CN1688982A - 为文件和块存取协议提供综合支持的多协议存储设备 - Google Patents

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Abstract

一种多协议存储设备用于以综合方式为网络连接存储器(NAS)和存储区域网(SAN)部署对存储装置上存储的信息的文件和块协议存取。该设备的存储操作系统实现文件系统(320)，它与新颖的虚拟化模块配合以提供将装置提供的存储空间“虚拟化”的虚拟化系统(300)。该文件系统提供卷管理能力，用于对装置上存储的信息的基于块的存取。虚拟化系统(300)允许文件系统在逻辑上将信息组织为命名文件(324)、目录(326)和虚拟盘存储对象(322，328)，从而通过允许对文件和目录的基于文件的存取、同时还允许对虚盘的基于块的存取，对存储提供综合NAS和SAN设备方法。

Description

为文件和块存取协议提供综合支持的多协议存储设备
发明领域
本发明涉及存储系统，具体来说，涉及支持文件和块存取协议的多协议存储设备。
发明背景
存储系统是提供与在诸如存储器、带或盘的可写持久存储装置上的信息的组织有关的存储服务的计算机。存储系统通常设置在存储区域网(SAN)或网络连接存储器(NAS)环境中。当用于NAS环境内时，存储系统可作为包含操作系统的文件服务器来实施，该操作系统实现文件系统以便在例如盘上将信息在逻辑上组织为目录和文件的分级结构。每个“盘上”文件可实现为一组数据结构、例如盘块，配置成存储信息、如文件的实际数据。另一方面，目录可实现为特殊格式的文件，在其中存储有关其它文件和目录的信息。
文件服务器或文件管理器还可配置成根据信息传递的客户机/服务器模型来工作，从而允许许多客户机系统(客户机)存取文件管理器中存储的共享资源、如文件。文件的共享是NAS系统的特点，它是由于其对文件和文件系统的存取的语义级而实现的。在NAS系统中信息的存储通常部署在包括互连通信链路的地理分布集合的计算机网络、如以太网上，它允许客户机远程存取文件管理器中的信息(文件)。客户机通常通过根据预定义协议、如传输控制协议/因特网协议(TCP/IP)交换离散帧或数据包，与文件管理器进行通信。
在客户机/服务器模型中，客户机可包括在计算机上运行的应用，计算机通过诸如点到点链路、共享局域网、广域网或在公共网、如因特网上实现的虚拟专用网之类的计算机网络“连接”到文件管理器。NAS系统一般采用基于文件的存取协议；因此，各客户机可通过经由网络向文件系统发出标识一个或多个要存取的文件的文件系统协议消息(以数据包的形式)而不考虑数据在盘上存储的特定位置、如块，来请求文件管理器的服务。通过支持多个文件系统协议、如传统的公用因特网文件系统(CIFS)、网络文件系统(NFS)和直接存取文件系统(DAFS)协议等，可为将客户机组网而增强文件管理器的用途。
SAN是高速网络，它允许建立存储系统及其存储装置之间的直接连接。因此，SAN可看作是存储总线的扩展，因此，存储系统的操作系统允许采用基于块的存取协议通过“扩展总线”对存储信息进行存取。在此上下文中，扩展总线通常以光纤信道(FC)或以太网媒体来实施，适合在FC或TCP/IP/以太网上与块存取协议、诸如小型计算机系统接口(SCSI)协议封装配合工作。
SAN配置或部署允许存储器与存储系统、如应用服务器分离以及在应用服务器级的某种等级的信息存储共享。但是，存在SAN专用于单服务器的环境。在一些SAN部署中，以数据库的形式组织信息，而在其它部署中，则采用基于文件的组织。在信息作为文件来组织的情况下，请求信息的客户机保持文件映射及管理文件语义，而其请求(以及服务器响应)按照采用例如逻辑单元号(lun)对盘进行块寻址来对信息寻址。
先前的方法一般采用两种独立的解决方案针对SAN和NAS环境。对于为两种环境提供单一解决方案的那些方法，通常采用例如连接到SAN平台的“边车”装置将NAS功能“部署”在SAN存储系统平台上。但是，即使这些先有系统通常也是将存储分在不同的SAN和NAS存储域中。也就是说，SAN和NAS域的存储空间不共存，并且通过由例如用户(系统管理员)实现的配置过程在物理上分区。
这种先有系统的一个实例是可向EMC公司购买的Symmetrix系统平台。概括来说，SAN存储系统(Symmetrix系统)的各个盘被分配给NAS边车装置(例如CelerraTM装置)，边车装置又经由例如NFS和CIFS协议将那些盘导出给NAS客户机。系统管理员决定盘的数量以及组合以构建“用户定义的卷”的那些盘的“片”(盘区)的位置，然后再决定那些卷的使用方式。传统上用于SAN环境的术语“卷”意味着通过经由将那些盘区/盘组合为用户定义的卷存储实体的操作来指定物理盘和那些盘内的盘区而构建的存储实体。值得注意的是，包含用户定义的卷的基于SAN的盘和基于NAS的盘在系统平台内经过物理分区。
系统管理员通常通过面向可了解系统的基础物理方面的用户的复杂用户界面来呈现其决定。也就是说，用户界面主要围绕物理盘结构以及系统管理员必须进行的管理，以便代表客户机提供SAN平台的视图。例如，用户界面可提示管理员指定构建用户定义的卷所需的物理盘以及那些盘中的盘区大小。另外，该界面还提示管理员指定那些盘区和盘的物理位置以及它们作为对应某个盘或lun的用户定义的卷“胶合在一起”(组织)并且使(导出到)SAN客户机可见的方式。一旦物理盘及其盘区被选择用于构建卷，则只有那些盘/盘区才包含该卷。系统管理员还必须指定那个所构建卷的可靠性形式，例如独立(或廉价)盘冗余阵列(RAID)保护等级和/或镜像。RAID组则覆盖在那些所选盘/盘区之上。
总之，先有系统方法要求系统管理员细致地配置盘的物理布局及其组织，以创建作为单lun导出给SAN客户机的用户定义的卷。与这种先有方法相关的所有管理都建立在物理盘基础上。系统管理员要增加用户定义的卷的大小，则要添加盘以及重新计算RAID计算以包含与构成该卷的盘上存储的数据相关联的冗余信息。显然，这是一种复杂且昂贵的方法。本发明旨在对SAN和NAS存储环境提供一种简单有效的综合解决方案。
发明内容
本发明涉及多协议存储设备，它用于同时为网络连接存储器(NAS)和存储区域网(SAN)部署以综合方式对存储装置上存储的信息进行的文件和块协议存取。该设备的存储操作系统实现文件系统，该文件系统与新颖的虚拟化模块配合以提供“虚拟”装置所提供的存储空间的虚拟化系统。值得注意的是，该文件系统提供卷管理功能，用于对装置上存储的信息的基于块的存取。虚拟化系统允许文件系统在逻辑上将信息组织为命名文件、目录和虚拟盘(虚盘)存储对象，从而通过实现对文件和目录的基于文件的存取、同时还实现对虚盘的基于块的存取，对存储提供综合NAS和SAN设备方法。
在说明性实施例中，虚拟化模块例如作为虚盘模块和小型计算机系统接口(SCSI)目标模块来实施。虚盘模块提供从基于块的SCSI目标模块到文件系统所管理的块的数据通路。虚盘模块还与文件系统交互，从而允许管理界面、如流线型用户界面(UI)响应系统管理员向多协议存储设备发出命令而进行存取。另外，虚盘模块还通过实现由系统管理员经由UI发出的虚盘命令的综合集合以及其它操作，来管理SAN部署。这些虚盘命令被转换成基本文件系统操作，它们与文件系统和SCSI目标模块交互以实现虚盘。
SCSI目标模块又通过提供将存取请求中指定的对lun的逻辑块存取转换成对虚盘的虚拟块存取以及响应这些请求将虚盘转换成lun的映射过程，发起盘或逻辑单元号(lun)的模拟。这样，SCSI目标模块提供SAN块(lun)空间与文件系统空间之间的虚拟化系统的转换层，其中把lun表示为虚盘。通过将SAN虚拟化“部署”在文件系统之上，多协议存储设备颠倒先有系统采取的方法，从而为基本上所有存储器存取协议提供单个统一存储平台。
有利的是，综合多协议存储设备提供存取控制，以及在适当的时候提供对所有协议的文件和虚盘的共享，同时保存数据完整性。该存储设备还提供嵌入/集成的虚拟化功能，它消除了用户在创建NAS和SAN存储对象时分配存储资源的必要。这些功能包括虚拟化的存储空间，它允许SAN和NAS对象对于设备内的全局空间管理共存。此外，综合存储设备提供对相同虚盘的块存取协议的同时支持以及具有对群集的支持的异类SAN环境。
附图概述
通过参照以下结合附图的描述，可以更好地理解本发明的上述及其它优点，图中相似的参考标号表示相同或功能相似的元件：
图1是根据本发明、配置成在存储区域网(SAN)和网络连接存储器(NAS)环境中工作的多协议存储设备的示意框图；
图2是可有利地与本发明配合使用的多协议存储设备的存储操作系统的示意框图；
图3是根据本发明、与虚拟化模块交互的文件系统所实现的虚拟化系统的示意框图；以及
图4是流程图，说明通过SAN网络存取多协议存储设备中存储的信息时所涉及的步骤序列。
说明性实施例的详细描述
本发明针对多协议存储设备，它用于以综合方式对存储装置中存储的信息的文件及块协议存取。在这个上下文中，综合多协议设备表示一种具有诸如简化存储服务管理以及便于存储器重新配置等特征的计算机，其中包括可再使用的存储空间，用于网络连接存储器(NAS)和存储区域网(SAN)部署的用户(系统管理员)和客户机。存储设备可通过文件系统提供NAS服务，同时同一个设备通过SAN虚拟化、包括逻辑单元号(lun)模拟提供SAN服务。
图1是多协议存储设备100的示意框图，该设备配置成提供与存储装置、如盘130中的信息的组织有关的存储服务。存储设备100说明性地体现为一种存储系统，其中包括通过系统总线123互连的处理器122、存储器124、多个网络适配器125、126以及存储适配器128。多协议存储设备100还包括存储操作系统200，它提供虚拟化系统(以及具体的文件系统)，以便在逻辑上将信息组织为盘130上的命名目录、文件和虚拟盘(虚盘)存储对象的分层结构。
基于NAS的网络环境的客户机具有文件的存储观点，而基于SAN的网络环境的客户机则具有块或盘的存储观点。为此，多协议存储设备100通过创建lun或虚盘对象将盘提供(导出)给SAN客户机。虚盘对象(以下称作“虚盘”)是一种特殊文件类型，它由虚拟化系统实现并被转换成SAN客户机看作的模拟盘。此后，多协议存储设备使这些模拟盘通过受控导出可供SAN客户机存取，如本文进一步所述那样。
在说明性实施例中，存储器124包括可由处理器和适配器寻址的存储单元，用于存储与本发明相关的软件程序代码和数据结构。处理器和适配器又可包括配置成运行软件代码并处理数据结构的处理元件和/或逻辑电路。存储操作系统200的一部分通常驻留在存储器中并由处理元件运行，存储操作系统200特别通过调用该设备实现的存储服务所支持的存储操作，在功能上组织存储设备。本领域的技术人员十分清楚，其它处理及存储部件、包括各种计算机可读媒体都可用于存储和执行与本文所述的本发明的系统及方法有关的程序指令。
网络适配器125通过在公共网络(因特网)或共享局域网上实现的点对点链路、广域网、虚拟专用网(以下称作说明性以太网165)将存储设备耦合到多个客户机160a、b。因此，网络适配器125可包括网络接口卡(NIC)，它具有将设备连接到网络交换机、如传统的以太网交换机170所需的机电及信令电路。对于这种基于NAS的网络环境，客户机配置成存取多协议设备中以文件存储的信息。客户机160通过根据预定义的协议、如传输控制协议/因特网协议(TCP/IP)交换离散帧或数据包，经由网络165与存储设备进行通信。
客户机160可以是通用计算机，它配置成在包括UNIX和MicrosoftWindowsTM操作系统在内的各种操作系统上运行应用程序。在通过基于NAS的网络存取信息(以文件和目录的形式)时，客户机系统一般采用基于文件的存取协议。因此，各客户机160可通过经由网络165向设备发出文件存取协议消息(以数据包的形式)，来请求存储设备100的服务。例如，运行Windows操作系统的客户机160a可采用基于TCP/IP的公用因特网文件系统(CIFS)协议与存储设备100进行通信。另一方面，运行UNIX操作系统的客户机160b可采用基于TCP/IP的网络文件系统(NES)协议或者根据基于TCP/IP的远程DMA(RDMA)协议的基于虚拟接口(VI)传送的直接存取文件系统(DAFS)协议与多协议设备进行通信。本领域的技术人员十分清楚，运行其它类型的操作系统的其它客户机也可采用其它文件存取协议与综合多协议存储设备进行通信。
存储网络“目标”适配器126还将多协议存储设备100耦合到还可配置成存取作为块或盘的存储信息的客户机160。对于这种基于SAN的网络环境，存储设备耦合到说明性光纤信道(FC)网络185。FC是描述主要见于SAN部署中的一套协议和媒体的组网标准。网络目标适配器126可包括FC主机总线适配器(HBA)，它具有将设备100连接到SAN网络交换机、如传统的FC交换机180所需的机电及信令电路。除了提供FC存取之外，FC HBA还可为存储设备卸载光纤信道网络处理操作。
在通过基于SAN的网络存取信息(以块、盘或虚盘的形式)时，客户机160一般采用基于块的存取协议、如小型计算机系统接口(SCSI)协议。SCSI是具有标准的与设备无关的协议的外围输入/输出(I/O)接口，它允许不同的外围设备、如盘130连接到存储设备100。在SCSI技术中，在SAN环境中工作的客户机160是发起对数据的请求和命令的发起者。因此，多协议存储设备是配置成根据请求/响应协议响应发起者发出的请求的目标。发起者和目标具有端点地址，根据FC协议，这些地址包含全球名称(WWN)。WWN是由8字节数字构成的唯一标识符，例如节点名称或端口名称。
多协议存储设备100支持用于SAN部署中的各种基于SCSI的协议，包括在TCP上封装的SCSI(iSCSI)以及在FC上封装的SCSI(FCP)。因此，发起者(以下称作客户机160)可通过经由网络165、185发出iSCSI和FCP消息来请求目标(以下称作存储设备100)的服务，以便存取盘上存储的信息。本领域的技术人员十分清楚，客户机也可采用其它块存取协议来请求综合多协议存储设备的服务。通过支持多个块存取协议，多协议存储设备对于异类SAN环境中的虚盘/lun提供统一且相干的存取解决方案。
存储适配器128与存储设备上运行的存储操作系统200配合以存取客户机所请求的信息。信息可存储在盘130或适合存储信息的其它类似媒体中。存储适配器包括I/O接口电路，它通过I/O互连配置、如传统的高性能FC串行链路拓扑耦合到盘上。信息由存储适配器检索，以及必要时，在通过系统总线123转发给网络适配器125、126之前由处理器122(或适配器128本身)处理，其中信息被格式化为数据包或消息并返回给客户机。
信息在设备100上的存储最好是实现为一个或多个存储卷(例如VOL1-2150)，它们包括物理存储盘130的簇，定义盘空间的整个逻辑安排。卷中的盘通常被组织成一组或多组独立(或廉价)盘冗余阵列(RAID)。通过在RAID组中的给定数量的物理盘上写入数据“条”以及适当存储关于分条数据的冗余信息，RAID实现增强了数据存储的可靠性/完整性。冗余信息允许恢复存储装置出故障时丢失的数据。本领域的技术人员十分清楚，根据本发明，可采用其它冗余技术、如镜像。
明确地说，每个卷150由组织成RAID组140、142和144的物理盘130的阵列构成。根据说明性RAID 4级配置，各RAID组的物理盘包括配置为存储分条数据(D)的那些盘以及配置成存储数据的奇偶性(P)的那些盘。应当指出，其它RAID级配置(例如RAID 5)也可考虑与本文所述的理论配合使用。在说明性实施例中，可采用最少一个奇偶性盘和一个数据盘。但是，一种典型实现可以是每个RAID组包括三个数据盘和一个奇偶性盘以及每卷包括至少一个RAID组。
为了便于对盘130的存取，存储操作系统200实现新颖虚拟化系统的随处写文件系统，它把盘130所提供的存储空间“虚拟化”。文件系统在逻辑上将信息组织为盘上的命名目录和文件对象(以下称作“目录”和“文件”)的分级结构。各“盘上”文件可实现为配置成存储信息、如数据的盘块的集合，而目录则可实现为特殊格式的文件，在其中存储名称以及对其它文件和目录的链接。虚拟化系统允许文件系统进一步在逻辑上将信息组织为盘上的命名虚盘的分级结构，从而通过允许对命名文件和目录的基于文件（NAS)的存取、同时还允许在基于文件的存储平台上对命名虚盘的基于块(SAN)的存取，对存储提供综合NAS和SAN设备方法。该文件系统简化了SAN部署中管理基础物理存储器的复杂度。
如上所述，虚盘是在卷中的一种特殊文件类型，它从普通(常规)文件得出，但具有支持盘模拟的相关导出控制和操作限制。与可由客户机采用例如NFS或CIFS协议创建的文件不同，虚盘经由例如用户界面(UI)在多协议存储设备中作为特殊类型文件(对象)来创建。作为说明，虚盘为多索引节点(multi-inode)对象，其中包括保持数据的特殊文件索引节点以及至少一个保持包含安全信息的属性的相关流索引节点。特殊文件索引节点用作存储与模拟盘关联的数据、如应用数据的主容器。流索引节点存储允许lun和导出在例如重新引导操作上维持，同时还实现相对于SAN客户机作为单盘对象来管理虚盘的属性。在共同未决且共同转让的题为“Storage Virtualization by LayeringVdisks on a File System”的美国专利申请序号(112056-0069)中描述了可以有利地与本发明配合使用的虚盘及其相关索引节点的一个实例，通过引用将该申请结合于此，好像本文完整地提出那样。
在说明性实施例中，存储操作系统最好是可从Network Appliance，Inc.(Sunnyvale，California)购买的NetAppData ONTAPTM操作系统，它实现随处写文件布局(WAFLTM)文件系统。但是，明确地考虑，根据本文所述的本发明原理，任何适当的存储操作系统、包括适当位置可写文件系统可增强使用。因此，在采用术语“WAFL”的情况下，应当广义地认为是表示以其它方式可适合本发明的理论的任何存储操作系统。
本文所用的术语“存储操作系统”一般表示可在计算机上工作的计算机可执行代码，它管理数据存取，以及在多协议存储设备的情况下可实现数据存取语义，例如Data ONTAP存储操作系统，它实现为微核。存储操作系统也可实现为在通用操作系统、如UNIX或Windows NT中工作的应用程序，或者实现为具有可配置功能性的通用操作系统，如本文所述，为存储应用而配置。
另外，本领域的技术人员理解，本文所述的本发明系统及方法可应用于实现为或包括存储系统的任何类型的专用(例如存储服务设备)或通用计算机，包括独立计算机或其部分。此外，本发明的理论可适合各种存储系统体系结构，其中包括但不限于网络连接存储环境、存储区域网以及直接连接到客户机或主计算机的盘组件。因此，除了配置成执行存储功能并与其它设备或系统关联的任何子系统之外，术语“存储系统”还应当广义地包括这类配置。
图2是可有利地与本发明配合使用的存储操作系统200的示意框图。存储操作系统包括一系列软件层，它们经过组织以构成综合网络协议栈，或者更一般来说，是提供让客户机采用块和文件存取协议存取多协议存储设备中存储的信息的数据通路的多协议引擎。协议栈包括与网络协议层、如IP层212及其支持传输机制、TCP层214和用户数据报协议(UDP)层216接口的网络驱动器(例如千兆位以太网驱动器)的媒体存取层210。文件系统协议层提供多协议文件存取，为此包括对DAFS协议218、NFS协议220、CIFS协议222以及超文本传送协议(HTTP)协议224的支持。VI层226实现VI体系结构，以便提供DAFS协议218所要求的直接存取传送(DAT)能力、例如RDMA。
iSCSI驱动器层228提供TCP/IP网络协议层之上的块协议存取，而FC驱动器层230则与FC HBA 126配合对综合存储设备接收和发送块存取请求及响应。FC和iSCSI驱动器提供对lun(虚盘)的FC特定的和iSCSI特定的存取控制，从而管理当存取多协议存储设备中的单虚盘时对iSCSI或FCP或者对iSCSI和FCP两者导出虚盘。另外，存储操作系统包括实现例如RAID协议等盘存储协议的盘存储层240以及实现例如SCSI协议等盘存取协议的盘驱动器层250。
将盘软件层与综合网络协议栈层桥接的是根据本发明的虚拟化系统300。图3是虚拟化系统300的示意框图，它通过与说明性实施为例如虚盘模块330和SCSI目标模块310的虚拟化模块配合的文件系统320来实现。应当指出，虚盘模块330、文件系统320和SCSI目标模块310可通过软件、硬件、固件或其组合来实现。虚盘模块330被分层在文件系统320上(并与其交互)，从而提供从基于块的SCSI目标模块到文件系统所管理的块的数据通路。虚盘模块还允许管理界面、如流线型用户界面(UI 350)响应系统管理员向多协议存储设备100发出命令而进行存取。本质上，虚盘模块330特别是通过实现由系统管理员经由UI350发出的虚盘(lun)命令的综合集合，来管理SAN部署。这些虚盘命令被转换成基本文件系统操作(“原语”)，它们与文件系统320和SCSI目标模块310交互以实现虚盘。
SCSI目标模块310又通过提供将存取请求中指定的对lun的逻辑块存取转换成对特殊虚盘文件类型的虚拟块存取、以及响应这些请求将虚盘转换成lun的映射过程，发起盘或lun的模拟。SCSI目标模块说明性地部署在FC和iSCSI驱动器228、230与文件系统320之间，从而提供SAN块(lun)空间与文件系统空间之间的虚拟化系统300的转换层，其中lun表示为虚盘。通过将SAN虚拟化“部署”在文件系统320之上，多协议存储设备颠倒先有系统采取的方法，从而为基本上所有的存储存取协议提供单个统一存储平台。
根据本发明，文件系统提供用于对存储装置、如盘中存储的信息的基于文件的存取的能力。另外，文件系统提供卷管理能力，用于对存储信息的基于块的存取。也就是说，除了提供文件系统语义(例如将存储区分为离散对象以及那些存储对象的命名)之外，文件系统320提供一般与卷管理器相关联的功能。如本文所述，这些功能包括：(i)盘的聚集，(ii)盘的存储带宽的聚集，以及(iii)可靠性保证，例如镜像和/或奇偶性(RAID)，从而提供分层在文件系统上的一个或多个存储对象。多协议存储设备的一个特征是与这些卷管理能力相关联的使用的简单性，尤其是当用于SAN部署时。
文件系统320说明性地实现具有盘上格式表示的WAFL文件系统，它是采用例如4千字节(kB)块以及采用索引节点来描述文件的基于块的。WAFL文件系统采用文件来存储描述其文件系统的布局的元数据；这些元数据文件包括索引节点文件等。包含索引节点编号的文件句柄、即标识符用于从盘检索索引节点。在David Hitz等人的题为“用于保持文件系统的一致状态以及用于创建文件系统的用户可存取只读副本的方法”的美国专利第5819292号(1998年10月6日授权)中提供了文件系统、包括索引节点文件的结构的描述，此专利通过引用结合于此，好像本文完整地提出那样。
广义来说，文件系统的所有索引节点都被组织为索引节点文件。文件系统(FS)信息块指定文件系统中的信息布局，以及包括包含文件系统的其它所有索引节点的文件的索引节点。每个卷具有FS信息块，它最好存储于例如文件系统的RAID组内的固定位置。根FS信息块的索引节点可直接引用(指向)索引节点文件块，或者可引用间接索引节点文件块，这些块又引用直接索引节点文件块。在每个直接索引节点文件块中嵌入了一些索引节点，其中的每个可引用间接块，这些间接块又引用文件或虚盘的数据块。
根据本发明的一个方面，文件系统实现对虚盘322的存取操作以及对就存储单元的全局空间管理、如卷150和/或配额树(qtree)328而言共存的文件324和目录(dir 326)的存取操作。配额树328是特殊目录，它具有物理卷的名称空间内的逻辑子卷的属性。各文件系统存储对象(文件、目录或虚盘)说明性地与一个配额树相关联，以及配额、安全属性及其它项目可按每个配额树进行分配。虚盘和文件/目录可被分层在配额树328之上，配额树328又被分层在卷150之上，如通过文件系统“虚拟化”层320抽象的那样。
注意，文件系统320中的虚盘存储对象与多协议存储设备的SAN部署相关联，而文件和目录存储对象则与设备的NAS部署相关联。文件和目录一般不可经由FC或SCSI块存取协议进行存取；但是，文件可被转换成虚盘，然后再通过SAN或NAS协议进行存取。虚盘可通过SAN(FC和SCSI)协议作为lun进行存取以及通过NAS(NFS和CIFS)协议作为文件进行存取。
在本发明的另一个方面，虚拟化系统300提供虚拟化的存储空间，它允许SAN和NAS存储对象就文件系统320的全局空间管理而言共存。为此，虚拟化系统300采用文件系统的特性，包括其聚集盘并将它们抽象为单存储池的固有能力。例如，系统300补充文件系统320的卷管理能力，以便将盘130的集合组织成表示全局存储空间池的一个或多个卷150。全局存储池则通过分别创建虚盘322和文件324可用于SAN和NAS部署。除了共享相同的全局存储空间之外，虚盘和文件还共享相同的可用存储池，当扩展SAN和/或NAS部署时从其中提取。与先有系统不同，在多协议存储设备的全局存储空间内没有盘的物理分区。
多协议存储设备通过允许用户采用单一存储资源池来管理NAS和SAN存储对象，实质上简化了全局存储空间的管理。具体来说，对于SAN和NAS部署，从全局空闲池中按照细粒的块来管理空闲块空间。如果分立地(分开地)管理那些存储对象，则通常要求用户在手边保持一定量的“备用”盘，让各种对象响应例如商业目标的变化。与从单一资源池之中管理那些对象、其中仅有单组备用盘可用于商业所支配的扩展的情况相比，维护那种分立方法所需的开销更大。分别由虚盘操作所释放的块可立即由NAS对象再用(或者反之)。这种管理的详细情况对于管理员是透明的。这表示综合多协议存储设备的“所有权总成本”优点。
虚拟化系统300还为在多协议设备100的全局存储空间中共存的那些SAN和NAS存储对象提供可靠性保证。具体来说，通过例如在传统SAN系统的物理块级上执行的RAID或镜像之类的技术，面临盘故障的可靠性保证是从设备100的文件系统320继承的特征。这通过允许管理员对同样应用于文件系统中的虚盘和NAS对象的基础冗余物理存储进行全局决策，来简化管理。
如上所述，文件系统320将信息组织成盘130的卷150内的文件、目录和虚盘对象。在各卷150之下是RAID组140-144的集合，它们对卷内的盘故障提供保护和可靠性。根据说明性RAID4配置对由多协议存储设备提供服务的信息进行保护。这种保护等级可扩展为包括例如设备平台上的同步镜像。在卷中创建的受到RAID4保护的虚盘322在为卷150指定了同步镜像附加保护时“继承”该保护。在这种情况下，同步镜像保护不是虚盘的属性，而是基础卷的属性以及文件系统320的可靠性保证。多协议存储设备的这种“继承”特征简化了虚盘的管理，因为系统管理员不必处理可靠性问题。
另外，虚拟化系统300聚集盘130的带宽，而不要求用户了解那些盘的物理构造。文件系统320配置成根据聚集存储数据所用的卷的所有盘的带宽的输入/输出(I/O)存储操作在盘上将数据写(存储)为那些盘上的连续条。当对虚盘存储或检索信息时，I/O操作不是针对用户所指定的盘。相反，那些操作对于用户是透明的，因为文件系统根据其随处写布局策略以可靠方式在卷的所有盘上对该数据“分条”。由于块存储的虚拟化，因此到虚盘的I/O带宽可以是文件系统的基础物理盘的最大带宽，而与虚盘的大小无关(与传统块存取产品中的lun的典型物理实现不同)。
此外，虚拟化系统影响(leverage)文件系统布置、管理和块分配策略，以便使虚盘在多协议存储设备内正确地起作用。虚盘块布置策略是基础虚拟化文件系统的功能，而且没有文件系统块到面临修改的SCSI逻辑块地址的任何永久物理绑定。虚盘可以透明地重新组织，以便也许改变数据存取模式行为。
对于SAN和NAS部署，块分配策略与盘的物理属性(例如几何形状、大小、柱面、扇区大小)无关。文件系统提供文件324和目录326的基于文件的管理，以及根据本发明，虚盘322驻留在卷150内。当盘添加到连接多协议存储设备的阵列时，那个盘被结合到现有卷中以增加整个卷空间，其空间可用于任何目的，例如更多虚盘或更多文件。
通过使用可供系统管理员使用的UI350和虚盘命令集，简化了综合多协议存储设备100的管理。UI350说明性地包括命令行界面(CLI352)和图形用户界面(GUI354)，它们用来实现虚盘命令集，以便除其它的之外，还创建虚盘、增加/减小虚盘的大小和/或破坏虚盘。根据设备100的虚拟存储空间特征，被破坏的虚盘的存储空间则可再用于例如基于NAS的文件。虚盘可在用户控制下增加(“生长”)或减小(“收缩”)，同时保存对其应用数据的块和NAS多协议存取。
通过例如避免系统管理员明确配置及指定创建虚盘时要用的盘的必要，UI350简化了多协议SAN/NAS存储设备的管理。例如要创建虚盘，系统管理员只需要通过例如CLI 352或GUI 354发出虚盘(“lun创建”)命令。虚盘命令指定虚盘(lun)的创建以及虚盘的预期大小和到那个虚盘的路径描述符(路径名称)。作为响应，文件系统320与虚盘模块330配合以便将基础盘所提供的存储空间“虚拟化”，并创建由创建命令指定的虚盘。明确地说，虚盘模块330处理虚盘命令以“调用”文件系统320中的基本操作(“原语”)，它们实现虚盘(lun)的高级概念。例如，“lun创建”命令被转换为一系列文件系统原语，它们创建具有正确信息和大小以及在正确位置上的虚盘。这些文件系统原语包括创建文件索引节点(创建文件)、创建流索引节点(创建流)以及在流索引节点中存储信息(流写入)的操作。
lun创建命令的结果是创建具有指定大小的虚盘322，并且被RAID保护，而不必明确指定这种保护。信息在多协议存储设备的盘中的存储不是印刷字，而只是“原始”位存储在盘中。文件系统将那些位组织为卷内的所有盘上的虚盘和RAID组。因此，所创建的虚盘322不需要明确地配置，因为虚拟化系统300以对用户透明的方式创建虚盘。所创建的虚盘继承了文件系统创建的基础卷的高性能特性、如可靠性和存储带宽。
CLI 352和/或GUI 354还与虚盘模块330交互，以便引入将编号分配给所创建虚盘的属性和持久lun映射绑定。此后，这些lun映射绑定用于将虚盘作为特定SCSI标识符(ID)导出到客户机。具体来说，所创建的虚盘可经由lun映射技术导出，从而使SAN客户机能够“查看”(存取)盘。虚盘(lun)在SAN环境中一般要求严格受控的存取；SAN环境中lun的共享通常只出现在有限情况中，例如群集文件系统、群集操作系统和多通路配置。多协议存储设备的系统管理员确定哪些虚盘(lun)可导出到SAN客户机。一旦虚盘作为lun导出，则客户机可采用块存取协议、如FCP和iSCSI通过SAN网络存取虚盘。
SAN客户机通常通过逻辑编号或lun对盘进行标识和寻址。但是，多协议存储设备的“便于管理”特征在于，系统管理员可通过逻辑名称来管理虚盘及其寻址。为此，多协议存储设备的虚盘模块330将逻辑名称映射到虚盘。例如，当创建虚盘时，系统管理员以“正确大小”分配虚盘，并为它指定一般对其目标应用有意义的名称(例如/vol/vol0/database，以保存数据库)。管理界面提供从存储设备导出到客户机上的lun/虚盘(以及文件)的基于名称的管理，从而为基于块(以及基于文件)的存储提供一致及统一的命名方案。
多协议存储设备通过使用发起者组(igroup)根据逻辑名称来管理虚盘的导出控制。igroup是对于与一个或多个发起者相关联的一个或多个地址分配的逻辑命名实体(取决于是否配置了群集环境)。“igroup创建”命令主要将可能包含WWN地址或iSCSI ID的那些地址与逻辑名称或igroup“绑定”(相关联)。“lun map”命令则用于将一个或多个虚盘导出到igroup，也就是使虚盘让igroup“可见”。在这个意义上，“lun map”命令等效于NFS导出或CIFS共享。这样，WWN地址或iSCSI ID标识被准许存取lun map命令指定的那些虚盘的客户机。此后，逻辑名称与存储操作系统内部的全部操作配合使用。这种逻辑命名抽象遍布整个虚盘命令集，包括用户与多协议存储设备之间的交互。具体来说，igroup命名惯例用于所有后续导出操作以及为各种SAN客户机导出的lun的列表。
图4是简要流程图，说明通过SAN网络存取多协议存储设备中存储的信息时所涉及的步骤序列。这里，客户机采用块存取协议通过耦合到设备的网络与存储设备100进行通信。如果客户机是运行Windows操作系统的客户机160a，则块存取协议说明性地是在网络185上使用的FCP协议。另一方面，如果客户机是运行UNIX操作系统的客户机160b，则块存取协议说明性地是在网络165上使用的iSCSI协议。该序列以步骤400开始，并进行到步骤402，其中，客户机产生存取驻留在多协议存储设备中的信息的请求，以及在步骤404，该请求作为传统FCP或iSCSI块存取请求通过网络185、165转发。
在步骤406，在存储设备100的网络适配器126、125上接收该请求，在其中，由综合网络协议栈进行处理，并在步骤408传递给虚拟化系统300。明确地说，如果请求为FCP请求，则由FC驱动器230作为例如存取(即读/写)数据的4k块请求来处理。如果请求为iSCSI协议请求，则在媒体存取层(Intel千兆位以太网)中接收并通过TCP/IP网络协议层传递给虚拟化系统。
与SCSI协议相关联的包括寻址信息的命令和控制操作一般针对盘或lun；但是文件系统320不识别lun。因此，虚拟化系统的SCSI目标模块310发起lun的模拟，以便响应请求中包含的SCSI命令(步骤410)。为此，SCSI目标模块具有一组应用编程接口(API 360)，它们基于SCSI协议以及实现与iSCSI和FCP驱动器228、230的一致接口。SCSI目标模块还实现实质上将lun转换为虚盘的映射/转换过程。在步骤412，SCSI目标模块将请求的寻址信息、如FC路由选择信息映射到文件系统的内部结构。
文件系统320说明性地为基于消息的系统；因此，SCSI目标模块310将SCSI请求变换为表示针对文件系统的操作的消息。例如，SCSI目标模块所产生的消息可包括一种操作(例如读、写)以及路径名称(例如路径描述符)和文件系统中表示的虚盘对象的文件名(例如特殊文件名)。SCSI目标模块310将消息传递到文件系统层320作为例如函数调用365，其中执行操作。
响应接收此消息，文件系统320将路径名称映射到索引节点结构，以便得到与虚盘322对应的文件句柄。通过配备文件句柄，存储操作系统200可将那个句柄转换为盘块，因而从盘检索该块(索引节点)。广义地说，文件句柄是数据结构的内部表示，即文件系统中内部使用的索引节点数据结构的表示。文件句柄一般由多个成分组成，其中包括文件ID(索引节点编号)、瞬像ID、生成ID和标志。文件系统利用文件句柄来检索包含盘130上实现的文件系统结构中的虚盘的特殊文件索引节点以及至少一个相关流索引节点。
在步骤414，如果所请求数据没有驻留在“核心中”、即存储器124中，则文件系统产生从盘130加载(检索)所请求数据的操作。如果信息没有在存储器中，则文件系统320采用索引节点编号对索引节点文件进行索引，以便存取适当条目及检索逻辑卷块号(VBN)。文件系统则将逻辑VBN传递给盘存储(RAID)层240，它将该逻辑编号映射到盘块号并将后者发送给盘驱动器层250的适当驱动器(例如SCSI)。盘驱动器从盘130存取盘块号以及将所请求数据块加载到存储器124中。在步骤416，所请求数据由虚拟化系统300进行处理。例如，可结合针对虚盘的读或写操作或者结合虚盘的查询命令来处理数据。
虚拟化系统300的SCSI目标模块310通过提供关于所请求虚盘有意义的“模拟”信息，来模拟对传统SCSI协议的支持。这种信息由SCSI目标模块进行计算，或者持久地存储在例如虚盘的属性流索引节点中。在步骤418，SCSI目标模块310将所请求的基于块的信息(由文件系统320所提供的基于文件的信息转换的)加载到块存取(SCSI)协议消息中。例如，SCSI目标模块310可响应SCSI查询命令请求，将例如虚盘的大小等信息加载到SCSI协议消息中。在完成请求时，存储设备(及操作系统)通过网络向客户机返回应答(例如作为SCSI“容量”响应消息)(步骤420)。然后，该序列在步骤422结束。
应当指出，通过上述执行多协议存储设备上接收的客户机请求的数据存储存取所需的存储操作系统层的软件“路径”也可通过硬件来实现。也就是说，在本发明的一个备选实施例中，通过操作系统层(包括虚拟化系统300)的存储存取请求数据路径可实现为现场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC)中包含的逻辑电路。这种硬件实现增加了设备100响应客户机160发出的文件存取或块存取请求而提供的存储服务的性能。此外，在本发明的另一个备选实施例中，网络的处理元件和存储适配器125-128可配置成分别从处理器122卸载部分或全部数据包处理和存储存取操作，从而提高多协议存储设备所提供的存储服务的性能。明确地考虑到，本文所述的各种过程、体系结构和程序可由硬件、固件或软件来实现。
有利的是，综合多协议存储设备提供存取控制，以及在适当的时候提供对所有协议的文件和虚盘的共享，同时保存数据完整性。存储设备还提供嵌入/综合虚拟化能力，它消除了用户在创建NAS和SAN存储对象时分配存储资源的需要。这些能力包括虚拟化的存储空间，它允许SAN和NAS存储对象对设备内的全局空间管理而言共存。此外，综合存储设备提供对相同虚盘的块存取协议(iSCSI和FCP)的同时支持以及具有对群集的支持的异类SAN环境。总之，多协议存储设备为所有存储存取协议提供单个统一存储平台。
以上说明针对本发明的特定实施例。但是显然可对所述实施例进行其它变更和修改，并获得其部分或全部优点。例如，明确地考虑，本发明的理论可实现为其中包括具有在计算机上执行的程序指令的计算机可读媒体的软件、硬件、固件或其组合。因此，本描述只是作为举例而不是限制本发明的范围。因而，所附权利要求的目的是涵盖落入本发明真实精神和范围内的所有这类变更和修改。

Claims (27)

1.一种多协议存储设备，适合用于以综合方式为网络连接存储器(NAS)和存储区域网(SAN)部署对存储装置上存储的信息的文件和块协议存取，所述设备包括：
存储操作系统，适合实现文件系统，所述文件系统与虚拟化模块配合以将所述存储装置提供的存储空间虚拟化。
2.如权利要求1所述的多协议存储设备，其特征在于，所述文件系统在逻辑上将所述信息组织为文件、目录和虚拟盘(虚盘)，从而通过允许对所述文件和目录的基于文件的存取、同时还允许对所述虚盘的基于块的存取，为存储提供综合NAS和SAN设备方法。
3.如权利要求1所述的多协议存储设备，其特征在于，所述虚拟化模块包括虚盘模块和小型计算机系统接口(SCSI)目标模块。
4.如权利要求3所述的多协议存储设备，其特征在于，所述虚盘模块被分层在所述文件系统上，以便允许管理界面响应系统管理员向所述多协议存储设备发出命令而进行存取。
5.如权利要求4所述的多协议存储设备，其特征在于，所述管理界面包括用户界面(UI)。
6.如权利要求5所述的多协议存储设备，其特征在于，所述虚盘模块通过实现经由所述UI发出的一组虚盘命令来管理所述SAN部署。
7.如权利要求6所述的多协议存储设备，其特征在于，所述虚盘命令被转换成基本文件系统操作，它们与所述文件系统和所述SCSI目标模块交互以实现所述虚盘。
8.如权利要求7所述的多协议存储设备，其特征在于，所述SCSI目标模块通过提供将逻辑单元号(lun)转换为虚盘的映射程序来发起盘或所述lun的模拟。
9.如权利要求8所述的多协议存储设备，其特征在于，所述SCSI目标模块在SAN块空间与文件系统空间之间提供转换层。
10.如权利要求1所述的多协议存储设备，其特征在于，所述虚拟化的存储空间允许SAN和NAS存储对象对所述文件系统的全局空间管理而言共存。
11.如权利要求10所述的多协议存储设备，其特征在于，所述文件系统与所述虚拟化模块配合以提供虚拟化系统，所述虚拟化系统为所述虚拟化的存储空间中共存的所述SAN和NAS存储对象提供可靠性保证。
12.如权利要求1所述的多协议存储设备，其特征在于，所述文件系统提供卷管理能力，用于对所述存储装置上存储的所述信息的基于块的存取。
13.如权利要求12所述的多协议存储设备，其特征在于，所述存储装置为盘。
14.如权利要求1所述的多协议存储设备，其特征在于，所述文件系统提供(i)文件系统语义，例如存储对象的命名，以及(ii)与卷管理器相关联的功能。
15.如权利要求14所述的多协议存储设备，其特征在于，与所述卷管理器相关联的所述功能包括下列各项中的至少一项：
所述存储装置的聚集；
所述装置的存储带宽的聚集；以及
可靠性保证，诸如镜像或独立盘冗余阵列(RAID)。
16.一种用于提供与耦合到多协议存储设备的存储装置上存储的信息的组织有关的存储服务的方法，所述方法包括以下步骤：
采用与运行于所述多协议存储设备上的存储操作系统的虚拟化模块配合的文件系统将所述存储装置提供的存储空间虚拟化；
将所述信息在逻辑上组织为所述虚拟化的存储空间中的文件、目录和虚拟盘(虚盘)对象，从而对存储提供综合网络连接存储器(NAS)和存储区域网(SAN)设备方法，它允许所述对象在所述虚拟化的存储空间中就所述文件系统的全局空间管理而言共存；以及
采用块和文件存取协议、通过所述多协议存储设备的综合网络协议栈所提供的数据通路来存取所述存储装置上存储的所述经过逻辑上组织的对象。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于还包括为所述虚拟化的存储空间中共存的文件、目录和虚盘对象提供可靠性保证的步骤。
18.一种配置成提供与耦合到多协议存储设备的存储装置上存储的信息的组织有关的存储服务的所述设备的存储操作系统，所述存储操作系统包括：
综合网络协议栈，提供让客户机采用块和文件存取协议存取所述多协议存储设备上存储的信息的数据通路；以及
文件系统，与虚拟化模块配合，以便将所述存储装置提供的存储空间虚拟化。
19.如权利要求18所述的存储操作系统，其特征在于，所述文件系统在逻辑上将所述信息组织为文件、目录和虚拟盘(虚盘)，从而对采用基于文件的和基于块的存取协议的存储提供综合网络连接存储器(NAS)和存储区域网(SAN)设备方法。
20.如权利要求19所述的存储操作系统，其特征在于，所述基于块的存取协议包括基于小型计算机系统接口(SCSI)的协议，诸如在传输控制协议之上封装的SCSI(iSCSI)以及在光纤信道之上封装的SCSI(FCP)。
21.如权利要求20所述的存储操作系统，其特征在于，所述综合网络协议栈包括：
网络协议层；
文件系统协议层，与所述网络协议层接口，以及提供对所述文件系统组织的所述文件和目录的基于文件的协议存取；以及
设置在所述网络协议层之上的iSCSI驱动器，提供对所述文件系统组织的所述虚盘的基于块的协议存取。
22.如权利要求21所述的存储操作系统，其特征在于，所述综合网络协议栈还包括虚拟接口层，它为所述文件系统协议层的文件存取协议提供直接存取传输能力。
23.如权利要求21所述的存储操作系统，其特征在于，所述综合网络协议栈还包括光纤信道(FC)驱动器，它适合接收和发送存取所述文件系统组织的所述虚盘的块存取请求。
24.如权利要求23所述的存储操作系统，其特征在于，所述FC和iSCSI驱动器提供对所述虚盘的FC特定的和iSCSI特定的存取控制，以及还管理当存取所述多协议存储设备上的虚盘时对iSCSI和FCP的虚盘导出。
25.一种用于以综合方式为网络连接存储器(NAS)和存储区域网(SAN)部署对多协议存储设备的存储装置上存储的信息的文件和块协议存取的方法，所述方法包括以下步骤：
采用(i)将所述设备连接到第一网络的网络适配器以及(ii)允许所述设备响应NAS客户机发出的基于文件的请求而存取作为文件存储的信息的文件系统能力，提供NAS服务；以及
采用(i)将所述设备耦合到第二网络的网络目标适配器以及(ii)允许所述设备响应SAN客户机发出的基于块的请求而存取作为虚拟盘(虚盘)存储的信息的卷管理能力，提供SAN服务。
26.如权利要求25所述的方法，其特征在于还包括以下步骤：
提供所述多协议存储设备上存储的文件和虚盘的基于名称的管理，从而为基于文件和基于块的存储提供一致的命名方案；以及
提供所述存储装置上存储的命名文件和虚盘的分级结构。
27.一种用于以综合方式为网络连接存储器(NAS)和存储区域网(SAN)部署对多协议存储设备的存储装置上存储的存储对象的文件和块协议存取的方法，所述方法包括以下步骤：
将所述存储装置组织为表示全局存储空间的一个或多个卷；
允许SAN和NAS存储对象在所述全局存储空间中共存；
在所述存储设备的多协议引擎上接收存取所述SAN和NAS存储对象的基于块和基于文件的请求；以及
响应基于块和基于文件的请求而存取并返回所述SAN和NAS存储对象。
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