IT-Architektur: Warum ein Storage Area Network – kurzer Einstieg

(Last Updated On: 2. Oktober 2015)

In diesem Post möchte ich kurz auf die Grundlagen der Administration und der Vorteile von Storage Area Networks in Enterprise-Unternehmen eingehen.

dieser Post versucht nicht, die Grundlagen verschiedener Storage-technologien wie DAS, NAS und SAN miteinander in technischer Sicht zu vergleichen, also eine Grundlagenschulung durchzuführen, sondern er liefert eine kurze Überblick, warum sich vor allem größere Unternehmen für ein Storage Area Network entscheiden.

Ein technischer Post, der auch die Administration eines Storage Area Networks beschreibt, folgt in Zukunft.

Welche Storage-Technologien gibt es

Man unterscheidet grundsätzlich zwischen drei Storage technologien

Direct Attached Storage (DAS)

Eine DAS nutzen Sie bereits an Ihrem PC, denn dort ist einfach eine Festplatte oder SSD direkt an das System angeschlossen. DAs ist bereits ein Direct Attached Storage. Da Sie in diesem Szenario des PCs oder Notebooks nur den Datenträger selbst und vielleicht noch ein paar Kabel kaufen müssen, ist dies die billigste Variante des Storage im Personal Computing Bereich. Sie kaufen eine Festplatte oder eine SSD und binden diese über eine schnelle DAS-Schnittstelle wie SATA III oder USB 3.0 an das System an.

Sie können sich aber bestimmt vorstellen, dass in einem Unternehmen durchaus mehrere Datenträger für ein großes Serversystem gebraucht werden. Man braucht vielleicht mehr Datenträger, weil man eventuell die inhalte eines Datenträgers gleichzeitig auf einem zweiten Spiegeln möchte, damit diese sicher vor einem plattenausfall sind (ewta beim Redo Log Mirroring verschiedener Datenbanken oder einfach über ein RAID 1 bzw. RAID 5). Desweiteren brauchen Sie auf einem Serversystem wesentlich mehr Speicherkapazität auf Ihrem Heim-PC. Und zu guter letzt brauchen Sie auch eine noch schnellere Zugriffsgeschwindigkeit, da sie noch mehr Daten gleichzeitig verarbeiten müssen als zu Hause. Deswegen verändenr sich im Business-Bereich hier nochmal die Umsetzung eines Direct Attached Storage. In der Regel realisiert man einen Direct Attached Storage für ein Business, indem man mehrere Datenträger in ein sogenanntes Storage Array zusammenfasst. Ein Storage Array ist eine Art Sammelschrank für mehrere festplatten, in welchem die Daten beispielsweise durch ein RAID auf mehrere Datenträger gespiegelt und somit vor Verlust im laufenden Betrieb geschützt werden. Die Medien im Direct Attached Storage werden dann über eine schnelle Schnittstelle an den Server angebunden, beispielsweise über FibreChannel.

Network Attached Storage (NAS)

Die einfachste und allgemein bekannte Variante eines Network Attached Storage ist eine Windows-Dateifreigabe im lokalen Netzwerk, auf den andere Nutzer im Netzwerk zugreifen können. Denn jeder Direct Attached storage, der auf irgendeine Art und Weise über gewöhnliche Netzwerkprotokolle auf Basis von TCP/IP in einem Netzwerk freigegeben wird, ist defakto ein Network Attached Storage. Wenn Sie also Teile der lokalen Festplatte, die als DAS an ihrem PC angebunden ist, über ein TCP/IP Local Area Network freigeben, haben Sei bereits einen Network Attached Storage realisiert.

Im Business-Bereich nutzt man Network Attached Storages meist auf Fileservern, um beispielsweise Dokumente (.doc, .pdf), XML-Dateien, Trainings-Videos, Kalenderdaten, Archiv-Dateien (.zip, .rar) und andere Daten des täglichen Bürobedarfs miteinander zu teilen.

Als Storage für Server haben Network Attached Storages jedoch kaum eine Bedeutung. Wenn es nur darum geht, einen einzigen Server mit einem Storage zu versorgen, haben Direct Attached Storages sowohl in Punkto Performance als auch in punkto Kosten die Nase vorn. Wenn es darum geht, mehrere Server mit einem einzigen Storage zu versorgen, wurde der network Attached Storage mehr und mehr vom Storage Attached Network (SAN) verdrängt. Warum, erfahrt ihr weiter unten

Storage Attached Network (SAN)

Ein Storage Attached Network wird dazu genutzt, um einen Storage über ein Netzwerk mehreren Endgeräten zur Verfügung zu stellen. der Unterschied zum NAS ist, dass hierfür kein normales TCP/IP-netzwerk verwendet wird, also keine paketorientierten Netzwerkprotokolle oder Netzwerkgeräte. Stattdessen werden blockorientierte Netzwerkprotokolle und Netzwerkgeräte verwendet. Das heißt zur Anbindung enies SAN-Storage verwendet man kein normales RJ45-Patchkabel und auch keni normales Ethernet 802.11-WLAN, sondern extra Technologien, für die man auch extra Netzwerkhardware braucht. Die Vorteile sind, dass man das normale LAN, über welches ja Anwendungsdaten laufen, nicht mit den Dateiübertragungen von und zum Storage zusätzlich belastet, sondern diese ebene auf extra Hardware auslagert. der zweite Vorteil ist, dass diese blockorientierte Übertragung besser auf die Übertragung von Daten aus einem Datensystem geeignet ist als paketorinetierte Netzwerkübertragung, die ihre Vorteile in der Übertragung von Anwendungsdaten (jedoch nicht von Speicherdaten) hat. Wenn Sie also Daten von einem Counterstrike-Server auf mehrere Spieler übertragen wollen, wählen Sie paketorientierte Übertragung, wenn Sie hingegen Daten aus einer Datenbank entnehmen wollen, nehmen Sie lieber blockorientierte Übertragung.

Die Nachteile des SAN, dass zusätzliche Harware angeschafft und betrieben werden muss, gleichen sich schon sehr bald aus. Auch wenn man anfangs mehr Geld für die zusätzliche Hardware ausgibt, überwiegen die Vorteile ab einer bestimmten Größe und Komplexität der Business-IT bei weitem, da das normale TCP/IP-LAN geschont wird und die Datenübertragung optimiert wurde.

Ein SAN wird im Grunde dadurch aufgebaut, dass mehrere Storage Arrays, über blockorientierte Netzwerkhardware/-protokolle im Netzwerk mehreren Endgeräten (in der Regel Servern) zur Verfügugn gestellt werden. Anstatt die Storage Arrays also direkt über Schnittstellen wie SATA III oder FibreChannel einzeln an verschiedene server anzuschließen, können alle Server über spezielle Netzwerkhardware auf sämtliche Storage Arrays im Storage Area Network zugreifen. Als Übertragungstechnologie wird hier sehr oft Fibrechannel verwendet, die wir ja bereits aus dem Direct Attached Storage-Kapitel kennen. Mit Hilfe von Fibre Channel Switches werden die Daten über Fibre-Channel jedoch nicht nur auf einen, sondern auf mehrere Endgeräte verteilt. Andere Direct Attached Storage-Technologien wie USB 3.0 oder SATA III sind nicht dazu in der Lage, ein SAN aufzubauen. FibreChannel kann das.

Warum und wann ein Storage Area Network?

Ein SAN bietet zum einen ein sehr gutes Level an Daten- und Ausfallsicherheit. Innerhalb eines SANs lassen sich verschiedene Festplatten, die Teil des SAN sind, in verschiedenen RAID-Gruppen einteilen. Somit wäre es beispeislweise möglich, einige Festplatten, die sehr oft beschrieben werden, mit einem RAID 1 zu schützen (RAID 1 bietet Ausfallsicherheit bei guter Performance zwischen schreibintensiven MEdien) und andere festplatten in einem RAID 5 Verbund (RAID 5 bietet weniger Performance, ist dafür aber günstiger). Das heißt, die Clients, welche Daten aus dem Storage area Network beziehen, legen die Daten immer auf mehreren Medien gleichzeitig ab – und wenn ein Medium ausfällt, springt eines der anderen Medien innerhalb einer RAID-Gruppe (blaue Ellipsen) für das ausgefallene ein. In der Zwischenzeit kann das ausgefallene Medium durch ein neues ersetzt werden und die Daten werden auf das neue Medium wieder repliziert.

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Alle Medien in einem Storage Area Network sind, wenn es so gewünscht ist, dauerhaft in Betrieb. Daher ist es möglich, auf Medien mit freiem Speicherplatz jederzeit automatisierte Backups auszuführen. Den Speicherplatz des Storage kann man einfach durch Hinzufügen neuer Medien sehr leicht vergrößern. Dabei kann man entweder neue RAID-Gruppen hinzufügen oder in bestehende RAID-Gruppen neue Platten einpflegen. Somit kann durch einfaches Hinzufügen neuer Medien immer gewährleistet werden, dass genügend Speicherplatz vorhanden ist.

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Der Aufwand ist also wesentlich geringer als bei Blu-Ray oder Magnetband-Speichern, da hier erst alte, vollgeschriebene Medien aus dem Storage entfernt und archiviert werden und stattdessen neue Medien in die Laufwerke eingelegt werden müssen, damit wieder speicherplatz frei ist. Und: die archivierten Medien mussten ja aus dem Blu-RAy-reader oder Magnetband-Laufwerk entfernt werden, sind also nicht mehr online und müssen zum Lesen der Daten erst wieder manuell eingelegt werden.

Jedoch, das muss man der Archivierung auf kostengünstige Medien wie Blu Ray oder Magnetband zu gute halten, ist sie wesentlicher kostengünstiger als das ständige Nachkaufen und dauerhafte Online-Halten ALLER Medien. Deswegen wird ein SAN n der Praxis mit der Archivierung von älteren Daten kombiniert.  Das SAN wird dazu eingesetzt, um die tagesaktuellen Daten zu speichern und zu backupen, und die Archivierung über BluRay/Magnetband wird dazu genutzt, um ältere Backups sowie Daten, die mehrere Jahre zurückliegen und daher nur noch selten gebraucht werden, zu archivieren. Nach Bedarf können die alten Daten dann aus den Archivierungsmedien wieder in das SAN geholt werden, um diese zu lesen.

Diese Vorteile sind aber noch nichts besonderes, denn das können auch Storage-Technologien, die als DAS (Direct Attached storage) von einem sogenannten Storage Array direkt an den Server angeschlossen werden. Ein Storage Array ist dbaei sozusagen ein Sammelschrank für mehrere Festplatten, die über eine sehr schnelle Schnittstelle wie beispieslweise Fibrechannel direkt an den Server angeschlsosen werden. Auch hier hättet ihr Vorteile wie beispielsweise Skalierbarkeit druch Hinzufügen neuer Medien, Kombination mit Archivierungsmedien und deie Ausfallsicherheit durch RAID-Verbund.

Ein weiterer Grund, der für SAN spricht, ist, dass mehrere Server sich einen einzigen Storage teilen können. Ist der Storage schnell genug dimensioniert, um die Bedürfnisse beider Server zufrieden zu stellen, braucht man also nur einen Storage (wenn keine Ausfallsicherheit gewünscht ist) bzw. nur einen RAID-Verbund statt zwei (wenn Ausfallsicherheit gewünscht ist)

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Und dann ist es noch möglich, einen Storage-Verbund auf mehrere Standorte zu spiegeln, so dass er immer mit den aktuellen Daten mehrfach an verschiedenen Standorten vorliegt (zusätzliche Datensicherheit) und beispielsweise Server in verschiedenen Standorten immer gerade auf den Storage zugreifen können, der am nächsten dran steht.

Der google Server in Deutschland würde also bevorzugt den Storage Standort in Deutschland wählen, weil die Daten von dort am schnellsten bereitgestellt werden können. Gleichzeitig kann aber auch der Google Server in Deutschland, falls der Storage-Standort in Deutschland einmal ausfallen sollte, zur Not immer noch auf die Storages in UK und in den USA zugreifen, was weitere Ausfallsicherheit mit sich bringt (Stichwort Storage Cluster).

diessind jedoch auch Vorteile, die euch nicht nur ein SAN, sondern beispielsweise ein Network Attached Storage (NAS) bieten könnte. Auch dieser wäre dazu in der Lage, einen RAID-Verbund an mehrere Server auszuliefern und somit die selben Vorteile zu bieten.

Warum also nun ein SAN? Der Hauptvorteil an SAN ist zunächst einmal, dass er die Vorteile von NAS und DAS miteinander verbindet. Er liefert Storage-Verbände an nicht nur einen, sondern gleich mehrere Server/Benutzer aus und liefert dabei eine bessere Performance als ein NAS.

Ein Storage Attached Network kommt nie an die Leistung eines Direct Attached storages ran, ist aber aber einer gewissen Komplexität der Speichertechnologie günstiger, weil man sich wie im obigen Diagramm dargestellt einige Datenträger sparen kann, wenn man sie über das SAN an mehrere Endgeräte ausliefert. Zum anderen ist ein SAN zwar teurer als einer oder sogar mehrere Network Attached Storages (NAS), dafür aber wesentlich schneller. Warum das ganze so ist, soll jetzt nicht explizit Teil dieses Blogposts sein, da dies dazu führen müsste, dass wir sehr tief in die technischen unterschiede zwischen DAS, SAN und NAS eintauchen müssten, was den Beitrag hier unnötig aufplustern würde. Ein Folgepost soll hier zukünftig Klarheit liefern.

Die folgende Tabelle soll hier die Kriterien der drei speichertechnologien kurz nochmal

KriteriumDASSANNAS
Leistung/Datendurchsatzam bestenmittel (close to DAS)am langsamsten, belastet außerdem das lokale Netzwerk
Kostenbei wenig Storage am günstigsten, aber schon ab der speicher-Komplexität eines kleinen Unternehmens am teuerstenmittelam günstigsten
Datensicherheit und -verfügbarkeitam schlechtesten (Daten liegen nur an einem Standort)gleichauf mit NASgleichauf mit SAN
Skalierbarkeit (Erhöhung von Speicherplatz)anfangs gut, doch je mehr Speichermedien hinzugefügt werden sollen, desto schlechter. Auf lange Sicht gesehen am schlechtestenDatenträger in das SAN hinzuzufügen ist sehr einfach. Am bestenNeue Storages können gut hinzugefügt werden. Mittel

Ihr seht also bereits an der Farbkodierung der Tabelle, dass ein SAN bei zunehmender Komplexität sich mehr und mehr durchsetzt. Je größer das Unternehmen, desto eher wird es in Richtung SAN tendieren.

Neben diesen guten Mittelwerten erhöhen sich durch ein Storage Area Network auch zahlreiche Möglichkeiten. So können mehrere Server auf ein und dieselbe Datenquelle zugreifen. Fällt ein Server aus, kann ein anderer Server für ihn einspringen, ohne dass erst umständlicherweise die Daten vom ausgefallenen Server auf den neuen Server übertragen werden müssten.

Durch SAN ist es außerdem möglich, mehrere Storage Arrays über nru eine einzige Fibre-Channel-Schnittstelle an einem Server zu verbinden, da ja die Daten mehrerer Storage Arrays über einen einzigen Fibre Channel Switch zum Server geleitet werden können. Das heißt der Server selbst braucht nur einen einzigen Fibre channel Port, um mehrere Storage Arrays erreichen zu können. Stellen Sie sich vor Sie würden versuchen, hunderte von SATA- oder USB-Festplatten an einem Server anzuschließen. Sie bräuchten entweder sehr sehr viele SATA- oder USB-Schnittstellen oder entsprechende Hubs, die jedoch die Performance der Datenübertragung sehr stark beeinträchtigen. mit FibreChannel existierten diese Probleme de fakto nicht, da es die Daten ähnlich effizient bündeln kann wie wir es aus der paketorientierten Netzwerkübertragung (TCP/IP) kennen.

Erst durch diese Möglichkeit zur Anbindung an viele verschiedene Datenträger mit nur einer einzigen Schnittstelle sind beispielsweise Architekturen wie ein Tiered Storage möglich. Bei einem Tiered Storage haben die Server Zugriff auf mehrere Datenträger unterschiedlicher Leistungsklassen. Auf besonderes schnellen Datenträgern im Storage Area Network speichern die Server Ihre Daten, die sie für den Betrieb brauchen. Auf den mittelschnellen Datenträgern wird das tagesaktuelle Backup gespeichert, aus welchem im Notfall binnen Minuten ein Recovery vollzogen können werden muss, und in den langsamen Datenträgern werden die archivierten Daten, die bereits mehrere Jahre alt sind, sowie ältere Backups, archiviert.

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Die Abbildung illustriert ein Beispiele für so eine Tiered-Storage-Architektur. auf dem obersten Level liegen schnelle SSDs, auf denen die Server die Daten für Ihre Datenbanken oder beispielsweise die Daten für den Webserver abgelegt werden.

Auf dem zweiten Level liegt das tagesaktuelle Backup auf schnellen Magnetfestplatten mit Umdrehungsgeschwindigkeiten von 10000 RPM.

Auf dem letzten Level liegen auf einem RAID-5-Verbund auf Magnetfestplatten mit 5400 RPM alte Daten, die 1 Jahr oder älter sind, auf einem Band-Roboter werden alte Backups wegarchiviert und in einer Blu Ray Bibliothek werden alte Daten ab einem Alter von 5 Jahren oder älter auf Blu Rays gebrannt und wegarchiviert. Hinweis: In der Praxis ist es unsinnig, drei Archivierungsmethoden miteinander zu kombinieren. In der Regel entscheidet man sich für eine der drei oder kombinierte langsame Festplatten etnweder mit Magnetbändern oder Blu Rays. Alle drei Technologien zu verwenden ist kostenineffizient. Dei Abbildung sollte also nur den Standpunkt klar machen.

Damit die Fibre-Channel-Hardware (Storage-Arrays, FC-Switch, Server) miteinander verbunden werden können, braucht jedes Gerät, welches am Storage Area Network beteiligt ist, eien Schnittstelle. Das ist ungefähr so wie bei einem TCP/IP-Netzwerk, da haben auch alle am Netzwerk beteiligten Geräte einen WLAN-Empfänger oder eine RJ45-Buchse für ein Netzwerkkabel.

Und genau so ist es auch beim Storage Area Network. Die Server haben dafür beispielsweise auch eine Art „Netzwerkkarte“. Nur ist dies keine übliche ethernet-Netzwerkkarte, wo ein Netzwerkkabel rein passt, sondern ein sogenannter Host Bus Adapter. dieser kann entweder zwei Buchsen haben, oder aber es sind zwei STeckkarten mit jeweils einer Buchse auf dem System verbaut. Jedenfalls müssen zwei Buchsen zur Anbindung eines Servers an ein SAN vorhanden sein. Denn jedes Fibre Channel Gerät wird immer an zwei Fibre Channel Switches angeschlossen. Das soll Redundanz gewährleisten, so dass im Falle des Ausfalls eines fibre channel Switches das Storage Area Network noch in takt ist.

 

Andreas Loibl ist SAP-Berater, Ethical Hacker und Online Marketing Manager und schreibt auf seinem Blog DaFRK Blog über verschiedene Themen in den Sektoren Projektmanagement, Informationstechnik, Persönlichkeitsentwicklung, Finanzen und Zeitmanagement.

DaFRK

Andreas Loibl ist SAP-Berater, Ethical Hacker und Online Marketing Manager und schreibt auf seinem Blog DaFRK Blog über verschiedene Themen in den Sektoren Projektmanagement, Informationstechnik, Persönlichkeitsentwicklung, Finanzen und Zeitmanagement.

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