网络存储技术在高校中的应用及方案设计＊

李杰，冯刚

（北海职业学院，广西 北海 536000）

1 高校目前的现状及需求分析

1.1 高校目前的现状

1.1.1 多个校区且各校区数据独立

在高校扩招大背景下，各大高校的校区数量达到3个以上，每个校区的数据存储在本校区服务器上，服务器硬盘只能采用单一的方式进行部署，最终造成数据共享能力差，加大了数据迁移的难度；大多数高校的大部分数据没有经过集中处理，严重重复的数据导致存储资源被浪费；数据分散，存在安全隐患，对技术和管理方面造成的影响较大，存储功能升级困难。

1.1.2 业务模式由传统模式转变为自动化模式

随着学校信息化教育建设的推进，网络如今已遍布各个学校，为了更好服务教学以及规范学校管理、简化办公和实现网络办公，必须搭建各类服务系统，同时学校还需要建设大量的教学资源库服务教学及丰富大学生的校园生活。这些服务产生的大量数据及数据备份均需要大量的存储空间来支持。数据经过处理后被共享，由于系统不同可能导致数据无法兼容。用户类型复杂多样，访问次数频繁，应用系统繁多，数据的安全性及容灾恢复能力有限，这些都极大地增加了校园网络存储规划的难度。

1.1.3 网络存储采用的依然是以服务器为中心的传统存储架构

由于资金和存储设备方面的投入较少和重视程度不够，目前大多数高校采取的存储方式主要有以下2种：①通过硬盘，然后通过服务器连接到扩展柜。这种方式实际上不属于网络存储系统，采用这种方式的优点是部署和操作方面都非常简单，缺点是当数据量较大时，存储容量和数据读取速度方面会受到服务器性能的限制，无法对数据进行冗余保护，无法进行功能扩展，数据的集中存储和管理难以实现，维护成本较高。②采用DAS（Direct Attached Storage，直接附加存储），存储设备（RAID 或JBOD）通过电缆（通常是SCSI 接口电缆）直接挂到服务器总线上，采用这种方式对数据进行备份、恢复和容灾。这种方式是最常见的一种方式，优点是设备采购及维护成本低，配置和操作简单。但是随着高校服务系统以及数据量逐渐增多，DAS 开始面临各方面的问题，由于DAS 是由一台主机连接存储设备，在数据读取方面效率较低，如果主机发生故障，用户便无法访问数据，如果想采用多个主机进行存储时，存储空间无法进行动态分配，导致资源被浪费。

1.2 需求分析

高校当前网络存储方面的需求主要包括以下3方面。

任务三高阶无极继电器虽然是本次课程的重难点内容，但在解决方案上，采用以学生为主体，教师为辅的原则进行。教师讲解测试内容和注意事项，学生根据已给资源设计电路，小组分工合作，完成无极继电器特性测试，并将测试结果上传至学习平台。教师播放优秀老师讲解测试要点视频，学生根据测试要点完成组间互评。

1.2.1 存储容量需求

存储容量是存储系统最关注的问题，例如在高校教务管理系统中，系统内部资源包括学生的信息（包括在校及毕业的学生至少3 万余人的信息）以及1 000余名教师的信息。这些信息的存储量可达1.5 TB，而这只是冰山一角，在高校数据中占比最大的是监控数据。学校通常会在校园内各个角落及室内安装监控摄像机，摄像机的数量通常会达到200 台或以上。如果校园内需要安装200 台摄像机，1 台设备1 d所产生的数据量大约为25 G，如果需要录入1 080 P 格式的录像信息，则产生的数据量大约为50 G，这些数据通常需要保存30 d，全校摄像机所需容量大约为150～300 T，所以必须提高存储容量。

1.2.2 应用需求

随着校园信息化建设不断深入和发展，为了更好服务教学和管理学校，各种服务平台融入校园，例如服务教学的网络教学平台、服务学生的学生管理平台和服务教师的人力资源管理平台等，这些对校园服务器的承载能力都是一个极大的考验。

1.2.3 安全需求

安全需求主要包括数据访问安全与数据防护安全2个方面。数据访问安全指采用数据加密算法对数据进行加密，确保数据在传输过程中无法被窃取、篡改，同时进行用户身份识别等。主要通过磁盘列阵、异地容灾和数据备份等手段对数据进行安全保护，确保业务系统在遭受意外原因的情况下能保证原有的业务系统正常运转，在异地部署了一套与现有业务系统相同的生产环境，保证业务正常运转，防止因意外删除等原因造成数据丢失。

2 常用存储技术

目前高端服务器所使用的专业存储技术主要有DAS、NAS 和SAN 这3 种。

DAS，也叫直接附加存储，是将主机与存储设备通过SCSI 接口直接连接在一起，是目前高校常用的一种存储方式，这种方式成本低、配置简单、使用方便、在高校成立初期对高校还是比较有吸引力的，但这种方式无法满足高校目前的存储需求。

NAS，也叫网络附属存储，是一种将数据通过集中整合处理后，不同主机和应用服务器通过网络对其进行访问的技术。这种方式实际上是将存储器件（例如磁盘阵列、CD/DVD 驱动器、磁带驱动器或可移动的存储介质）和内嵌系统软件结合，实现共享跨平台文件的功能。相当于一台具有多种功能并且携带大量存储空间的系统服务器。这种方式的优点如下：成本方面，由于NAS 对设备和硬件要求较低，管理软件成本较低，总体成本比DAS 稍微高一些；使用方面，NAS设备的安装和使用简单方便，用户可以通过不同的服务器访问NAS 中的数据，大大减少服务器的系统开销。

使用NAS方式进行网络存储也需要考虑以下几个问题：由于NAS 传输数据是通过IP 网络进行的，如果IP 网络中存在大量的数据而出现网络拥塞或遇上网络高峰期，会严重影响系统性能；通过网络传输数据存在数据被窃取、数据被篡改等安全风险；由于存储只能以文件方式访问，而不能像普通文件系统一样直接访问物理数据块，大型数据库就不能使用NAS。

SAN 是一种专门为存储建立的独立于TCP/IP 网络之外的专用网络，因此存取速度很快，并且SAN 一般采用高端的RAID 阵列，使得SAN 的性能在前面几种存储方案中更受欢迎。

SAN 实际上是一个专用网络，所以它的扩展性很强，无论在SAN 系统中增加存储空间还是增加服务器都非常容易。通过SAN 接口的磁带机，SAN 系统可以方便高效地集中备份数据[2]。但是，它也存在如下一些缺点：由于采用的是光纤通信交换机和高端的RAID阵列，价格昂贵，部分商业企业无法承担高昂费用；数据传输采用的是单独建立的光纤网络，在异地扩展难以实现。

SAN 有FCSAN 与IPSAN 这2 种结构。早期的SAN默认指的是FCSAN，是采用光纤通道技术构建存储局域网。这种结构优点是输带宽高，最高可达到8 Gb/s，性能稳定可靠，技术成熟。但是由于这种方式需要在光纤网络上进行部署，目前高校网络均采用的是IP 网络，所有要重新采购光纤交换机和大量的光纤来搭建网络，成本非常高；FCSAN 在维护及配置方面较为复杂，需要培训专业的FC 网络管理员。

IPSAN 是在SAN 后产生的，是通过IP 网络构建存储网络。由于SAN 采用的是SCSI 小型计算机系统接口协议标准，不是IP 数据包，无法在TCP/IP 网络上进行传输，于是诞生了iSCSI 互联网小型计算机系统接口，用于实现在IP 网络上运行SCSI 协议，这样便能在各种高速以太网上进行数据的存取或备份等操作。IPSAN 的优点是可以在普通的网线和交换机所构成的以太网上运行，所以可以利用现有网络资源进行部署，成本有所降低，由于IP 网络技术比较成熟，所有IPSAN 在部署和管理方面难度低；目前以太网的速度最高可达万兆，这使得IPSAN 的传输带宽毫不逊色于FCSAN；基于IP 网络的天生优势，使得IPSAN 很容易实现异地存储、远程容灾等穿越WAN 才能实现的功能。

3 网络存储方案设计与实现

3.1 方案1

数字化校园建设涉及整个学校几乎所有部门如后勤、图书馆、财务、教务、网络中心等，虽然数据量不是很大，但是数据却非常重要，一旦出现问题，需要在很短时间内进行恢复，否则会给学校造成非常大的负面影响[3]。学校教务、OA.Web 等应用系统建设在不同的服务器上，数据分散、管理困难，原有服务器存储容量难以满足教学资源库、视频点播的应用需求。

学校中心机房可放置1 台联想PX12-450R（48 TB）NAS 设备实现对数据的集中存储，用户无需通过服务器就可直接访问NAS 设备。联想PX12-450R 属于企业级网络存储设备。用户可以直接通过NAS 设备访问数据而不用通过服务器，整个过程不占用服务器的系统资源。即使主服务器系统发生故障或系统崩溃时，用户仍然能够通过NAS 设备正常访问数据。PX12-450R最大支持12 颗3.5 英寸（约为8.89 cm）SATA 硬盘，支持4 TB SATA 硬盘，系统最大容量为48 TB。采用RJ-45 标准网络接口，在不关闭服务器或停止整个网络的情况下，直接将NAS 设备链接到主干网络的交换机或局域网中，通过Web 浏览器远程进行设备的设置、升级及管理。设备配备了3 种不同速率的网口，分别是十兆、百兆和千兆，满足各种存储速率的需求。PX12-450R 支持Windows、UNIX、Mac、Linux 和NetWare 等不同操作系统，并兼容多种网络访问协议，如NFS（Linux/UNIX）、AFP/Bonjour（Apple）、FTP、

SFTP、TFTP、HTTP、HTTPS、WebDAV、Windows DFS、SNMP。设备有防病毒功能，支持数据加密，确保数据安全，可支持48个以上摄像机工作。如果网络环境较好，且有较充足的资金，建议使用千兆网。

3.2 方案2

高校中占比最多的数据主要为监控视频数据，以200 路监控录像为例，200 路监控属于大型监控，光靠NVR（网络视频录像机）和硬盘是不行的，采用FCSAN成本较高，因此采用IPSAN 网络存储方式，将服务器与存储设备通过交换机进行连接，性能不算最好，但不受距离的限制，相比FCSAN 成本要低。

采用10 台32 路NVR，每台NVR 只使用24 路，这样可以预留8 路，后续如果需要扩展可直接添加进去，同时还可以降低NVR 监控点，防止码流大占用带宽。

数据存储方面，200 路监控录像1个月内所产生的数据量大约为150～300 T，通常视频采用h.265 编码格式进行存储，存储的实际数据量只有50%，即75～150 T。以150 T 为例，采用80 块4 T 的硬盘进行存储，每8 块硬盘组成1个RAID5，共有10 组，分别分配给每台NVR。采用千兆以太网作为存储网络来传输所有视频流，采用1 台联想SureSAS112i（双控iSCSI）磁盘阵列，总共安装80 块SATA 硬盘，用来处理来自NVR 的所有读写请求。

交换机方面，每个摄像机码率最低为5 M，只需要选择2 台千兆交换机，这里可以采用华为S5700 交换机，每台交换机负责100 路监控的数据处理。

可将该方案应用于大型公共监控系统中，如机场、港口或大型设施及博物馆、医院、商场中。它具有以下优点：具有高可扩展性、高性价比、高性能，可整合及统一管理存储空间，可集中管理设备。但存储方案是基于IPSAN 设计的，由于以太网本身传播机制的问题，在数据传输过程中会进行冲突检测，当访问的设备或存储设备过多时，整个存储系统的效率将大大降低。海量存储时，无法将所有的数据载入到系统缓存中，搜寻数据需要大量的磁盘I/O。大部分IPSAN存储采用的是SATA 磁盘，该磁盘在这方面的性能较弱[4]。

4 结论

本文采用NAS 和IPSAN 这2 种不同的方式构建存储系统，不仅满足校园内不同的业务需求，同时解决由于数据量大、类型多所导致的数据存储以及数据读取效率慢的问题。NAS 技术的特点是即插即用，在管理方面降低了难度，并且对硬件要求不高，降低了成本。IPSAN 技术的主要特点是速度快，同时可以在现有的系统上进行部署，部署简单、管理难度低、易扩展。随着存储技术的不断提高，服务器集群技术、数据镜像技术等都可以在该系统中实现，将会进一步提高网络存储系统的整体性能[5]。在具体应用存储技术的过程中，要将多种存储技术进行有效结合，因此学校要结合自身发展情况探寻适合自身发展的存储方案[6]。