用SoC专用单芯片构速建的存储系统
2010-12-18 11:00:59
来源：《半导体器件应用》2009年9月刊
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1 前言
当今在存储系统面临数据迅速增长带来的桃战，那就是降低成本和简化管理提高效率与服务质量。由于数据可以带来竞争优势，因此企业都在寻找存储、访问、保护和管理数据的方法，并要保证这些数据的安全。现今的业务环境和法规要求无论企业大小，都需要在更长时间里存储、保存和保护爆炸性增长的数据。
存储系统的主要用途是向应用提供数据，包括数据库、交易和数据仓库数据等传统结构化（块）数据，以及文件与对象等非结构化数据和电子邮件等半结构化数据。存储系统的效力以它向应用提供的服务质量(QoS)来衡量。为此如何研讨先迸的专业存储系统技术与应用是当今热门话题。而其中应用SoC芯片技术来架构专业存储系统及其应用领域是本文介绍的重点。
2 应用SoC芯片技术架构的专业存储系统技术特征
当今采用最先进的多核技术，将磁盘阵列所需的各项功能如：千兆/万兆主机信道接口，I/O处理器，RAID控制器，SAS/STA硬盘接口，高速内存，多核阵列处理机，管理中心及双控制器信道等集成在一颗SoC芯片，使存储系统的架构拥有最优异的运算性能，最佳的可靠度设计，及最低功耗等诸多设计优势。
应该说如今己有不少制造厂商在专业存储系统开发上有系列化的产品，如IBM、HITACHI及D-LinK 等公司。值此仅以 D-Link iSCSI IP—SAN存储系统为例作说明。
D-Link iSCSI IP—SAN存储：DSN存储产品系列采用SoC高度集成专用iSNP8000芯片，在磁盘读写性能上最高可达890MB（千兆机种）及1，160MB（万兆机种）。因此极适合需要高效读写运算能力环境的应用如：ISP邮件服务系统，电视台非编系统，高校电子图书馆系统，高速视频监控系统，D2D高速数据库备份等。其D-Link DSN-5220/5420干兆/万兆存储双控机种，可物理堆栈按需扩充以满足海量存储的应用需求，且双控制器可在完全Active-Active模式运行。DSN—5220/5420采用获有专利的双机全热备技术，使系统可以二倍速的性能运作，组成一个2个万兆口或16个千兆口的超性能双控存储系统。
(1)先进的SoC存储专用单芯片技术，大幅提升系统稳定性及可靠度
原本第一代的网络存储系统主要由分离的主板、RAD卡、iSCS或TOE控制器以及存储虚拟化软件等构成。这种方式存在很多局限。如今的网络存储阵列采用先进的SoC单芯片技术将主机网络接口，RAID控制器，多核阵列处理器，双控制器信道等硬件功能集成在一颗单芯片上，是新型开发专用芯片来架构整个iSCSI储存系统以支持8个千兆网或1个万兆网的环境。系统的运行具备极高性能与可靠度。提供更高扩展性、高性价比的解决方案。图1为先进的SoC存储专用单芯片构建示意框图。
(2)具有12核高速运算阵列处理器与读写性能
iSNP8000中心为12核高速运算阵列处理器，处理器间采用并行式计算架构并内建RAID硬件处理单元，使整体存储读写性能得到极速的效果。存储／网络子系统与阵列处理器及硬盘缓存间采用256 bit高速高带宽总线设计，配合最高为4GB的高速独立内存和缓存使系统的整体效能得到最大的发挥。内建的8个千兆接口及1个万兆接口，提供业界最高千兆／万兆主机端口密度，可直连8台干兆端口服务器，对比FC—SAN结构不须再额外配置昂贵的光纤交换机和光纤界面卡，简化并节省企业构建SAN存储系统的开销。图2为12核高速运算阵列处理器，读写性能架构框图。
(3) 一个新台阶存储系统
采用专为存储系统设计的高度集成SoC芯片与以服务器基础的组合式硬件设计相比，存在许多明显的优势，如通用型及专用型芯片的等级，双核及12核的性能，主机接口数大小，万兆网的支持，全硬RAID架构及智能高速I/O，独立的内存和缓存分离，低耗电的绿色环保设计等，使D—Link DSN iSCSI IP—SAN存储产品系列上一个新台阶。
(4) 全系列化产品线
该存储产品从DSN—1100/5槽，DSN-2100/8槽中低容量DSN-3200/15槽，到满足海量存储的堆栈式DSN—5210（单控）12槽，DSN—5220（双控）/12槽产品，可应用于中小企业校园网集中存储、视频监控、电子邮件系统、电视台非编系统、数据库备援、异地容灾等存储应用。
其DSN—5000系列达成以硬件双控制器设计HA高可用度功能。DSN—5220/DSN—5420双控机种使用两片可热插拔的iSNP8000主板，可设定为Active—Standby或Active—Active（后续软件升级）模式运作，使整体存储系统的可靠度及可用性提升至最高。在Active—Active双机运作模式下，二主控制器间透过获得专利的快速镜像技术，自动以硬件维持二片控制器的内容一致，任何一片控制器有问题时，另一片控制器可自动立即接手，确保整个系统达到0秒停机时间的要求，以保证在严格任务条件下的最高数据安全性保障。
而D—Link DSN-3400/DSN—5410/DSN—5420内建万兆接口，可使iSCSI IP—SAN运作于万兆(10G)环境下，并获得1，160MB/s系统存取性能的超高速度，对比2G/4G FC—SAN的速度超出甚多，因此在需要高速存取运算环境如：高清电视系统播放，多路VOD点播应用，大型ISP音乐／视频存取应用等，将是D—Link 万兆IP—SAN存储应用的良机。
2 先进的SoC存储专用单芯片构速建的专业存储的应用
2.1 数字视频监控系统方案
数字视频监控系统中可很好利用iSCSIIP—SAN存储作每一群中的本地监控存储，或将其设在中央群以执行中央集中存储。在数字视频监控系统中主要使用的连接媒介为以太网交换机，因此具有以太网接口的D—Link DSN iSCSI IP—SAN存储产品非常容易融入数字视频监控系统，成为视频渤音频流的存储中心。图3所示用先进的SoC存储专用单芯片构速建的数字视频监控系统方案框图。
以—个中型群100支网络摄像机为例，若视频码流设定为384kbps，则每支每天所须的存储容量约为4GB(=384kbps/8*60*60*24/1024)，100支/30天约须使用到12TB(=4GB*100*30)。可选用D—Link DSN—3200及1TBSATA硬盘，且可规划为RAID0(15T)或RAID5(14T)乃作数据保护目的。
在中央群执行中央集中存储可依目的执行重要点位的同步录像存储，或以人工方式将每日本地的录像数据由专线或互联网备份至中央存储系统，或可配用第三方备份软件自动执行远程增量备份，以自动执行远地备份作业。中央存储可能需要保存巨量存储空间，可选用D—Lmk DSN—5210/DSN—5410系列存储产品，除支持SATA/SAS硬盘外，亦可以堆栈型式扩充成支持最大至200TB的海量存储，以支援如平安城市/3111工程等所须的海量存储系统。
2.2 电子图书存储解决方案
数字图书馆应用系统包括：校园网范围内的高速图书资源访问，多媒体阅览室，电子教室，图书馆对外服务门户网站，海量图书资源存储中心，通过互联网的图书资源共享和读者接入服务。图书馆中心交换机，服务器及存储子系统等需满足大的网络数据流和多业务需求，使网络的中心不会成为网络的拥塞点。对内高速图书资源访问，多媒体阅览室，电子教室业务需求，在电子阅览室等地方，师生通过网络进行学习，下载资料、点播音视频。 对外服务门户网站，图书资源共享计划，读者接入服务业务，校外师生也可以通过VPN方式接入，方便访问图书馆资源。
图4所示用先进的SoC存储专用单芯片构速建的电子图书存储解决方案框图。
鉴于数字图书馆是属于海量存储的应用，且有众多师生等常上线使用，因此建议使用DSN—5220/DSN—5420双控制器机种，以满足快速存取应用，并可堆栈扩充。
DSN系列存储皆可同时支持最大至1，024部服务9S同时存取，满足多服务器系统的实时存取操作。
2.3 电子邮件存储解决方案
现今的个人数据通信除传统文字型式的邮件系统，越来越多的图片、音乐、视频等附加档案透过邮件传送及保存。以ISP业者拥有1，000万名邮件用户且平均保留1GB空间为例，便需要有10K TB的海量存储空间。
此外在同一单位时间有海量用户须同时存取邮件系统，服务器及存储的响应速度将影响系统的整体性能表现及客户的等待时间。 D-Link DSN—5220/DSN—5420配置有双控制器，可同时并行分布工作以达成双倍性能。每一个控制器最大可达到890MB/1，160MB存取性能，在双控制器同时并行工作下可达到1，700MB/2，200MB的超高性能表现，非常适合有海量用户的ISP邮件系统使用，图5所示用先进的SoC存储专用单芯片构速建的电子电子邮件存储方案框图。
在中小企业的公司电子邮件系统可选用DSN—1100(5T)，DSN—2100(8T)，或DSN—3200(15T)以架构中小企业所需的容量需求。此外在国内外纷纷立法要求企业相关的数据运行保存，D—Link DSN iSCSI IP-SAN系列可轻易融入企业现有的以太网络，方便企业IT人员的运营与维护。
2.4 数据备援存储解决方案
数据是每一家现代企业经营的生命线，如何将企业经营的数据妥善的运作及保存，对每一个现代化的企业都至关重要。
企业经营的数据包括有：人事、薪资、财务、ERP、库存、供货商、电子邮件、WEB、合同等等，这些数据若不慎损毁又无备援存储，将对企业造成莫大的伤害。因此需对企业运营的重要数据进行本地备援/异地备援。而对一些不能中止数据运行的企业则必须考虑异地容灾热备系统的建置。在建立数据备援存储机制时，必须考虑不同地点，如此可避免因不可预期灾害如火灾、水灾，使备援存储因位于同—地点而毁损。
iSCSIIP—SAN可由互联网进行异地备援，可将备援地布建于离主据点数百/千公理远距离，并可由非常便宜的互联网进行实时/非实时数据备援，此点是一般FC—SAN难以达成的。因此iSCSI IP—SAN是布建异地备援的最佳方案选择。
图6所示用先进的SoC存储专用单芯片构速建的数据备援存储方案框图。
D—Link DSN—3200/DSN—3400/DSN—5210/DSN—5220 iSCSIIP—SAN是企业建置异地备援的良好选择，其高速度的存取性能更可满足快速异地备援的企业需求。
2.5 医院PACS存储解决方案
医疗业务应用与基础网络平台的逐步融合正成为医院，尤其是大中型医院业务前进的新驱动。数据存储容量以及归档是PACS系统的关键技术，医学影像数据的存储更是整个系统的重要部分。
PACS系统是一个数据量大，数据类型复杂和事务并发多的实时系统，须将X光、断层扫描、核磁共振等影像数据长期在线保存。PACS系统要求满足大量的数据剖断口调用方便，且由于医学影像数据的特殊性，要求存储系统具有很高的安全性、容错性与备份机制。PASC系统对储存空间的需求非常大，为了成本考虑，储存架构会分成在线储存(On-line)和近线储存(Near-line)两个部分，前者提供前端医护人员随时调阅X光片等影像数据，后者则是做为备份及不具时效性数据的储存空间。
D-link DSN—5220/DSN—5420配备有双控制器容错机
当今在存储系统面临数据迅速增长带来的桃战，那就是降低成本和简化管理提高效率与服务质量。由于数据可以带来竞争优势，因此企业都在寻找存储、访问、保护和管理数据的方法，并要保证这些数据的安全。现今的业务环境和法规要求无论企业大小，都需要在更长时间里存储、保存和保护爆炸性增长的数据。
存储系统的主要用途是向应用提供数据，包括数据库、交易和数据仓库数据等传统结构化（块）数据，以及文件与对象等非结构化数据和电子邮件等半结构化数据。存储系统的效力以它向应用提供的服务质量(QoS)来衡量。为此如何研讨先迸的专业存储系统技术与应用是当今热门话题。而其中应用SoC芯片技术来架构专业存储系统及其应用领域是本文介绍的重点。
2 应用SoC芯片技术架构的专业存储系统技术特征
当今采用最先进的多核技术，将磁盘阵列所需的各项功能如：千兆/万兆主机信道接口，I/O处理器，RAID控制器，SAS/STA硬盘接口，高速内存，多核阵列处理机，管理中心及双控制器信道等集成在一颗SoC芯片，使存储系统的架构拥有最优异的运算性能，最佳的可靠度设计，及最低功耗等诸多设计优势。
应该说如今己有不少制造厂商在专业存储系统开发上有系列化的产品，如IBM、HITACHI及D-
D-
(1)先进的SoC存储专用单芯片技术，大幅提升系统稳定性及可靠度
原本第一代的网络存储系统主要由分离的主板、RAD卡、iSCS或TOE控制器以及存储虚拟化软件等构成。这种方式存在很多局限。如今的网络存储阵列采用先进的SoC单芯片技术将主机网络接口，RAID控制器，多核阵列处理器，双控制器信道等硬件功能集成在一颗单芯片上，是新型开发专用芯片来架构整个iSCSI储存系统以支持8个千兆网或1个万兆网的环境。系统的运行具备极高性能与可靠度。提供更高扩展性、高性价比的解决方案。图1为先进的SoC存储专用单芯片构建示意框图。
(2)具有12核高速运算阵列处理器与读写性能
iSNP8000中心为12核高速运算阵列处理器，处理器间采用并行式计算架构并内建RAID硬件处理单元，使整体存储读写性能得到极速的效果。存储／网络子系统与阵列处理器及硬盘缓存间采用256 bit高速高带宽总线设计，配合最高为4GB的高速独立内存和缓存使系统的整体效能得到最大的发挥。内建的8个千兆接口及1个万兆接口，提供业界最高千兆／万兆主机端口密度，可直连8台干兆端口服务器，对比FC—SAN结构不须再额外配置昂贵的光纤交换机和光纤界面卡，简化并节省企业构建SAN存储系统的开销。图2为12核高速运算阵列处理器，读写性能架构框图。
(3) 一个新台阶存储系统
采用专为存储系统设计的高度集成SoC芯片与以服务器基础的组合式硬件设计相比，存在许多明显的优势，如通用型及专用型芯片的等级，双核及12核的性能，主机接口数大小，万兆网的支持，全硬RAID架构及智能高速I/O，独立的内存和缓存分离，低耗电的绿色环保设计等，使D—
(4) 全系列化产品线
该存储产品从DSN—1100/5槽，DSN-2100/8槽中低容量DSN-3200/15槽，到满足海量存储的堆栈式DSN—5210（单控）12槽，DSN—5220（双控）/12槽产品，可应用于中小企业校园网集中存储、视频监控、电子邮件系统、电视台非编系统、数据库备援、异地容灾等存储应用。
其DSN—5000系列达成以硬件双控制器设计HA高可用度功能。DSN—5220/DSN—5420双控机种使用两片可热插拔的iSNP8000主板，可设定为Active—Standby或Active—Active（后续软件升级）模式运作，使整体存储系统的可靠度及可用性提升至最高。在Active—Active双机运作模式下，二主控制器间透过获得专利的快速镜像技术，自动以硬件维持二片控制器的内容一致，任何一片控制器有问题时，另一片控制器可自动立即接手，确保整个系统达到0秒停机时间的要求，以保证在严格任务条件下的最高数据安全性保障。
而D—
2 先进的SoC存储专用单芯片构速建的专业存储的应用
2.1 数字视频监控系统方案
数字视频监控系统中可很好利用iSCSIIP—SAN存储作每一群中的本地监控存储，或将其设在中央群以执行中央集中存储。在数字视频监控系统中主要使用的连接媒介为以太网交换机，因此具有以太网接口的D—
以—个中型群100支网络摄像机为例，若视频码流设定为384kbps，则每支每天所须的存储容量约为4GB(=384kbps/8*60*60*24/1024)，100支/30天约须使用到12TB(=4GB*100*30)。可选用D—
在中央群执行中央集中存储可依目的执行重要点位的同步录像存储，或以人工方式将每日本地的录像数据由专线或互联网备份至中央存储系统，或可配用第三方备份软件自动执行远程增量备份，以自动执行远地备份作业。中央存储可能需要保存巨量存储空间，可选用D—Lmk DSN—5210/DSN—5410系列存储产品，除支持SATA/SAS硬盘外，亦可以堆栈型式扩充成支持最大至200TB的海量存储，以支援如平安城市/3111工程等所须的海量存储系统。
2.2 电子图书存储解决方案
数字图书馆应用系统包括：校园网范围内的高速图书资源访问，多媒体阅览室，电子教室，图书馆对外服务门户网站，海量图书资源存储中心，通过互联网的图书资源共享和读者接入服务。图书馆中心交换机，服务器及存储子系统等需满足大的网络数据流和多业务需求，使网络的中心不会成为网络的拥塞点。对内高速图书资源访问，多媒体阅览室，电子教室业务需求，在电子阅览室等地方，师生通过网络进行学习，下载资料、点播音视频。 对外服务门户网站，图书资源共享计划，读者接入服务业务，校外师生也可以通过VPN方式接入，方便访问图书馆资源。
图4所示用先进的SoC存储专用单芯片构速建的电子图书存储解决方案框图。
鉴于数字图书馆是属于海量存储的应用，且有众多师生等常上线使用，因此建议使用DSN—5220/DSN—5420双控制器机种，以满足快速存取应用，并可堆栈扩充。
DSN系列存储皆可同时支持最大至1，024部服务9S同时存取，满足多服务器系统的实时存取操作。
2.3 电子邮件存储解决方案
现今的个人数据通信除传统文字型式的邮件系统，越来越多的图片、音乐、视频等附加档案透过邮件传送及保存。以ISP业者拥有1，000万名邮件用户且平均保留1GB空间为例，便需要有10K TB的海量存储空间。
此外在同一单位时间有海量用户须同时存取邮件系统，服务器及存储的响应速度将影响系统的整体性能表现及客户的等待时间。 D-
在中小企业的公司电子邮件系统可选用DSN—1100(5T)，DSN—2100(8T)，或DSN—3200(15T)以架构中小企业所需的容量需求。此外在国内外纷纷立法要求企业相关的数据运行保存，D—
2.4 数据备援存储解决方案
数据是每一家现代企业经营的生命线，如何将企业经营的数据妥善的运作及保存，对每一个现代化的企业都至关重要。
企业经营的数据包括有：人事、薪资、财务、ERP、库存、供货商、电子邮件、WEB、合同等等，这些数据若不慎损毁又无备援存储，将对企业造成莫大的伤害。因此需对企业运营的重要数据进行本地备援/异地备援。而对一些不能中止数据运行的企业则必须考虑异地容灾热备系统的建置。在建立数据备援存储机制时，必须考虑不同地点，如此可避免因不可预期灾害如火灾、水灾，使备援存储因位于同—地点而毁损。
iSCSIIP—SAN可由互联网进行异地备援，可将备援地布建于离主据点数百/千公理远距离，并可由非常便宜的互联网进行实时/非实时数据备援，此点是一般FC—SAN难以达成的。因此iSCSI IP—SAN是布建异地备援的最佳方案选择。
图6所示用先进的SoC存储专用单芯片构速建的数据备援存储方案框图。
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2.5 医院PACS存储解决方案
医疗业务应用与基础网络平台的逐步融合正成为医院，尤其是大中型医院业务前进的新驱动。数据存储容量以及归档是PACS系统的关键技术，医学影像数据的存储更是整个系统的重要部分。
PACS系统是一个数据量大，数据类型复杂和事务并发多的实时系统，须将X光、断层扫描、核磁共振等影像数据长期在线保存。PACS系统要求满足大量的数据剖断口调用方便，且由于医学影像数据的特殊性，要求存储系统具有很高的安全性、容错性与备份机制。PASC系统对储存空间的需求非常大，为了成本考虑，储存架构会分成在线储存(On-line)和近线储存(Near-line)两个部分，前者提供前端医护人员随时调阅X光片等影像数据，后者则是做为备份及不具时效性数据的储存空间。
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