Bygge skalerbare og pålitelige lagringssystemer: En omfattende guide

I dagens datadrevne verden er evnen til å lagre, administrere og få tilgang til enorme mengder informasjon avgjørende for organisasjoner i alle størrelser. Fra små oppstartsbedrifter til multinasjonale selskaper er behovet for robuste og skalerbare lagringssystemer overordnet. Denne omfattende guiden utforsker prinsippene, arkitekturene, teknologiene og beste praksis for å bygge lagringsløsninger som kan møte de stadig voksende kravene fra moderne applikasjoner og arbeidsbelastninger. Vi vil dekke ulike aspekter, og sikre at lesere med ulik teknisk bakgrunn kan forstå kjernekonseptene og anvende dem på sine spesifikke behov.

Forstå grunnleggende om lagringssystemer

Før vi dykker ned i detaljene rundt bygging av lagringssystemer, er det viktig å forstå de grunnleggende konseptene og terminologien. Denne delen vil dekke nøkkelkomponentene og egenskapene som definerer et lagringssystem.

Nøkkelkomponenter i et lagringssystem

• Lagringsmedier: Det fysiske mediet som brukes til å lagre data, som harddisker (HDD), solid-state-stasjoner (SSD) og magnetbånd. Valget av medium avhenger av faktorer som kostnad, ytelse og holdbarhet.
• Lagringskontrollere: Grensesnittet mellom lagringsmediet og vertssystemet. Kontrollere håndterer datatilgang, feilkorreksjon og andre lavnivåoperasjoner. Eksempler inkluderer RAID-kontrollere, SAS-kontrollere og SATA-kontrollere.
• Nettverk: Nettverksinfrastrukturen som kobler lagringssystemet til vertssystemene. Vanlige nettverksteknologier inkluderer Ethernet, Fibre Channel og InfiniBand. Valget avhenger av båndbreddekrav og latensbegrensninger.
• Lagringsprogramvare: Programvaren som administrerer lagringssystemet, inkludert operativsystemer, filsystemer, volumbehandlere og datahåndteringsverktøy. Denne programvaren gir funksjoner som databeskyttelse, replikering og tilgangskontroll.

Nøkkelegenskaper ved et lagringssystem

• Kapasitet: Den totale mengden data som lagringssystemet kan inneholde, målt i byte (f.eks. terabyte, petabyte).
• Ytelse: Hastigheten data kan leses fra og skrives til lagringssystemet, målt i I/O-operasjoner per sekund (IOPS) og gjennomstrømning (MB/s).
• Pålitelighet: Lagringssystemets evne til å fungere uten feil og beskytte data mot tap eller korrupsjon. Måles med beregninger som gjennomsnittlig tid mellom feil (MTBF).
• Tilgjengelighet: Prosentandelen av tid lagringssystemet er operativt og tilgjengelig. Systemer med høy tilgjengelighet er designet for å minimere nedetid.
• Skalerbarhet: Lagringssystemets evne til å vokse i kapasitet og ytelse etter behov. Skalerbarhet kan oppnås gjennom teknikker som å legge til flere lagringsmedier, oppgradere kontrollere eller distribuere lagringssystemet over flere noder.
• Kostnad: Den totale eierkostnaden (TCO) for lagringssystemet, inkludert maskinvare, programvare, vedlikehold og driftskostnader.
• Sikkerhet: Evnen til å beskytte data mot uautorisert tilgang og modifisering, inkludert tilgangskontroller, kryptering og datamaskering.
• Administrerbarhet: Hvor enkelt lagringssystemet kan administreres, overvåkes og vedlikeholdes, inkludert funksjoner som fjernstyring, automatisering og rapportering.

Lagringsarkitekturer: Velge riktig tilnærming

Ulike lagringsarkitekturer tilbyr varierende avveininger når det gjelder ytelse, skalerbarhet, pålitelighet og kostnad. Å forstå disse arkitekturene er avgjørende for å velge riktig løsning for en gitt applikasjon eller arbeidsbelastning.

Direktekoblet lagring (DAS)

DAS er en tradisjonell lagringsarkitektur der lagringsenheter er koblet direkte til en vertsserver. Dette er en enkel og kostnadseffektiv løsning for småskala distribusjoner, men den mangler skalerbarhet og delingsmuligheter.

Fordeler med DAS:

• Enkel å sette opp og administrere
• Lav latens
• Kostnadseffektiv for små distribusjoner

Ulemper med DAS:

• Begrenset skalerbarhet
• Ingen delingsmuligheter
• Enkelt feilpunkt
• Vanskelig å administrere i store miljøer

Nettverkstilkoblet lagring (NAS)

NAS er en lagringsarkitektur på filnivå der lagringsenheter er koblet til et nettverk og aksesseres av klienter ved hjelp av fildelingsprotokoller som NFS (Network File System) og SMB/CIFS (Server Message Block/Common Internet File System). NAS gir sentralisert lagring og delingsmuligheter, noe som gjør den egnet for filservering, sikkerhetskopiering og arkivering.

Fordeler med NAS:

• Sentralisert lagring og deling
• Enkel å administrere
• Relativt lav kostnad
• Bra for filservering og sikkerhetskopiering

Ulemper med NAS:

• Begrenset ytelse for krevende applikasjoner
• Kan være en flaskehals for nettverkstrafikk
• Mindre fleksibel enn SAN

Lagringsnettverk (SAN)

SAN er en lagringsarkitektur på blokknivå der lagringsenheter er koblet til et dedikert nettverk og aksesseres av servere ved hjelp av blokknivåprotokoller som Fibre Channel (FC) og iSCSI (Internet Small Computer System Interface). SAN gir høy ytelse og skalerbarhet, noe som gjør den egnet for krevende applikasjoner som databaser, virtualisering og videoredigering.

Fordeler med SAN:

• Høy ytelse
• Skalerbarhet
• Fleksibilitet
• Sentralisert administrasjon

Ulemper med SAN:

• Komplekst å sette opp og administrere
• Høy kostnad
• Krever spesialisert ekspertise

Objektlagring

Objektlagring er en lagringsarkitektur der data lagres som objekter, i stedet for filer eller blokker. Hvert objekt identifiseres med en unik ID og inneholder metadata som beskriver objektet. Objektlagring er svært skalerbar og holdbar, noe som gjør den egnet for lagring av store mengder ustrukturert data, som bilder, videoer og dokumenter. Skylagringstjenester som Amazon S3, Google Cloud Storage og Azure Blob Storage er basert på objektlagring.

Fordeler med objektlagring:

• Høy skalerbarhet
• Høy holdbarhet
• Kostnadseffektiv for store datamengder
• Bra for ustrukturert data

Ulemper med objektlagring:

• Ikke egnet for transaksjonelle arbeidsbelastninger
• Begrenset ytelse for små objekter
• Krever spesialiserte API-er

Hyperkonvergert infrastruktur (HCI)

HCI er en konvergert infrastruktur som kombinerer data-, lagrings- og nettverksressurser i ett enkelt, integrert system. HCI forenkler administrasjon og distribusjon, noe som gjør den egnet for virtualiserte miljøer og private skyer. Den bruker vanligvis programvaredefinert lagring (SDS) for å abstrahere den underliggende maskinvaren og gi funksjoner som databeskyttelse, replikering og deduplisering.

Fordeler med HCI:

• Forenklet administrasjon
• Skalerbarhet
• Kostnadseffektiv for virtualiserte miljøer
• Integrert databeskyttelse

Ulemper med HCI:

• Leverandøravhengighet
• Begrenset fleksibilitet
• Kan være dyrere enn tradisjonell infrastruktur for visse arbeidsbelastninger

Lagringsteknologier: Velge riktige medier og protokoller

Valget av lagringsmedier og protokoller spiller en avgjørende rolle for å bestemme ytelsen, påliteligheten og kostnaden til et lagringssystem.

Lagringsmedier

• Harddisker (HDD): HDD-er er tradisjonelle lagringsenheter som bruker magnetiske plater for å lagre data. De tilbyr høy kapasitet til en relativt lav kostnad, men de har lavere ytelse sammenlignet med SSD-er. HDD-er er egnet for lagring av store mengder data som ikke aksesseres ofte, som arkiver og sikkerhetskopier.
• Solid-State-stasjoner (SSD): SSD-er er lagringsenheter som bruker flashminne for å lagre data. De tilbyr mye raskere ytelse enn HDD-er, men de er dyrere per gigabyte. SSD-er er egnet for applikasjoner som krever høy ytelse, som databaser, virtualisering og videoredigering.
• NVMe (Non-Volatile Memory Express): NVMe er en lagringsgrensesnittprotokoll designet spesielt for SSD-er. Den tilbyr enda høyere ytelse enn tradisjonelle SATA- og SAS-grensesnitt. NVMe SSD-er er ideelle for applikasjoner som krever lavest mulig latens.
• Magnetbånd: Magnetbånd er et sekvensielt tilgangsmedium som brukes for arkivering og langsiktig datalagring. Bånd er svært kostnadseffektivt for lagring av store mengder data som sjelden aksesseres.

Lagringsprotokoller

• SATA (Serial ATA): SATA er et standardgrensesnitt for å koble HDD-er og SSD-er til et datasystem. Det er et relativt rimelig grensesnitt med god ytelse for generelle applikasjoner.
• SAS (Serial Attached SCSI): SAS er et høytytelsesgrensesnitt for å koble HDD-er og SSD-er til et datasystem. Det tilbyr høyere båndbredde og mer avanserte funksjoner enn SATA.
• Fibre Channel (FC): Fibre Channel er en høyhastighets nettverksteknologi som brukes til å koble servere til lagringsenheter i et SAN. Det tilbyr svært lav latens og høy båndbredde.
• iSCSI (Internet Small Computer System Interface): iSCSI er en protokoll som lar servere få tilgang til lagringsenheter over et IP-nettverk. Det er et kostnadseffektivt alternativ til Fibre Channel.
• NVMe over Fabrics (NVMe-oF): NVMe-oF er en protokoll som lar servere få tilgang til NVMe SSD-er over et nettverk. Den tilbyr svært lav latens og høy båndbredde. Vanlige fabrics inkluderer Fibre Channel, RoCE (RDMA over Converged Ethernet) og TCP.
• NFS (Network File System): NFS er en fildelingsprotokoll som lar klienter få tilgang til filer lagret på en ekstern server over et nettverk. Den brukes ofte i NAS-systemer.
• SMB/CIFS (Server Message Block/Common Internet File System): SMB/CIFS er en fildelingsprotokoll som lar klienter få tilgang til filer lagret på en ekstern server over et nettverk. Den brukes ofte i Windows-miljøer.
• HTTP/HTTPS (Hypertext Transfer Protocol/Secure Hypertext Transfer Protocol): Protokoller som brukes for å få tilgang til objektlagring via API-er.

Databeskyttelse og pålitelighet: Sikre dataintegritet

Databeskyttelse og pålitelighet er kritiske aspekter ved design av lagringssystemer. En robust databeskyttelsesstrategi er avgjørende for å forhindre datatap og sikre forretningskontinuitet.

RAID (Redundant Array of Independent Disks)

RAID er en teknologi som kombinerer flere fysiske disker til en enkelt logisk enhet for å forbedre ytelse, pålitelighet eller begge deler. Ulike RAID-nivåer tilbyr varierende avveininger mellom ytelse, redundans og kostnad.

• RAID 0 (Striping): RAID 0 striper data over flere disker, noe som forbedrer ytelsen, men gir ingen redundans. Hvis én disk feiler, går alle data tapt.
• RAID 1 (Speiling): RAID 1 dupliserer data på to eller flere disker, noe som gir høy redundans. Hvis én disk feiler, er dataene fortsatt tilgjengelige på den andre disken. Imidlertid er RAID 1 mindre effektiv når det gjelder lagringskapasitet.
• RAID 5 (Striping med paritet): RAID 5 striper data over flere disker og legger til paritetsinformasjon, som lar systemet gjenopprette fra en enkelt diskfeil. RAID 5 tilbyr en god balanse mellom ytelse, redundans og lagringskapasitet.
• RAID 6 (Striping med dobbel paritet): RAID 6 ligner på RAID 5, men legger til to paritetsblokker, slik at systemet kan gjenopprette fra to diskfeil. RAID 6 gir høyere redundans enn RAID 5.
• RAID 10 (RAID 1+0, Speiling og Striping): RAID 10 kombinerer speiling og striping, og gir både høy ytelse og høy redundans. Det krever minst fire disker.

Sikkerhetskopiering og gjenoppretting

Sikkerhetskopiering og gjenoppretting er essensielle komponenter i en databeskyttelsesstrategi. Sikkerhetskopier bør utføres regelmessig og lagres på et separat sted for å beskytte mot datatap på grunn av maskinvarefeil, programvarekorrupsjon eller menneskelig feil. Gjenopprettingsprosedyrer bør være veldefinerte og testet for å sikre at data kan gjenopprettes raskt og effektivt i tilfelle en katastrofe.

Typer sikkerhetskopier:

• Full sikkerhetskopi: En full sikkerhetskopi kopierer alle data til sikkerhetskopimediet.
• Inkrementell sikkerhetskopi: En inkrementell sikkerhetskopi kopierer bare dataene som er endret siden forrige fulle eller inkrementelle sikkerhetskopi.
• Differensiell sikkerhetskopi: En differensiell sikkerhetskopi kopierer alle data som er endret siden forrige fulle sikkerhetskopi.

Replikering

Replikering er en teknologi som kopierer data fra ett lagringssystem til et annet, og gir dataredundans og katastrofegjenopprettingsmuligheter. Replikering kan være synkron eller asynkron.

• Synkron replikering: Synkron replikering skriver data til både det primære og det sekundære lagringssystemet samtidig, og sikrer at dataene alltid er konsistente. Imidlertid kan synkron replikering påvirke ytelsen på grunn av økt latens.
• Asynkron replikering: Asynkron replikering skriver data til det primære lagringssystemet først, og replikerer deretter dataene til det sekundære lagringssystemet på et senere tidspunkt. Asynkron replikering har mindre innvirkning på ytelsen, men det kan være en forsinkelse i datasynkroniseringen.

Erasure Coding

Erasure coding er en databeskyttelsesmetode som vanligvis brukes i objektlagringssystemer for å gi høy holdbarhet. I stedet for enkel replikering, deler erasure coding data i fragmenter, beregner paritetsfragmenter, og lagrer alle fragmentene på tvers av forskjellige lagringsnoder. Dette gjør at systemet kan rekonstruere de opprinnelige dataene selv om noen fragmenter går tapt.

Skalerbarhet og ytelsesoptimalisering

Skalerbarhet og ytelse er kritiske hensyn ved utforming av lagringssystemer. Systemet skal kunne håndtere økende datamengder og økende arbeidsbelastninger uten at det går ut over ytelsen.

Horisontal skalering vs. Vertikal skalering

• Horisontal skalering (Scale-Out): Horisontal skalering innebærer å legge til flere noder i lagringssystemet for å øke kapasitet og ytelse. Denne tilnærmingen brukes vanligvis i distribuerte lagringssystemer og objektlagringssystemer.
• Vertikal skalering (Scale-Up): Vertikal skalering innebærer å oppgradere det eksisterende lagringssystemet med kraftigere maskinvare, som raskere prosessorer, mer minne eller flere lagringsmedier. Denne tilnærmingen brukes vanligvis i SAN- og NAS-systemer.

Caching

Caching er en teknikk som lagrer ofte brukte data i et raskt lagringsnivå, som SSD-er eller minne, for å forbedre ytelsen. Caching kan implementeres på ulike nivåer, inkludert lagringskontrolleren, operativsystemet og applikasjonen.

Nivådeling (Tiering)

Nivådeling er en teknikk som automatisk flytter data mellom forskjellige lagringsnivåer basert på tilgangsfrekvensen. Ofte brukte data lagres på raskere, dyrere lagringsnivåer, mens sjelden brukte data lagres på tregere, billigere lagringsnivåer. Dette optimaliserer kostnaden og ytelsen til lagringssystemet.

Datadeduplisering

Datadeduplisering er en teknikk som eliminerer overflødige kopier av data for å redusere kravene til lagringskapasitet. Den brukes ofte i systemer for sikkerhetskopiering og arkivering.

Komprimering

Datakomprimering er en teknikk som reduserer størrelsen på data for å spare lagringsplass. Den brukes ofte i systemer for sikkerhetskopiering og arkivering.

Skylagring: Utnytte kraften i skyen

Skylagring har blitt et stadig mer populært alternativ for organisasjoner i alle størrelser. Skylagringsleverandører tilbyr et bredt spekter av lagringstjenester, inkludert objektlagring, blokklagring og fillagring.

Fordeler med skylagring:

• Skalerbarhet: Skylagring kan enkelt skaleres opp eller ned etter behov.
• Kostnadseffektivitet: Skylagring kan være mer kostnadseffektivt enn lokal lagring (on-premises), spesielt for organisasjoner med varierende lagringsbehov.
• Tilgjengelighet: Skylagring kan aksesseres fra hvor som helst med internettforbindelse.
• Pålitelighet: Skylagringsleverandører tilbyr høye nivåer av pålitelighet og databeskyttelse.

Typer skylagring:

• Objektlagring: Objektlagring er en svært skalerbar og holdbar lagringstjeneste som er ideell for lagring av ustrukturert data, som bilder, videoer og dokumenter. Eksempler inkluderer Amazon S3, Google Cloud Storage og Azure Blob Storage.
• Blokklagring: Blokklagring er en lagringstjeneste som gir tilgang til data på blokknivå. Den er egnet for krevende applikasjoner som databaser og virtuelle maskiner. Eksempler inkluderer Amazon EBS, Google Persistent Disk og Azure Managed Disks.
• Fillagring: Fillagring er en lagringstjeneste som gir tilgang til data på filnivå. Den er egnet for fildeling og samarbeid. Eksempler inkluderer Amazon EFS, Google Cloud Filestore og Azure Files.

Hensyn ved skylagring:

• Datasikkerhet: Sørg for at skylagringsleverandøren tilbyr tilstrekkelige sikkerhetstiltak for å beskytte dataene dine.
• Dataetterlevelse (Compliance): Sørg for at skylagringsleverandøren overholder relevante personvernforskrifter.
• Dataoverføringskostnader: Vær oppmerksom på kostnadene forbundet med å flytte data til og fra skyen.
• Leverandøravhengighet (Vendor Lock-in): Vær oppmerksom på potensialet for leverandøravhengighet ved bruk av skylagringstjenester.

Datahåndtering og -styring (Data Governance)

Effektiv datahåndtering og -styring er avgjørende for å sikre kvaliteten, integriteten og sikkerheten til data som er lagret i lagringssystemer. Dette inkluderer retningslinjer og prosesser for å kontrollere datatilgang, -oppbevaring og -sletting.

Håndtering av dataens livssyklus

Håndtering av dataens livssyklus (DLM) er en prosess som styrer dataflyten fra opprettelse til eventuell sletting. DLM hjelper organisasjoner med å optimalisere lagringskostnader, forbedre datasikkerheten og overholde regler for dataoppbevaring. Det innebærer ofte nivådeling av data basert på alder og tilgangsfrekvens, der eldre data flyttes til billigere lagringsnivåer.

Datastyring (Data Governance)

Datastyring er et sett med retningslinjer, prosesser og standarder som regulerer håndtering og bruk av data. Datastyring hjelper organisasjoner med å sikre at data er nøyaktige, konsistente og pålitelige. Det bidrar også til å beskytte personvern og overholde datareguleringer. Nøkkelaspekter inkluderer:

• Datakvalitet: Sikre nøyaktighet, fullstendighet, konsistens og aktualitet i dataene.
• Datasikkerhet: Beskytte data mot uautorisert tilgang, modifisering og ødeleggelse.
• Personvern: Overholde personvernforskrifter, som GDPR og CCPA.
• Dataetterlevelse (Compliance): Overholde relevante bransjeforskrifter og standarder.

Håndtering av metadata

Metadata er data om data. Å håndtere metadata effektivt er avgjørende for å forstå, organisere og få tilgang til data som er lagret i lagringssystemer. Håndtering av metadata inkluderer å definere metadatastandarder, fange opp metadata og bruke metadata til å søke og hente ut data. Vanlige eksempler inkluderer filnavn, opprettelsesdatoer, endringsdatoer, filstørrelser og forfatterinformasjon.

Nye trender innen lagringssystemer

Lagringsindustrien er i konstant utvikling. Her er noen av de nye trendene innen lagringssystemer:

Computational Storage

Computational storage er en teknologi som integrerer prosesseringskapasitet direkte i lagringsenheten. Dette gjør at databehandling kan utføres nærmere dataene, noe som reduserer latens og forbedrer ytelsen. Applikasjoner som maskinlæring og dataanalyse kan ha stor nytte av computational storage.

Persistent Memory

Persistent memory er en ny type minne som kombinerer hastigheten til DRAM med varigheten til NAND-flash. Persistent memory tilbyr svært lav latens og høy båndbredde, noe som gjør det egnet for krevende applikasjoner som databaser og in-memory computing. Eksempler inkluderer Intel Optane DC Persistent Memory.

Programvaredefinert lagring (SDS)

Programvaredefinert lagring (SDS) er en lagringsarkitektur som abstraherer lagringsmaskinvaren fra lagringsprogramvaren. SDS lar organisasjoner administrere lagringsressurser mer fleksibelt og effektivt. Det muliggjør funksjoner som automatisert provisjonering, nivådeling av data og replikering, uavhengig av den underliggende maskinvaren.

Komponerbar infrastruktur

Komponerbar infrastruktur er en fleksibel infrastruktur som lar organisasjoner dynamisk tildele data-, lagrings- og nettverksressurser for å møte behovene til spesifikke applikasjoner. Dette lar organisasjoner optimalisere ressursutnyttelsen og redusere kostnadene.

Konklusjon

Å bygge skalerbare og pålitelige lagringssystemer er en kompleks oppgave som krever nøye planlegging og utførelse. Ved å forstå det grunnleggende om lagringssystemer, velge riktig arkitektur og teknologier, og implementere effektive strategier for databeskyttelse og -håndtering, kan organisasjoner bygge lagringsløsninger som møter deres nåværende og fremtidige behov. Ettersom lagringsindustrien fortsetter å utvikle seg, er det viktig å holde seg oppdatert på nye trender og teknologier for å sikre at lagringssystemene dine forblir optimalisert for ytelse, skalerbarhet og kostnadseffektivitet. Denne guiden gir en grunnleggende forståelse for IT-fagfolk over hele verden for å bygge robuste og effektive lagringsløsninger.