软件定义存储:下一代存储在数字资源长期保存中的应用
2017-02-27董晓莉
董晓莉
〔摘要〕本文在介绍软件定义存储概念和技术特征的基础上,对应用于数字资源长期保存系统建设的传统存储弊端和软件定义存储优势进行了深入的对比和剖析,引出软件定义存储对数字资源长期保存存储系统建设的影响,并进一步分析了合作模式下数字资源长期保存的存储需求,进而提出基于软件定义存储的数字资源长期保存存储系统架构。最后,本文有针对性地提出了基于软件定义存储的长期保存存储系统建设策略。对数字资源长期保存系统的建设起到一定的借鉴作用。
〔关键词〕长期保存;数字图书馆;数字信息资源;软件定义存储
DOI:10.3969/j.issn.1008-0821.2017.02.008
〔中图分类号〕G25076〔文献标识码〕A〔文章编号〕1008-0821(2017)02-0038-06
〔Abstract〕This paper gave an overview on the basic concept and technical architecture of SDS,then the paper compared and analyzed the disadvantages of the traditional storage and the advantages of software defined storage in the application of digital preservation.Besides,it further put forword the impact of software defined storage for long-term preservation.And then the software defined storage reference architecture for long-term preservation combined with the software defined storage requirements was proposed,finally the evolution of ideas were put forward.
〔Key words〕long-term preservation;digital library;digital information resources;software defined storage
安全可靠的存储环境是数字资源长期保存工作的基础和保障,数字资源长期保存的关键在于维护数字形态资源的可用性、可表现性、可理解性、真实性和可识别性,但其面临着数据易丢失、介质故障、海量资源存储、软硬件过时等与存储资源息息相关的不良因素影响,给数字信息的稳定可靠带来巨大的挑战。
同时数字资源长期保存工作还面临着技术、经济、法律等诸多方面的问题,任何一个机构仅凭一己之力难以胜任,需要跨机构、跨行业、跨地域间的协同合作;且随着社会的发展和科学技术的进步,数字信息的增长量也呈现出指数级增长的趋势。面对数字资源爆炸式增长的存储需求以及协同合作长期保存工作模式的推广,存储系统必须具备足够的灵活性、高可靠性、开放性以及智能化,才能长期应对海量数字资源的保存需求;同时,为保障数字信息的长期可用性,在数字资源长期保存过程中还需要依托存储系统的数据服务完成对保存资源的合理备份和迁移。因此,从灵活性、安全性、支持跨地域协同工作、跨异构环境的配置和管理、对异构资源的持续监控、效能管理、降低成本、易扩展等方面考虑,探索可持续发展的数字资源长期保存存储解决方案,是当前长期保存领域面临的重要问题之一。
随着互联网、云计算的快速普及以及大数据时代下数字信息资源的爆炸性增长,为了打破传统存储系统软硬件紧耦合造成的系统割裂状态,增强存储系统的横向扩展能力,进一步实现资源的集中统一管理,提高系统的开放性,软件定义存储(Software Defined Storage,SDS)应运而生。数字资源长期保存工作中引入软件定义存储,不但可以简化运行管理,保障长期保存系统底层存储平台安全、稳定、高效运行,而且可以实现基础设施资源的按需配置和动态调整,改进合作模式下数字资源长期保存工作的业务流程,有效平衡效能与成本的比率,提高长期保存系统存储资源部署管理的自动化、标准化和一体化水平。本文通过对软件定义存储的分析,进一步探讨其在数字资源长期保存中的应用,为国内外同行提供参考。
1软件定义存储对数字资源长期保存的影响
11软件定义存储概念
2013年“软件定义存储”的概念被提出,旨在创造一种新的存储方法,以此来改进原先由硬件驱动的存储设计方式。由于软件定义存储的发展时间较短,目前国内外并没有对其形成统一的定义,各大存储厂商和存储研究机构分别从不同角度、不同侧重对软件定义存储作出了定义。如2013年,EMC[1]推出其對软件定义存储的定义,该定义包括可以在不同的地理位置、不同服务器产品或不同厂商的磁盘阵列上扩展、能够将所有基础存储资源虚拟化后融入资源池、以及开放API等。同年,IBM中国也推出了其软件定义存储的技术路线图,即SDS10实现存储虚拟化,并针对工作负载进行优化;SDS20是在虚拟化基础上实现存储平台的开放和可扩展性;SDS30将更突出平台开放和分析功能,并通过智能的数据管理完全实现应用对存储资源的动态分配和管理。
与此同时,各研究机构也纷纷推出其针对软件定义存储的定义。如全球网络存储工业协会(Storage Networking Industry Association,SNIA)[2]认为软件定义存储应具备以下典型特征:容许用户“自主创建”,用户可以自主选择硬件品牌,并通过所提供的软件完成解决方案;既支持通用硬件,又可支持专用硬件的既有增强功能;支持几乎所有存储的横向扩展和纵向扩展;支持异构存储资源的统一池化管理;提供的存储和数据服务可进行渐进式延展;支持全局自动化管理;为用户提供丰富的自助服务接口;提供基于服务级别的管理形式,可通过标注元数据来驱动某类型的存储数据服务;容许管理员设置存储数据服务的管理策略;支持存储和数据服务的解聚。IDC对软件定义存储的定义如下:软件定义存储将数据中心或者跨数据中心的各种存储资源抽象化、池化,以服务的形式提供给应用,满足应用按需(如容量、性能、QoS、SLA等)自动化使用存储的需求[3-4]。
由此不难看出,目前对软件定义存储的定义主要分成两类,一类是以传统存储厂商为代表,他们重点关注自身存储产品,将自身拥有的存储管理软件从存储设备中抽离出来,形成一套用于管理自身存储硬件和第三方存储硬件以及通用硬件的管理软件系统,并利用虚拟化技术将底层存储硬件池化,向前端应用提供存储资源。另一类以一些研究机构为代表,他们更强调硬件平台的通用性,通过软件功能完成传统存储系统的多路径、容错、故障恢复等功能并提供有质量保证的服务,同时其可以在不直接操作存储底层硬件的情况下,实现数据分配的动态部署并保证自动保持所需服务级别。
虽然目前各方对软件定义存储的定义不尽相同,各有侧重。但不难发现自动化、良好的扩展性、开放性以及基于策略或者应用驱动服务已经成为各家定义中的必备元素。笔者认为,软件定义存储与以往通用存储系统不同,它已经突破了存储功能与硬件绑定的限制,把存储资源提供的控制能力抽象出来,并将其与数据访问层面分开,通过抽象出的控制能力管理来自不同厂商的所有物理和虚拟存储资源,按需提供智能服务。软件定义存储已逐步转变为一种数据存储方式,一种由软件驱动的非专属存储系统。在该系统中,所有与存储相关的软件与物理系统相剥离,不再是一个固件;物理存储系统则成为不受限制的共享池,方便用户有效利用。
12软件定义存储特征
软件定义存储架构的核心思想在于硬件解耦、软件定义、弹性扩展和资源融合。与传统存储架构相比,软件定义存储无论在可维护性、可扩展性、产品价格以及产品的选择等方面都有更大的优势和灵活性。限于当前技术环境下,软件定义存储应具有如下特征[5-6]:
121智能且自优化
通过定义标准的应用编程接口(API)可以进行自动化存储配置,以满足应用程序和用户所需要的存储资源,无需人工干预;通过元数据设定,可以自动地进行存储资源的部署、优化和管理,并为应用提供所需的服务。该特性将极大地简化应用系统管理员的配置工作,有利于存储资源与应用系统的集成,有效降低管理成本。
122系统架构灵活,支持异构设备的统一管理
软件定义存储的一个优势在于对异构存储设备的整合,其可以实现对不同类型的存储系统(如NAS、SAN、对象存储等)和不同厂商存储设备的快速接入和统一管理,为实现存储资源池化和全局统一管理创造条件。
123良好的可扩展性(主要指横向扩展)
软件定义存储的存储控制器可以放置在任何位置,比如将存储管理控制软件放置在虚拟服务器架构中,借用其主机的计算能力和扩展能力,不但可以消减部署费用,而且可以有力地增加存储架构的可扩展性。
124存储虚拟化
存储虚拟化可以聚合异构存储资源并将其池化,使得所有存储设备中的存储容量均可以得到充分利用,有效提高空间利用率,降低成本。同时软件定义存储提供的资源(空间、I/O能力)自由分配和组合的能力,减少了应用对存储硬件资源的绑定,增加了异构存储设备的整合能力。特别是软件定义存储所具有的数据跨异构存储孤岛的功能,有助于实现数据的无缝迁移,方便管理。
125丰富的数据接口
软件定义存储可以对外提供丰富的数据接口,如文件系统接口(NFS、CIFS等)、块接口(iSCSI、FC等)、对象接口(S3、SWIFT等)以及大数据接口(HDFS)等,用戶可以根据应用需求自行选择合适的存储接口和协议。
13传统存储的劣势
当前基于传统存储(如SAN、NAS、DAS等)的独立存储中心仍是长期保存实践中的主流存储,但伴随跨行业、跨地域工作模式的增加以及丰富多样海量数据存储需求的驱动,传统存储在某些方面已经无法满足合作模式下长期保存用户对集中、动态管理存储资源的需要。
131传统存储的扩展能力较差
传统存储通常采用专有存储硬件设备,系统部署和扩容较为复杂,需要专业人员处理,且周期较长;从其他存储设备中调配容量,将打乱原有数据的部署规则和原有的网络拓扑结构,不利于后续管理;传统存储以控制器为核心,存储管理软件与硬件紧密耦合的设计理念导致其仅支持纵向扩展,无法支持横向和纵向的双向灵活扩展。
132传统存储的成本较高
传统存储产品硬件扩容时,由于受到原有设备选型的局限,无法采购新型性价比更好的产品;同时各家产品存在技术壁垒,通常采用专有存储硬件且与存储软件绑定,通用性差,对厂商依赖性很大,维护成本很高。
133传统存储运行管理复杂
传统存储由于各设备的运行管理方式较为独立,且差异较大,无法实现全局统一管理和调度,即使采用第三方管理软件,也无法脱离原有存储控制软件对底层存储资源进行调配的依赖性;对资源的调度只能局限于存储系统内部,无法实现跨存储节点的灵活迁移。
同时,伴随数字资源长期保存合作模式的推广,未来的保存机构对资源存储提出了更多的要求。首先,面对用户泛化的信息需求,特别是“大数据”技术的飞速发展,用户“大数据”也将作为一种重要资源被纳入数字资源长期保存对象集合之中。随着保存机构对保存对象的界定逐渐宽泛,数字资源长期保存将对结构化、半结构化和非结构化数据的存储空间产生更大的需求;其次,伴随长期保存由单中心模式变为多中心模式,其业务模式变化加快,这不但需要数字保存中心的存储拥有更灵活的扩展和响应能力,而且需要其具有更便捷的配置能力以及更精细化的管理模式。
软件定义存储和传统存储设备的主要差异在于其在可扩展性和统一操作方面的突出优势,而这些优势恰恰可以缓解合作模式下数字资源长期保存在存储容量和资源有效管理等方面的难题。采用软件定义存储的长期保存存储环境,不仅体现出数字资源存储容量的巨大变化,而且可以提供基于容量、性能等存储资源统一调配的管理控制,实现对资源的集中监控和动态管理,屏蔽底层SAN、NAS等异构存储、服务器、SAN存储交换机、网络交换机等硬件设备的差异,从而解决数字资源长期保存在存储空间有限和难于有效管理方面的难题。同时其可以在不改变设备网络拓扑架构的情况下,将原各保存中心已购置的存储资源整合起来,及时响应业务需求,节约再次购置存储资源的成本,这既能使数字资源长期保存系统拥有无限量存储资源,又能有效降低保存成本,提升设备管理工作效率。
14软件定义存储应用于数字资源长期保存的优势
目前,各数字文化遗产机构的存储系统各自自成体系,扩展能力有限,管理成本巨大,利用软件定义存储的优势,将存储软件从硬件资源中剥离出来,不但可以实现对全局存储存储资源和数字资源的自动化管理,同时可以打破不同机构存储间的壁垒,提高存储平台的横向扩展能力,延长存储资源的利用周期,加强长期保存系统平台的整体健壮性。软件定义存储可以解决合作模式下分布式数字资源长期保存存储平台建设的如下问题[7-8]:
141异构存储的集中统一管理
各保存机构中已购置的大量异构存储进一步增加了管理的复杂性。如何利用有限的存储资源实现混合环境下各种异构存储的管理,同时最大化地简化管理难度是亟需解决的问题之一。软件定义存储的存储自动化集中统一管理能力,不仅可以在单一管理界面下实现跨异构环境的存储管理,而且可以有效简化异构存储的管理难度。此外,其自动化功能可以及时检测到存储系统故障并及时处理,有利于保持长期保存业务的连续性。
142异构存储的整合
利用软件定义存储实现已有异构存储的整合再利用,不仅可以提高存储生命周期的使用效率,降低各保存机构新增存储的采购需求,而且对于新增的异构存储也可以通过整合实现统一管理。
143异构存储的资源配置效率
传统存储配置方式造成大量存储资源闲置,同时无法满足合作模式下长期保存业务对大规模资源存储和管理效率的需求。软件定义存储可以实现在有限的存储资源条件下,通过资源池化提高存储资源利用率和配置率,简化以工作负载为核心的存储资源部署管理,降低异构存储资源配置所需的时间,提高整体存储资源的管理效率。
144卷高可移动性
数字资源长期保存存储平台在运行过程中,无法避免会出现宕机,进而造成业务中断甚至数据丢失。软件定义存储的卷高可移动性,不但使数字资源长期保存的存储系统具有故障切换能力,而且可以有效确保其业务持续运行的能力和保存数据的安全性和高可用性。同时,多站点保存机构间的存储资源均衡,有利于存储资源利用最大化,特别是软件定义存储具有的跨数据中心的存储卷自动迁移能力,将有效确保存储卷的高可移动性。
此外,软件定义存储可通过增加复制、压缩等技术,优化数据存储,进而优化长期保存系统性能,加快保存系统的响应时间,减少能耗,消减保存成本。由此可见,软件定义存储已成为未来合作模式下数字资源长期保存存储平台建设的重要选择之一。
2基于软件定义存储的长期保存存储系统架构设计
数字资源长期保存数据量飞速增长,如果需要保存这些珍贵资源,就需要存储系统快速地供给足够的存储资源,否则一旦存储容量的扩展速度跟不上海量数据的增长速度,将会导致数据管理失控,并直接导致保存资源失效。因此,在面向合作模式下的数字资源长期保存存储系统设计与实现中,与性能、成本等其它因素比,支持高效管理、弹性扩展、可靠性、数据一致性是刚性需求。
21系统需求
合作模式下数字资源长期保存系统的底层数据集中存储平台应为上层提供安全、可靠的数据服务和稳定健壮的存储环境,以保证上层长期保存应用可为用户提供真实、可靠且具有可用性保障的数字资源。因此数字资源长期保存存储系统应具有如下能力:
211跨数据中心的存储资源统一管理能力
随着长期保存数字资源总量的爆炸性增长,存储规模越来越大,而当资源量上升到EB或ZB级别后,很难由一个机构的数据中心完成,需要跨地域、跨机构、跨行业进行存储资源与存储服务的统一组织和管理。面对庞大的源于不同机构的异构存储资源以及难于统一调配的存储资源等难题,必须增强虚拟化管理、端到端的存储自动化管理以及异构存储自发现管理等方面的能力,以实现对各地各机构存储资源集中控制和统一管理。
212完善的大规模分布式安全存储架构
存储系统应支持分布式架构,具有横向和纵向的双向扩展能力,可实现不同机构异构存储系统间的资源共享,同时支持对数字对象进行有效的管理、协作、控制共享、传输、备份与恢复,可通过层次逻辑名称实现对保存数据对象的统一有序的控制与管理,保障资源的安全性和一致性。
213较强的智能管理功能
合作模式下,存储系统中的物理存储节点数量从几个到几十个不等,面对超大规模的I/O吞吐需求,在保证数据安全、一致的前提下,应高效进行节点间的负载均衡,充分发挥空闲节点的作用,保证服务质量,提高系统运行效能。
214面向长期保存应用的专业化管理策略
可根据长期保存业务流程,设定合理的且简单易控的管理策略,并根据应用的变化进行弹性配额。通过采集长期保存应用系统运行的反馈数据进行容量、性能等方面的智能分析,结合存储设备的相关特性(如存储容量、设备类型、性能指标等),为保存应用选择最合适的存储资源,以完成自动化调配,如自动化精简配置、存储空间的动态分配等,实现针对长期保存应用进行的专业化策略管理。
215开放灵活的自主服务机制
通过在面向数字资源长期保存工作流中嵌入相关存储技术,如快照管理、压缩解密、分层存储、备份恢复、性能监控、注册认证、硬件检测等,可形成数字资源长期保存需求驱动下基于存储策略的存储资源和保存数据的高效、统一的自助服务体系,并实现有效提高保存资源的安全可靠性、降低资源保存管理成本。
22基于软件定义存储的长期保存存儲系统架构
合作模式下的数字资源长期保存要求数据信息具有较强实时可用性、活动可控性和数据管理动态可维护性。因此,在数字资源长期保存存储系统的设计中,应结合不同保存机构的资源特征、资源来源以及保存需求,重点做好保存系统在资源质量保证、高效且可靠的存储策略以及资源存储平台可靠性和可扩展性等方面的建设工作。基于以上分析,结合软件定义存储的特征,笔者认为在设计基于软件定义存储的数字资源长期保存存储系统时,应重点考虑灵活的存储配置策略、多样化的异构存储供给能力、存储资源和保存信息的安全性以及存储资源的弹性扩展等方面的内容,其参考架构图如图1所示。
该系统的设计过程在坚持开放、互联、模块化和低复杂度的前提下,将系统划分为3个层次:策略驱动的控制平台层、虚拟数据平台层、集合存储池层。各个层次相互独立,高层系统模块依靠较低层的模块提供服务支持,最终为各机构和用户的数字资源长期保存应用提供安全、高效、经济、可控的存储保障。
221集合存储池层
该层是非常重要的一层,主要由3个部分组成。其一是由各个保存机构存储构成的物理存储部分,该部分将各机构已购置的异构存储资源,如高性能的SAN存储、高扩展性的NAS存储以及对象存储等整合并池化。其二是存储管理接口部分,该部分支持通过多种访问接口实现对底层图1基于软件定义存储的长期保存存储系统架构
异构存储资源的访问,如全球网络存储工业协会(Storage Networking Industry Association,SNIA)定义的SMIS-S协议和CDMI协议,以及第三方专有访问接口等。系统可通过通用或专用访问接口,实现对存储硬件设备的访问和存储设备特性的充分利用。其三是数据服务部分,该部分通过软件定义可以实现或者提升传统存储设备的相关功能,如去重、快照、数据复制以及压缩加密等。集合存储池层由上层控制平台进行统一管理和调度,通过管理管理接口和数据接口面向长期保存应用提供存储服务。
222虚拟数据平台
系统可通过协议转换的方式,对外部长期保存应用提供丰富的数据接口,如对象接口、文件接口、HDFS接口、块接口等等。
223策略驱动的控制平台
系统可根据预设的基于存储设备的性能、可靠性等指标进行相关策略配置,同时结合长期保存业务工作预设的资源存储工作流,为保存应用提供自服务管理、调配管理等方面的控制。如计算方面的CPU/GPU/内存等、网络控制方面的安全连接、带宽管理等以及存储资源提供、存储服务优化、全局数据目录、资源呈现管理等等。
该模型通过软件对底层存储硬件资源进行池化和统一管理,克服了原有刚性存储架构扩容艰难,仅能静态分配的难题,有效增强了整体存储平台的扩展能力。采用基于存储设备的性能、可靠性等方面的规则进行相关存储策略配置,同时实现对存储资源进行统一管理,易于用户结合应用需求及时增加或调整存储策略,方便管理。集合存储池屏蔽了底层异构复杂环境,完成了对底层存储资源的抽象,以存储资源池的方式对外提供服务,有效提高了资源共享的能力。同时系统可利用数据压缩、重复数据删除、数据加密、分层存储、数据复制等技术有效提高数据安全管理的能力;利用多链路冗余管理,负载均衡管理,以及硬件设备的状态监控和故障维护等手段有效保障存储系统的健康运行。
在该模型中,用户可以通过管理接口开放的API进行存储配置并调用相应的数据服务,以满足长期保存应用所需的存储资源,无需人工干预;通过元数据设定,即长期保存应用可将存储需求信息标记至每个保存对象文件,自动调用策略驱动的控制平台和虚拟数据平台,分别形成控制流和数据流,以完成保存资源和存储资源的优化、部署和管理。策略驱动的控制平台可根据保存需求元数据和预设的存储策略以及长期保存工作流程,为不同的保存需求选择合适的数据接口,并通过这些数据接口指引保存对象调用相应的存储资源、执行相应数据服务。该模型将极大地方便长期保存系统管理员的配置、优化存储资源、降低管理和存储成本。
23建设策略
基于软件定义存储的数字资源长期保存存储系统建设应重点考虑以下几点:首先在建设过程中,为了确保长期保存资源存储过程的安全、高效、经济和易控,保存机构可联合多个机构合作建设,采用分布式建设模式,利用软件定义存储数据服务所提供的多种存储技术,实现资源对象在集合存储池中的多份保存,以形成地域上分散的保存资源多副本。当单个保存机构存储系统硬件出现异常导致数据丢失时,由于集合存储池中多副本资源的存在,可有效保障长期保存的存储、访问等服务安全、高效、可控和不间断。其次,存储平台的建设应注重对海量保存资源的索引,充分利用软件定义存储较强的硬件兼容性、自服务、易扩展等特性,实现长期保存资源保存能力的动态扩展。第三,可充分利用软件定义存储预设的资源存储策略,结合不同机构的资源特点和保存需求,设定资源保存的安全级别、存储模式,满足保存资源短期和长期利用的需求,保障存储资源保存和利用的动态平衡。
利用软件定义存储建设数字资源长期保存存储系统需要分阶段实施。第一阶段,重点实现存储资源虚拟化。该阶段要结合长期保存工作对存储资源的需求,分析目前各机构长期保存存储资源的使用状况以及未来的购置计划,对存储资源进行合理配置。同时分析各机构长期保存资源,并按已设定的保存级别和安全级别进行等级划分,通过存储虚拟化手段,将各保存机构内部已有的异构存储资源整合为统一的存储资源池,以便于资源保存,并根据底层存储资源定义相关API,简化存储配置,以实现上层保存系统透明访问底层存储资源。第二阶段,解耦存储软件,实现存储功能软件化,降低长期保存存储系统建设成本。该阶段主要完成在已构建的集中存储池上建设数据服务功能,并将原置于存储硬件内部的功能(如快照、存储精简配置,重复数据删除等)与存储硬件解耦,统一归并到数据服务部分。同时该部分应支持第三方软件的无缝接入,支持长期保存数据底层功能的自定义开发。第三阶段,实现基于策略的自动化智能管理,并实现存储軟件和硬件的完全解耦,文件、块和对象存储设备将在通用的计算资源、存储资源上按需创建、灵活扩展。
3结语
近年,随着数字资源长期保存领域中各文化遗产机构合作增加,各机构原有的独立运行模式逐渐向跨行业、跨地域的工作模式转化,而传统存储明显在扩展能力、集中统一管理能力、成本控制等方面无法满足合作模式下数字资源长期保存用户对集中、动态管理存储资源的需要。而软件定义存储和传统存储设备的主要差异在于其在可扩展性和统一操作等方面的突出优势[9],这些优势恰恰可以缓解合作模式下数字资源长期保存在存储空间和有效管理方面的难题。
软件定义存储作为一种新的技术已经引起很多业界研究和保存机构的重视,其出现为数字资源长期保存存储系统的建设提供了一种新的选择。在数字资源长期保存工作中引入软件定义存储,利用其存储自动化集中统一管理能力,可以有效实现跨异构环境的存储管理,降低异构存储的管理难度;利用其对异构存储资源的整合再利用能力,可以有效提高存储生命周期的使用效率;利用其资源池化能力,可以有效提高整体存储资源的管理效率;利用其卷高可移动性,可以有效确保长期保存业务持续运行,提高数据的安全性和高可用性。虽然目前数字资源长期保存领域应用软件定义存储的成功案例还很鲜见,但其已突显出在数字资源长期保存领域应用的技术优势。相信,随着软件定义存储技术的不断发展,其自动化、优良的横向扩展能力、开放性以及基于策略或者应用驱动服务等特点必然会在数字资源长期保存工作中发挥重要作用,其必将成为未来合作模式下数字资源长期保存存储平台建设的重要选择之一。
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(本文责任编辑:郭沫含)