в Златоуст
Время чтения: 1 минута
ДНР полностью перешла на стандарты и программы России в образовании
Время чтения: 1 минута
Учителя Кубани смогут получить миллион рублей на взнос по ипотеке
Время чтения: 1 минута
Путин поручил не считать выплаты за классное руководство в средней зарплате
Время чтения: 1 минута
В Ленобласти педагоги призеров и победителей олимпиады получат денежные поощрения
Время чтения: 1 минута
В Якутии проведут первую в РФ федеральную олимпиаду по родным языкам
Время чтения: 1 минута
Подарочные сертификаты
Ответственность за разрешение любых спорных моментов, касающихся самих материалов и их содержания, берут на себя пользователи, разместившие материал на сайте. Однако администрация сайта готова оказать всяческую поддержку в решении любых вопросов, связанных с работой и содержанием сайта. Если Вы заметили, что на данном сайте незаконно используются материалы, сообщите об этом администрации сайта через форму обратной связи.
Все материалы, размещенные на сайте, созданы авторами сайта либо размещены пользователями сайта и представлены на сайте исключительно для ознакомления. Авторские права на материалы принадлежат их законным авторам. Частичное или полное копирование материалов сайта без письменного разрешения администрации сайта запрещено! Мнение администрации может не совпадать с точкой зрения авторов.
Разбираемся вместе: что такое система хранения данных
Надёжное хранение данных — задача, которую приходится решать каждому бизнесу. Но когда повышаются объёмы информации, растут и требования к надёжности хранения данных. Чтобы организовать наилучшую работу с информацией, стоит обратиться к СХД — системе хранения данных.
В материале расскажем о том, что такое и как устроены СХД, какие проблемы они решают, как классифицируются и на какие характеристики следует смотреть в первую очередь, если вы не так давно в этой отрасли.
Что такое СХД и какие проблемы она решает
СХД (Система хранения данных или Сервер хранения данных) — это устройство для хранения и управления данными, их резервного копирования. Она призвана решить типичные проблемы, связанные с растущими объёмами информации в любой организации.
Если раньше все данные могли храниться буквально на одном жёстком диске, то сейчас любая функциональная система требует отдельного хранилища – к примеру, серверов электронной почты, СУБД, домена и так далее. Поэтому с помощью СХД можно организовать децентрализацию информации (рассредоточение её по разным хранилищам).
Лавинообразный рост размера информации, который вызван, с одной стороны, ужесточением регулирования и требованием сохранять всё больше информации, связанной с ведением бизнеса. С другой стороны, ужесточение конкуренции требует всё более глубокого анализа информации о рынке, клиентах, их предпочтениях, заказах и действиях конкурентов. Но количества жёстких дисков, которые вы можете установить в конкретный сервер, не может покрыть необходимую системе ёмкость. В этом тоже может помочь СХД.
Хранение данных — не единственная функция современных СХД. Они также предлагают экономить место в хранилище с помощью дедупликации и компрессии. Компрессия позволяет системе сжимать файлы, исключая избыточную информацию, а дедупликация помогает экономить место для хранения, исключая избыточные файлы и оставляя лишь ссылки на них.
Некоторым компаниям тяжело контролировать и ограничивать доступ из-за политики безопасности предприятия. Например, касается как доступа к данным по существующим для этого каналам (локальная сеть), так и физического доступа к носителям.
Также отметим высокие затраты используемых ресурсов для поддержания работоспособности всей информационной системы предприятия, начиная от необходимости содержать большой штат квалифицированного персонала и заканчивая многочисленными недешёвыми аппаратными решениями.
Устройство СХД
Основные компоненты типичной СХД — массив жёстких дисков (HDD или SSD), кэш-память, контроллер дискового массива, внешний корпус и несколько блоков питания.
Главная фишка СХД — это скорость работы дисковой системы. Например, если ваши диски стоят внутри сервера они не будут работать с такой же производительностью, как сервер подключённый к СХД.
Какие бывают системы хранения данных
Существует классификация СХД: они делятся на файловые, блочные и объектные. Каждый вид СХД определяет в каком виде хранятся данные, способ доступа к ним, и, как результат, простоту управления и скорость доступа к данным.
Файловые
Хранят информацию в виде файлов, собранных в каталоги (папки). Файлы организуются и извлекаются благодаря метаданным, которые сообщают, где находится тот или иной файл. Условно такую систему можно представить в виде каталога.
Блочные
Данные хранятся независимо друг от друга. Каждому такому блоку присваивается идентификатор, который позволяет системе размещать каждый блок, где ей удобно. Блочные хранилища не полагаются на единственный путь к данным (в отличии от файловых хранилищ).
Объектные
Расщепляют файлы на «объекты», которые находятся в одном, общем хранилище. Оно может быть поделено на тома, каждый из которых может иметь уникальный идентификатор и подробные метаданные, которые позволяют быстро находить объекты. Подобный подход — это распределённая система.
Принцип работы СХД — NAS, SAN и DAS
Существует несколько аппаратных компонентов, программного обеспечения и протоколов, которые в конечном итоге придают решениям для хранения данных их особые свойства.
На основе классификации выше выделяют два основных типа СХД: они различаются уровнем хранения, чтения и записи данных.
О каждом из них расскажем подробнее.
NAS расшифровывается как Network Attached Storage, что можно условно перевести как сетевое хранилище. Поскольку данные обрабатываются на уровне файлов, сервер представляется NAS как сетевой сервер со своей собственной файловой системой.
Если объяснить проще — представьте себе стационарный компьютер, который подключён к домашнему роутеру. На нём хранятся фото, видео, документы и другие данные. Сетевой доступ разрешен всем пользователям — приблизительно так выглядит NAS.
NAS-хранилище может принимать разные формы. Например, к производственному серверу могут быть подключены другие серверы, виртуальные машины или так называемые дисковые станции, на которых находится другое количество съёмных жестких дисков.
Преимущества NAS:
Недостатки NAS:
DAS расшифровывается как Direct Attach Storage — прямое подключение к рабочей станции, хранилищу). Например, подключение внешнего диска по USB условно можно назвать DAS.
Из принципиальной простоты архитектуры DAS следуют её основные преимущества: доступная цена и относительная простота внедрения. Кроме того, такой конфигурацией легче управлять ввиду хотя бы того, что число элементов системы мало.
Внутри системы находится блок питания, охлаждение и RAID-контроллер, который обеспечивает надёжность и отказоустойчивость хранилища. Управляется при помощи встроенной операционной системы.
Достоинства DAS:
Недостатки DAS:
В свою очередь SAN — это сети хранения данных. Как правило они представлены в виде внешних хранилищ на нескольких сетевых блочных устройствах и реализованы в виде протокола FC (Fiber Channel) или iSCSI (Internet Small Computer System Interface). Это блочный доступ непосредственно к устройству хранения — диску или наборов дисков в виде RAID-групп или логических устройств.
Кстати, вышеупомянутый DAS может быть очень мощным и часто более дешёвым, чем SAN. Однако в то же время недостаток DAS в том, что он не может быть легко расширен — количество подключённых компьютеров ограничено физическим количеством портов SAS на DAS (обычно их всего четыре). Поэтому многие компании и учреждения предпочитают выбирать блочные хранилища, подключенные через SAN.
Преимущества SAN:
Недостатки SAN:
Как выбрать СХД?
В первую очередь нужно понимать, какие задачи она будет решать. Важно определиться с несколькими базовыми параметрами.
Тип данных
Разные типы данных требуют разной скорости доступа, технологий обработки, компрессии и так далее. К примеру, виртуальный СХД для работы с большими медиа-файлами отличается от той системы, которая будет работать с неструктурированными данными для нейросети.
Объём данных
От этого зависит выбор дисковых накопителей. Иногда можно обойтись SSD потребительского класса — если известно, что ёмкость СХД даже в худшем случае не будет превышать 300 ГБ, а скорость доступа не критична.
Отказоустойчивость
Необходимо представлять, какова стоимость потери данных за определённое время. Это поможет рассчитать RPO (Recovery-Point Objective) и RTO (Recovery Time Objective), а также избежать лишних затрат на резервное копирование. Бэкапы, бэкапы и ещё раз бэкапы.
Производительность
Если СХД закупается под новый проект (нагрузку которого сложно предугадать), то лучше пообщаться с коллегами, которые уже решали эту задачу или протестировать СХД.
Вендор
Иногда даже для ресурсоемкого сервиса подойдет бюджетное или среднеуровневое решение (StarWind, Huawei, Fujitsu). Однако у топовых производителей — NetApp, HPE, Dell EMC — линейка продуктов достаточно широкая, и сравнительно недорогие СХД здесь также можно найти. В любом случае, желательно сильно не расширять количество вендоров на одной инфраструктуре.
Если сейчас вы находитесь в поисках решения для работы с данными, арендовать выделенный web-сервер и СХД (системы хранения данных) можно в одном из наших ЦОД. Мы, со своей стороны, обеспечим сервер быстрым соединением с интернетом на скорости до 10 Гбит/сек, постоянным подключением к электричеству и поддержкой 27/7 ;).