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Impianti informatici
Sistemi di storage
Paolo Cremonesi
Sistemi di storage
2
1
10
100
1.000
10.000
100.000
1980 1985 1990 1995 2000 2005Den
sità
di in
form
azio
ne (M
bit/c
m2 )
1980-1991: 25% / anno
Aumento di capacità dei dischi
1992-1997: 65% / anno
1998-2001: 110% / anno
2002-2006: 25-40% / anno
Capacità e Prestazioni
Sistemi di storage
3
Capacità vs. Prestazioni
CapacityCapacity::Data per spindle
300 MB 300 GB 1000x
Crescita negli ultimi 30 anni
Performance:Performance:Random seek time
30 ms 3 ms 10x
Capacità e Prestazioni
Sistemi di storage
4
0,1
1
10
100
1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004
SCSI / FCATA
Speed optimized (SCSI/FC)
Capacity optimized (SCSI/FC)
Anno
Price optimized (ATA)
Den
sità
delle
rich
iest
e (IO
PS/G
B)
Le prestazioni perunità d’informazione sono crollate
Le prestazioni perunità d’informazione sono crollate
Capacità vs. Prestazioni
Capacità e Prestazioni
Impianti informatici
Sistemi di storage
Paolo Cremonesi
1
Rassegna delle architetture
Sistemi di storage
6
Modello generale di un sistema di storage
Storage Device
Network
Host level 2
Host level 1
Network
Storage Extent
Network
Network
Application
FileSystem Client
File SystemServer
StorageVirtualization
File I/O
Block I/O
MO
DE
LLO
FIS
ICO
MO
DE
LLO
LO
GIC
O
Sistemi di storage
7
Architetture a confronto: modello fisico
Host level 2
Host level 1
Storage Device
Direct Attached Storage(DAS)
Host level 2
Host level 1
Storage Device
Network Attached Storage(NAS)
Network
Storage Device
Network
Host level 2
Host level 1
Storage Area Network(SAN)
Sistemi di storage
8
Architetture a confronto: modello logico
Network Attached Storage(NAS)
Storage Extent
Network
Application
FileSystem Client
File SystemServer
StorageVirtualization
Direct Attached Storage(DAS)
Storage Extent
Application
File
System
StorageVirtualization
Storage Area Network(SAN)
Storage Extent
Network
Application
File
System
StorageVirtualization
Impianti informatici
Sistemi di storage
Paolo Cremonesi
2
Direct AttachedStorage (DAS)
Sistemi di storage
10
Direct Attached Storage (DAS)
HOSTHOSTHOST
STORAGE
oper
atin
gsy
stem
block I/O
APPLICATION
storage driver
volume manager
file system
SCSI controller
file I/O
Rassegna delle architetture
Sistemi di storage
11
DAS: Direct Attached Storage
Windows 2K/XP Linux/UnixNetware
LAN Ethernet
Linux/Unix Linux/Unix
Impianti informatici
Sistemi di storage
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3
NAS: Network Attached Storage
Sistemi di storage
13
NAS: Network Attached Storage
Windows 2K/XP Linux/UnixNetware
NASNAS
LAN Ethernet
Sistemi di storage
14
NAS: Network Attached Storage
NAS serverNAS serverNAS server
TCP/IP STORAGESTORAGE
file I/O
oper
atin
gsy
stem
block I/O
Ethernet NIC
NIC driver
TCP/IP stack
network file protocol
(NFS/CIFS)
NAS file access handler
storagedriver
volume manager
file system
SCSI controller
file I/O carried in IP packets
HOSTHOSTHOST
file I/O
oper
atin
gsy
stem
Ethernet NIC
NIC driver
TCP/IP stack
network file protocol(NFS/CIFS)
APPLICATION
file I/O
Rassegna delle architetture
Impianti informatici
Sistemi di storage
Paolo Cremonesi
4
SAN: Storage Area Network
Sistemi di storage
16
Connessione host-storage
Attached
NAS head
Connessione host-storage
Attached
NAS head
Protocollo
Fiber Channel
Altri protocolli
Protocollo
Fiber Channel
Altri protocolli
SAN: Storage Area Network
Rete dedicata all’accesso di device di storage
Sistemi di storage
17
SAN attached
Windows 2K/XP
Netware SANSwitch
SANSwitch
Linux/Unix
LAN
Eth
ern
et
SAN (Fiber Channel, iSCSI)
Storage
Sistemi di storage
18
SAN attached: Fiber Channel
SAN serverSAN serverSAN server
Fiber Channel STORAGESTORAGE
block I/O
SCSI controller
block I/O carried in FC packets
HOSTHOSTHOST
file I/O
oper
atin
gsy
stem
Fiber Channel HBA
HBA driver
Fiber Channel stack
file system
APPLICATION
volume manager
HBA driver
FC stack
SCSI
storagedriver
FiberChannel HBA
Rassegna delle architetture
Sistemi di storage
19
SAN + NAS head
SANSwitch
Windows 2K/XP
Netware
Linux/Unix
LAN
Eth
ern
et
SAN (Fiber Channel, iSCSI)
Storage
NAShead
Sistemi di storage
20
SAN + NAS head
NAS headNAS headNAS head
file I/O
oper
atin
gsy
stem
EthernetNIC
NIC driver
TCP/IP stack
network file protocol
(NFS/CIFS)
NAS file access handler
storagedriver
file systemvolume
manager
FC HBA
file I/O carried in IP
packets
HOSTHOSTHOST
file I/O
oper
atin
gsy
stem
Ethernet NIC
NIC driver
TCP/IP stack
network file protocol
(NFS/CIFS)
APPLICATION
file I/O
TCP/IP
SAN serverSAN serverSAN server
FiberChannel STORAGESTORAGE
block I/O
SCSI controller
block I/O carried in FC
packets
HBA driver
FC stack
SCSI
storagedriver
FC HBA
FC stack
HBA driver
Rassegna delle architetture
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5
Il protocollo Fibre Channel (FC)
Sistemi di storage
Prestazioni della rete Ethernet
0
100
200
300
400
500
600
700
1518 9018
Frame size
Thro
ughp
ut (M
bps)
0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
Util
izzo
del
la C
PU
Throuhput della reteUtilizzo della CPU
Sistemi di storage
23
Problemi degli storage network su TCP/IP
La pila TCP/IP su Ethernet ha una serie di overheadgestione dei frame Ethernet (overhead sulla rete)dimensione dei frame Ethernet (overhead sulla CPU)routing dei pacchetti IP (overhead sugli apparati di rete)
Gli overhead aumentano con il volume dei dati trasferiti
Sistemi di storage
24
Il protocollo Fibre Channel
Combina le caratteristiche migliori del bus locali, per quanto riguarda la semplicità e la velocitàdei protocolli di rete, per quanto riguarda la flessibilità e la capacità di realizzare reti estese e con topologie complesse
CaratteristicheCollegamenti full-duplexThroughput di 1600 MbpsSupporto per connessioni fino a 10 kmConnettori piccoliUtilizzo di componenti standard
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25
Architettura del protocollo Fiber Channel
Upp
erLa
yer
Upp
erLa
yer
Common serviceCommon service
MappingMapping FC-4
FC-3
Phys
ical
Laye
rPh
ysic
alLa
yer Framing protocolFraming protocol FC-2
Transmission protocolTransmission protocol FC-1
Physical mediaPhysical media FC-0
ApplicationsApplications
Sistemi di storage
26
ApplicationsApplicationsApplicationsApplications
ApplicationsApplications
Architettura del protocollo Fiber Channel
Common serviceCommon serviceMappingMapping FC-4
FC-3
Framing protocolFraming protocol FC-2
Transmission protocolTransmission protocol FC-1
Physical mediaPhysical media FC-0
PresentationPresentation
TCP/UDP
TCP/IP OSI
TCP/UDP
IPIP
Network InterfaceNetwork Interface
SessionSession
TransportTransport
NetworkNetwork
Data LinkData Link
Physical MediaPhysical Media
FC
Sistemi di storage
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Fibre Ottiche
125 μm diametro
Core 9, 50, 62.5μm diametro
Cladding
Outer coating250 μm diametro
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Elementi di una rete Fibre Channel
Nodi Fabric
Sistemi di storage
Il protocollo Fibre Channel è disegnato per operare con gli stessi tipi di cablaggi utilizzati per le reti GigabitGigabit EthernetGli apparati di rete però sono diversiEsistono
Fibre Channel hubFibre Channel switch
Apparati di rete
Sistemi di storage
30
Vantaggi offerti dallo standard Fibre Channel:
Miglioramento delle prestazioni, capacità e affidabilitàdei sistemi di memorizzazione e della rete di computer.
Aggiunta o rimozione dei dispositivi (RAID, librerie, dischi, eccetera), senza alcuna interruzione del servizio; possibilità di collegare i diversi dispositivi direttamente in rete, raggiungendo maggiori distanze tra i server e i dispositivi di memorizzazione (fino a 10 km), e assicurando l’integrità dei dati lungo l’intera connessione.
Sistemi di storage
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Fibre Channel vs. Ethernet
A favore del Fibre ChannelElevato overhead del TCP/IP su Ethewrnet10-gigabit Ethernet ècostosaFibre Channel ha prestazioni migliori rispetto alla gigabitEthernet
A favore di Ethernet1-gigabit Ethernet èmeno costosa rispetto al Fibre ChannelLe infrastrutture IP ed Ethernet sono presenti ovunque è ben conosciuteE’ possibile riutilizzare apparati di rete e di storage già esistenti
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Topologie Fiber channel
Point to pointconnessione singola fra due nodi
Loopla bandwidth è suddivisa fra tutti i nodi connessi al loopogni nodo è connesso ai suoi adiacenti
Arbitrated loopdue o più porte sono fra loro connesse connesse ma solo due alla volta possono comunicare nello stesso tempo
Switched or fabricuno switch permette connessioni multiple fra nodicircuit switch stabilisce una connessione dedicata fra nodiframe switch stabilisce la connessione solo quando ènecessaria (switched fabric)
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6
Altri protocolli per SAN
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Protocolli per il network storage
Bus SCSI
Ethernet
Rame Fibre ottiche
Fibrechannel
SCSImappingTCP/IP
iSCSISCSI over IP
Dispositivi di storage
Ethernet
TCP/IP
FCIPFibre Channel
over IP
SCSImapping
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iSCSI: protocollo “economico” per SAN
Pregida 4 a 10 volte meno costosanon ci sono costi di nuovo hardware
Difettinon ha le stesse prestazioni di FC
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36
Il protocollo iSCSI
Session
Network
Data-link / physical
Transport
FTP SMTP iSCSI SNMP DHCP
TCP UDP
IP
Ethernet TokenRing SONET FDDI
iSCSI
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SAN attached: iSCSI
TCP/IP STORAGESTORAGE
block I/O
block I/O carried in IP packets
HOSTHOSTHOST
file I/O
oper
atin
gsy
stem
Ethernet NIC
NIC driver
APPLICATION
file system
volume manager
TCP/IP stack
iSCSI
SAN serverSAN serverSAN server
SCSI controller
NIC driver
TCP/IP stack
iSCSI / SCSI
storagedriver
Ethernet NIC
Rassegna delle architetture
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Fibre Channel su IP (FCIP)
Fibre Channel Frame
SOF
SOF FC
Header SCSI Data
IPHeader IP Payload
CR
C
EOF
FCIP Encapsulation
CR
CIP Datagram
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Connessione di SAN con FCIP
SAN
SAN
FC FabricSwitch
Servers
StorageSystem
Disk Storage
Tape Storage
FCIP Gateway
IP EdgeRouter
Metro Network Element (SONET, WDM, IP Router)
Rete IPMAN / WAN
LAN
SAN
LAN
IP LAN Switch
IP Optical (OC-48c, OC-12c, o Gigabit Ethernet )Gigabit EthernetFibre ChannelEthernet (10BT or 100BT)Apparati di rete FCIP
FCIP richiede apparati per:• FCIP encapsulation• IP routing• Optical IP interfaces• FC switching
FCIP richiede apparati per:• FCIP encapsulation• IP routing• Optical IP interfaces• FC switching
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Data Center #2
FCIP Gateway
Scenari di utilizzo del FCIP
LAN
SAN
Data Center #1
FCIP Gateway
SAN
LAN
Rete IPMAN / WAN
Remote BackupRemote Backup
Dati sensbilied on-line
Dati sensbilied on-line
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7
Esempi di apparati di storage
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DAS e NAS di fascia bassa
Server Rack di 3-4 RackUnit con dischi rigidi ATA o SATACosti bassi (2K€ al TB)Buona flessibilità nella gestione (Linux Box)Apparati basati su server biprocessore Intel con 16 dischi da 250 GB
4TB Lordi, 3 TB Netti Raid5+2HotSpareProblemi rilevati più frequentemente:
Guasti frequenti di dischi e controller
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NAS di fascia alta
Apparati complessiProduttori principali
EmC2 (DELL), NetApp, Procom, IBMCosti alti (6-8K€ al TB)Scalano fino a dimensioni di decine di TBSistemi chiusi
esportano i propri volumi via NFS, CIFS, HTTP e HTTPS
Possono esportare porzioni di spazio disco Via FC (Verso una SAN) o via iSCSI
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SAN: Principali componenti“Shelf” di dischi
dischi “semplici”da 8 a 16 dischi1 o 2 controller RAIDnumero di uscite Fibre Channel comprese fra 2 e 4
Tecnologia dei dischi: FC, SCSI, ATA o SATAConfigurazione raid set e creazione di partizioni logichePiu array con hot spare dedicati o con un unico hot spareglobalePrincipali produttori
Axus (Brownie), Dell, Infortrend, RAIDTech, Prezzi indicativi per soluzioni ATA to FC:
2-2,8 K€ al TB
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Array (10 Blade)
Blade (5 HD ADA)
Esempio: BladeStore di Storagetek
Blade:è l’unità di base del sistema ed è composto da 5 dischi in tecnologia ATA
Array:contiene fino a 10 Balde
Sistema Bladestore:1 Control Module + Max. 12 Array
Massima Espandibilità12*10*5*250GB = 150TB