Изграждане на мащабируеми и надеждни системи за съхранение: Цялостно ръководство

В днешния свят, управляван от данни, способността за съхраняване, управление и достъп до огромни количества информация е от решаващо значение за организации от всякакъв мащаб. От малки стартъпи до мултинационални корпорации, нуждата от стабилни и мащабируеми системи за съхранение е от първостепенно значение. Това цялостно ръководство изследва принципите, архитектурите, технологиите и най-добрите практики за изграждане на решения за съхранение, които могат да отговорят на непрекъснато нарастващите изисквания на съвременните приложения и работни натоварвания. Ще разгледаме различни аспекти, за да гарантираме, че читатели с различен технически опит могат да схванат основните концепции и да ги приложат към своите специфични нужди.

Разбиране на основите на системите за съхранение

Преди да се потопим в спецификата на изграждането на системи за съхранение, е важно да разберем основните концепции и терминология. Този раздел ще обхване ключовите компоненти и характеристики, които определят една система за съхранение.

Ключови компоненти на системите за съхранение

• Носители за съхранение: Физическият носител, използван за съхраняване на данни, като твърди дискове (HDD), твърдотелни дискове (SSD) и магнитни ленти. Изборът на носител зависи от фактори като цена, производителност и издръжливост.
• Контролери за съхранение: Интерфейсът между носителите за съхранение и хост системата. Контролерите управляват достъпа до данни, корекцията на грешки и други операции на ниско ниво. Примерите включват RAID контролери, SAS контролери и SATA контролери.
• Мрежова свързаност: Мрежовата инфраструктура, която свързва системата за съхранение с хост системите. Често срещаните мрежови технологии включват Ethernet, Fibre Channel и InfiniBand. Изборът зависи от изискванията за пропускателна способност и ограниченията за латентност.
• Софтуер за съхранение: Софтуерът, който управлява системата за съхранение, включително операционни системи, файлови системи, мениджъри на томове и инструменти за управление на данни. Този софтуер предоставя функции като защита на данни, репликация и контрол на достъпа.

Ключови характеристики на системите за съхранение

• Капацитет: Общото количество данни, което системата за съхранение може да побере, измерено в байтове (напр. терабайти, петабайти).
• Производителност: Скоростта, с която данните могат да се четат и записват в системата за съхранение, измерена в I/O операции в секунда (IOPS) и пропускателна способност (MB/s).
• Надеждност: Способността на системата за съхранение да работи без отказ и да защитава данните от загуба или повреда. Измерва се с метрики като Средно време между отказите (MTBF).
• Наличност: Процентът от времето, през което системата за съхранение е в работно състояние и достъпна. Системите с висока наличност са проектирани да минимизират времето на престой.
• Мащабируемост: Способността на системата за съхранение да расте по капацитет и производителност според нуждите. Мащабируемостта може да бъде постигната чрез техники като добавяне на повече носители за съхранение, надграждане на контролери или разпределяне на системата за съхранение между множество възли.
• Цена: Общата цена на притежание (TCO) на системата за съхранение, включително хардуер, софтуер, поддръжка и оперативни разходи.
• Сигурност: Способността за защита на данните от неоторизиран достъп и промяна, включително контрол на достъпа, криптиране и маскиране на данни.
• Управляемост: Лекотата, с която системата за съхранение може да бъде управлявана, наблюдавана и поддържана, включително функции като дистанционно управление, автоматизация и отчитане.

Архитектури за съхранение: Избор на правилния подход

Различните архитектури за съхранение предлагат различни компромиси по отношение на производителност, мащабируемост, надеждност и цена. Разбирането на тези архитектури е от решаващо значение за избора на правилното решение за дадено приложение или работно натоварване.

Директно свързано хранилище (DAS)

DAS е традиционна архитектура за съхранение, при която устройствата за съхранение са директно свързани към хост сървър. Това е просто и рентабилно решение за малки внедрявания, но му липсват възможности за мащабиране и споделяне.

Предимства на DAS:

• Лесен за настройка и управление
• Ниска латентност
• Рентабилен за малки внедрявания

Недостатъци на DAS:

• Ограничена мащабируемост
• Няма възможности за споделяне
• Единна точка на отказ
• Труден за управление в големи среди

Мрежово свързано хранилище (NAS)

NAS е архитектура за съхранение на файлово ниво, при която устройствата за съхранение са свързани към мрежа и се достъпват от клиенти чрез протоколи за споделяне на файлове като NFS (Network File System) и SMB/CIFS (Server Message Block/Common Internet File System). NAS предоставя централизирано съхранение и възможности за споделяне, което го прави подходящ за файлови услуги, архивиране и архивиране.

Предимства на NAS:

• Централизирано съхранение и споделяне
• Лесен за управление
• Сравнително ниска цена
• Подходящ за файлови услуги и архивиране

Недостатъци на NAS:

• Ограничена производителност за приложения с високи изисквания
• Може да бъде „тясно място“ за мрежовия трафик
• По-малко гъвкав от SAN

Мрежа за съхранение на данни (SAN)

SAN е архитектура за съхранение на блоково ниво, при която устройствата за съхранение са свързани към специална мрежа и се достъпват от сървъри чрез протоколи на блоково ниво като Fibre Channel (FC) и iSCSI (Internet Small Computer System Interface). SAN осигурява висока производителност и мащабируемост, което го прави подходящ за взискателни приложения като бази данни, виртуализация и видео редактиране.

Предимства на SAN:

• Висока производителност
• Мащабируемост
• Гъвкавост
• Централизирано управление

Недостатъци на SAN:

• Сложен за настройка и управление
• Висока цена
• Изисква специализирана експертиза

Обектно съхранение

Обектното съхранение е архитектура за съхранение, при която данните се съхраняват като обекти, а не като файлове или блокове. Всеки обект се идентифицира с уникален идентификатор и съдържа метаданни, които го описват. Обектното съхранение е силно мащабируемо и издръжливо, което го прави подходящо за съхранение на големи количества неструктурирани данни, като изображения, видеоклипове и документи. Услугите за облачно съхранение като Amazon S3, Google Cloud Storage и Azure Blob Storage се основават на обектно съхранение.

Предимства на обектното съхранение:

• Висока мащабируемост
• Висока издръжливост
• Рентабилен за големи количества данни
• Подходящ за неструктурирани данни

Недостатъци на обектното съхранение:

• Не е подходящ за транзакционни работни натоварвания
• Ограничена производителност за малки обекти
• Изисква специализирани API

Хиперконвергирана инфраструктура (HCI)

HCI е конвергирана инфраструктура, която комбинира изчислителни, съхранителни и мрежови ресурси в една-единствена, интегрирана система. HCI опростява управлението и внедряването, което я прави подходяща за виртуализирани среди и частни облаци. Обикновено използва софтуерно дефинирано съхранение (SDS), за да абстрахира основния хардуер и да предостави функции като защита на данни, репликация и дедупликация.

Предимства на HCI:

• Опростено управление
• Мащабируемост
• Рентабилен за виртуализирани среди
• Интегрирана защита на данните

Недостатъци на HCI:

• „Заключване“ към доставчик
• Ограничена гъвкавост
• Може да бъде по-скъп от традиционната инфраструктура за определени работни натоварвания

Технологии за съхранение: Избор на правилните носители и протоколи

Изборът на носители и протоколи за съхранение играе решаваща роля при определяне на производителността, надеждността и цената на системата за съхранение.

Носители за съхранение

• Твърди дискове (HDD): HDD са традиционни устройства за съхранение, които използват магнитни плочи за съхраняване на данни. Те предлагат голям капацитет на сравнително ниска цена, но имат по-ниска производителност в сравнение със SSD. HDD са подходящи за съхранение на големи количества данни, до които не се осъществява чест достъп, като архиви и резервни копия.
• Твърдотелни дискове (SSD): SSD са устройства за съхранение, които използват флаш памет за съхраняване на данни. Те предлагат много по-висока производителност от HDD, но са по-скъпи за гигабайт. SSD са подходящи за приложения, които изискват висока производителност, като бази данни, виртуализация и видео редактиране.
• NVMe (Non-Volatile Memory Express): NVMe е протокол за интерфейс за съхранение, проектиран специално за SSD. Той предлага още по-висока производителност от традиционните SATA и SAS интерфейси. NVMe SSD са идеални за приложения, които изискват възможно най-ниска латентност.
• Магнитна лента: Магнитната лента е носител за съхранение с последователен достъп, който се използва за архивиране и дългосрочно съхранение на данни. Лентата е много рентабилна за съхранение на големи количества данни, до които се осъществява рядко достъп.

Протоколи за съхранение

• SATA (Serial ATA): SATA е стандартен интерфейс за свързване на HDD и SSD към компютърна система. Това е сравнително евтин интерфейс с добра производителност за общи приложения.
• SAS (Serial Attached SCSI): SAS е високопроизводителен интерфейс за свързване на HDD и SSD към компютърна система. Той предлага по-голяма пропускателна способност и по-усъвършенствани функции от SATA.
• Fibre Channel (FC): Fibre Channel е високоскоростна мрежова технология, използвана за свързване на сървъри към устройства за съхранение в SAN. Тя предлага много ниска латентност и висока пропускателна способност.
• iSCSI (Internet Small Computer System Interface): iSCSI е протокол, който позволява на сървърите да осъществяват достъп до устройства за съхранение през IP мрежа. Това е рентабилна алтернатива на Fibre Channel.
• NVMe over Fabrics (NVMe-oF): NVMe-oF е протокол, който позволява на сървърите да осъществяват достъп до NVMe SSD през мрежа. Той предлага много ниска латентност и висока пропускателна способност. Често срещаните мрежи (fabrics) включват Fibre Channel, RoCE (RDMA over Converged Ethernet) и TCP.
• NFS (Network File System): NFS е протокол за споделяне на файлове, който позволява на клиентите да осъществяват достъп до файлове, съхранявани на отдалечен сървър през мрежа. Той се използва често в NAS системи.
• SMB/CIFS (Server Message Block/Common Internet File System): SMB/CIFS е протокол за споделяне на файлове, който позволява на клиентите да осъществяват достъп до файлове, съхранявани на отдалечен сървър през мрежа. Той се използва често в Windows среди.
• HTTP/HTTPS (Hypertext Transfer Protocol/Secure Hypertext Transfer Protocol): Протоколи, използвани за достъп до обектно съхранение чрез API.

Защита и надеждност на данните: Гарантиране на целостта на данните

Защитата и надеждността на данните са критични аспекти при проектирането на системи за съхранение. Стабилната стратегия за защита на данните е от съществено значение за предотвратяване на загуба на данни и осигуряване на непрекъснатост на бизнеса.

RAID (Redundant Array of Independent Disks)

RAID е технология, която комбинира няколко физически диска в едно логическо устройство, за да подобри производителността, надеждността или и двете. Различните RAID нива предлагат различни компромиси между производителност, излишък и цена.

• RAID 0 (Разделяне): RAID 0 разделя данните на няколко диска, подобрявайки производителността, но не предоставяйки излишък. Ако един диск се повреди, всички данни се губят.
• RAID 1 (Огледално копиране): RAID 1 дублира данните на два или повече диска, осигурявайки висока степен на излишък. Ако един диск се повреди, данните все още са налични на другия диск. RAID 1 обаче е по-малко ефективен по отношение на капацитета за съхранение.
• RAID 5 (Разделяне с паритет): RAID 5 разделя данните на няколко диска и добавя информация за паритет, което позволява на системата да се възстанови от повреда на един диск. RAID 5 предлага добър баланс между производителност, излишък и капацитет за съхранение.
• RAID 6 (Разделяне с двоен паритет): RAID 6 е подобен на RAID 5, но добавя два паритетни блока, което позволява на системата да се възстанови от повреда на два диска. RAID 6 осигурява по-висока степен на излишък от RAID 5.
• RAID 10 (RAID 1+0, Огледално копиране и разделяне): RAID 10 комбинира огледално копиране и разделяне, осигурявайки както висока производителност, така и висока степен на излишък. Изисква поне четири диска.

Архивиране и възстановяване

Архивирането и възстановяването са съществени компоненти на стратегията за защита на данните. Архивирането трябва да се извършва редовно и да се съхранява на отделно място, за да се защитят данните от загуба поради хардуерна повреда, софтуерна корупция или човешка грешка. Процедурите за възстановяване трябва да бъдат добре дефинирани и тествани, за да се гарантира, че данните могат да бъдат възстановени бързо и ефективно в случай на бедствие.

Видове архивиране:

• Пълно архивиране: Пълното архивиране копира всички данни на носителя за архивиране.
• Инкрементално архивиране: Инкременталното архивиране копира само данните, които са се променили от последното пълно или инкрементално архивиране.
• Диференциално архивиране: Диференциалното архивиране копира всички данни, които са се променили от последното пълно архивиране.

Репликация

Репликацията е технология, която копира данни от една система за съхранение в друга, осигурявайки излишък на данни и възможности за възстановяване след бедствие. Репликацията може да бъде синхронна или асинхронна.

• Синхронна репликация: Синхронната репликация записва данни едновременно в основната и вторичната система за съхранение, като гарантира, че данните са винаги последователни. Синхронната репликация обаче може да повлияе на производителността поради увеличената латентност.
• Асинхронна репликация: Асинхронната репликация записва данни първо в основната система за съхранение и след това ги репликира във вторичната система за съхранение на по-късен етап. Асинхронната репликация има по-малко въздействие върху производителността, но може да има забавяне в синхронизацията на данните.

Кодиране с изтриване (Erasure Coding)

Кодирането с изтриване е метод за защита на данните, често използван в системите за обектно съхранение, за да се осигури висока издръжливост. Вместо проста репликация, кодирането с изтриване разделя данните на фрагменти, изчислява паритетни фрагменти и съхранява всички фрагменти в различни възли за съхранение. Това позволява на системата да възстанови оригиналните данни, дори ако някои фрагменти са загубени.

Мащабируемост и оптимизация на производителността

Мащабируемостта и производителността са критични съображения при проектирането на системи за съхранение. Системата трябва да може да се справя с нарастващи количества данни и нарастващи работни натоварвания, без да се компрометира производителността.

Хоризонтално мащабиране срещу вертикално мащабиране

• Хоризонтално мащабиране (Scale-Out): Хоризонталното мащабиране включва добавяне на повече възли към системата за съхранение, за да се увеличи капацитетът и производителността. Този подход обикновено се използва в разпределени системи за съхранение и системи за обектно съхранение.
• Вертикално мащабиране (Scale-Up): Вертикалното мащабиране включва надграждане на съществуващата система за съхранение с по-мощен хардуер, като по-бързи процесори, повече памет или повече носители за съхранение. Този подход обикновено се използва в SAN и NAS системи.

Кеширане

Кеширането е техника, която съхранява често достъпвани данни в бърз слой за съхранение, като SSD или памет, за да се подобри производителността. Кеширането може да се приложи на различни нива, включително контролера за съхранение, операционната система и приложението.

Разслояване (Tiering)

Разслояването е техника, която автоматично премества данни между различни слоеве за съхранение въз основа на честотата на достъп до тях. Често достъпваните данни се съхраняват на по-бързи и по-скъпи слоеве за съхранение, докато рядко достъпваните данни се съхраняват на по-бавни и по-евтини слоеве за съхранение. Това оптимизира цената и производителността на системата за съхранение.

Дедупликация на данни

Дедупликацията на данни е техника, която елиминира излишните копия на данни, за да намали изискванията за капацитет за съхранение. Тя се използва често в системи за архивиране.

Компресия

Компресията на данни е техника, която намалява размера на данните, за да спести място за съхранение. Тя се използва често в системи за архивиране.

Облачно съхранение: Използване на силата на облака

Облачното съхранение се превърна във все по-популярна опция за организации от всякакъв мащаб. Доставчиците на облачно съхранение предлагат широка гама от услуги за съхранение, включително обектно съхранение, блоково съхранение и файлово съхранение.

Предимства на облачното съхранение:

• Мащабируемост: Облачното съхранение може лесно да се мащабира нагоре или надолу според нуждите.
• Рентабилност: Облачното съхранение може да бъде по-рентабилно от локалното съхранение, особено за организации с променливи нужди от съхранение.
• Достъпност: Облачното съхранение може да бъде достъпно от всяка точка с интернет връзка.
• Надеждност: Доставчиците на облачно съхранение предлагат високи нива на надеждност и защита на данните.

Видове облачно съхранение:

• Обектно съхранение: Обектното съхранение е силно мащабируема и издръжлива услуга за съхранение, която е идеална за съхраняване на неструктурирани данни, като изображения, видеоклипове и документи. Примерите включват Amazon S3, Google Cloud Storage и Azure Blob Storage.
• Блоково съхранение: Блоковото съхранение е услуга за съхранение, която осигурява достъп до данни на блоково ниво. Тя е подходяща за взискателни приложения като бази данни и виртуални машини. Примерите включват Amazon EBS, Google Persistent Disk и Azure Managed Disks.
• Файлово съхранение: Файловото съхранение е услуга за съхранение, която осигурява достъп до данни на файлово ниво. Тя е подходяща за споделяне на файлове и сътрудничество. Примерите включват Amazon EFS, Google Cloud Filestore и Azure Files.

Съображения за облачно съхранение:

• Сигурност на данните: Уверете се, че доставчикът на облачно съхранение предлага адекватни мерки за сигурност за защита на вашите данни.
• Съответствие на данните: Уверете се, че доставчикът на облачно съхранение спазва съответните разпоредби за поверителност на данните.
• Разходи за пренос на данни: Бъдете наясно с разходите за пренос на данни, свързани с преместването на данни към и от облака.
• „Заключване“ към доставчик: Бъдете наясно с потенциала за „заключване“ към доставчик при използване на услуги за облачно съхранение.

Управление и контрол на данните

Ефективното управление и контрол на данните са от съществено значение за осигуряване на качеството, целостта и сигурността на данните, съхранявани в системите за съхранение. Това включва политики и процеси за контрол на достъпа, съхранението и изхвърлянето на данни.

Управление на жизнения цикъл на данните

Управлението на жизнения цикъл на данните (DLM) е процес, който управлява потока на данни от създаването им до окончателното им изхвърляне. DLM помага на организациите да оптимизират разходите за съхранение, да подобрят сигурността на данните и да спазват разпоредбите за съхранение на данни. Често включва разслояване на данни въз основа на тяхната възраст и честота на достъп, премествайки по-старите данни към по-евтини слоеве за съхранение.

Управление на данни (Data Governance)

Управлението на данни е набор от политики, процеси и стандарти, които управляват управлението и използването на данни. Управлението на данни помага на организациите да гарантират, че данните са точни, последователни и надеждни. То също така помага за защита на поверителността на данните и спазване на разпоредбите за данните. Ключовите аспекти включват:

• Качество на данните: Гарантиране на точността, пълнотата, последователността и навременността на данните.
• Сигурност на данните: Защита на данните от неоторизиран достъп, промяна и унищожаване.
• Поверителност на данните: Спазване на разпоредбите за поверителност на данните, като GDPR и CCPA.
• Съответствие на данните: Спазване на съответните индустриални разпоредби и стандарти.

Управление на метаданни

Метаданните са данни за данните. Ефективното управление на метаданните е от решаващо значение за разбирането, организирането и достъпа до данните, съхранявани в системите за съхранение. Управлението на метаданни включва дефиниране на стандарти за метаданни, улавяне на метаданни и използване на метаданни за търсене и извличане на данни. Често срещани примери включват имена на файлове, дати на създаване, дати на промяна, размери на файлове и информация за автора.

Нововъзникващи тенденции в системите за съхранение

Индустрията за съхранение на данни непрекъснато се развива. Ето някои от нововъзникващите тенденции в системите за съхранение:

Изчислително съхранение (Computational Storage)

Изчислителното съхранение е технология, която интегрира възможности за обработка директно в устройството за съхранение. Това позволява обработката на данни да се извършва по-близо до данните, намалявайки латентността и подобрявайки производителността. Приложения като машинно обучение и анализ на данни могат да се възползват значително от изчислителното съхранение.

Постоянна памет (Persistent Memory)

Постоянната памет е нов тип памет, която съчетава скоростта на DRAM с постоянството на NAND флаш. Постоянната памет предлага много ниска латентност и висока пропускателна способност, което я прави подходяща за взискателни приложения като бази данни и изчисления в паметта. Примерите включват Intel Optane DC Persistent Memory.

Софтуерно дефинирано съхранение (SDS)

Софтуерно дефинираното съхранение (SDS) е архитектура за съхранение, която абстрахира хардуера за съхранение от софтуера за съхранение. SDS позволява на организациите да управляват ресурсите за съхранение по-гъвкаво и ефективно. То позволява функции като автоматизирано предоставяне, разслояване на данни и репликация, независимо от основния хардуер.

Композируема инфраструктура (Composable Infrastructure)

Композируемата инфраструктура е гъвкава инфраструктура, която позволява на организациите динамично да разпределят изчислителни, съхранителни и мрежови ресурси, за да отговорят на нуждите на конкретни приложения. Това позволява на организациите да оптимизират използването на ресурси и да намалят разходите.

Заключение

Изграждането на мащабируеми и надеждни системи за съхранение е сложна задача, която изисква внимателно планиране и изпълнение. Като разбират основите на системите за съхранение, избират правилната архитектура и технологии и прилагат ефективни стратегии за защита и управление на данните, организациите могат да изграждат решения за съхранение, които отговарят на техните настоящи и бъдещи нужди. Тъй като индустрията за съхранение продължава да се развива, е важно да сте в крак с нововъзникващите тенденции и технологии, за да гарантирате, че вашите системи за съхранение остават оптимизирани за производителност, мащабируемост и рентабилност. Това ръководство предоставя основополагащо разбиране за ИТ специалисти по целия свят за изграждане на стабилни и ефективни решения за съхранение.