Was macht ein Storage Area Network (SAN) für moderne Rechenzentren unverzichtbar?

Ein SAN (Storage Area Network) ist ein dediziertes Netzwerk bzw. Subnetz, das gemeinsam genutzte Speicherpools mit mehreren Servern verbindet.

Der Zugriff auf Speicher und dessen Verfügbarkeit sind für Rechenaufgaben von grundlegender Bedeutung. Der Standardansatz der direkt angeschlossenen Festplatten funktioniert aufgrund seiner Einfachheit für viele Unternehmen hervorragend, allerdings sind sie dabei über SAS an den physischen Server gebunden. Unternehmen, die mehr Kontrolle und Flexibilität anstreben, sollten sich besser für ein SAN entscheiden.

Die SAN-Technologie deckt die Anforderungen vieler großer Unternehmen ab, die Zugang zu skalierbareren, dedizierten Umgebungen suchen, in denen mehrere Server problemlos mit den Speichergeräten verbunden werden können. Die Organisation kann in Ebenen (Tiers) oder Pools erfolgen. SAN ist ein stärker zentralisierter Ansatz, bei dem Anwender Speicherkapazität und Ausfallsicherheit optimieren und ein hohes Maß an Schutz genießen können.

Häufige Anwendungsfälle für Storage Area Networks

Vereinfacht ausgedrückt ist ein SAN ein Netzwerk aus Festplatten, auf die die Server zugreifen können. Dieser Ansatz hilft bei der Konsolidierung des Speichers. Wenn man beispielsweise von einem Rechenzentrum mit vielen Servern spricht, kommen in der Regel physische Festplatten zum Einsatz, die sich auf einzelnen Servern befinden. Es ist jedoch wesentlich effektiver, Speicher auf einem dedizierten Subsystem zu nutzen, da sich alle Daten so viel einfacher schützen und verwalten lassen.

SAN ist zudem äußerst effektiv für die Verfügbarkeit des Speichersystems. Diese Technologie verbindet mehrere Geräte und Computer miteinander, sodass bei Störungen jeglicher Art ein alternativer Pfad genutzt werden kann, anstatt sich vollständig auf ein einziges Speichergerät zu verlassen. Bei technischen Problemen bleibt das System dank der Verfügbarkeit anderer Speichergeräte und der entsprechenden Zugangswege weiterhin funktionsfähig. Der zentralisierte Ansatz vereinfacht den Verwaltungsprozess und die Verwaltungsaufgaben erheblich.

All diese Faktoren wirken sich positiv auf die Geschäftskontinuität und die Notfallwiederherstellung aus, was für viele Unternehmen einen enormen Vorteil darstellen kann. Um eine Besonderheit von SAN zu verstehen, versuchen wir, es mit dem herkömmlichen DAS zu vergleichen.  

Bei der DAS-Technologie werden Festplatten über SAS-/SATA-Schnittstellen direkt an den Computer angeschlossen. Auf diesen Festplatten werden in der Regel Informationen gespeichert, die für einen bestimmten Server benötigt werden. Natürlich kann von anderen Servern auf Informationen eines DAS-Geräts zugegriffen werden, doch die Verbindung erfolgt über ein Standard-IP-Netzwerk. Die Übertragung großer Datenmengen über ein IP-Netzwerk kann extrem zeitaufwendig sein und sich direkt auf die Leistungsmerkmale auswirken.

Ein SAN funktioniert völlig anders – alle Festplatten sind an ein dediziertes Speichernetzwerk angeschlossen. Auf den Speicher kann von jedem Server im Netzwerk problemlos zugegriffen werden, und es ist nicht notwendig, das LAN zu durchlaufen. Das bedeutet, dass die Ausfallsicherheit und die Leistung des Systems im Vergleich zum Standardansatz erheblich verbessert werden können.

Ein SAN kann so viele Speichergeräte unterstützen, wie benötigt werden, und lässt sich problemlos auf mehr als tausend Festplatten skalieren. Zudem kann jeder Server mit einer entsprechenden SAN-Schnittstelle auf das System zugreifen. Bei den wichtigsten Netzwerkschnittstellen gibt es zwei:

• Fibre Channel gilt als Hochgeschwindigkeitsnetzwerk, das sich durch seine äußerst geringe Latenz und seinen hohen Durchsatz auszeichnet. Ein solcher Ansatz ermöglicht es, Speicherblöcke an einem bestimmten Standort zu platzieren, während sich der Server am anderen Ende der Stadt oder auf einem Campus befinden kann. Traditionell wurde dieser Ansatz auch in Situationen angewendet, in denen sich Server und Speicher am selben Ort in einem Abstand von bis zu 10 Metern zueinander befanden. Dieser Ansatz wird durch den Einsatz von HBAs in jedem Server, jedem Speichersystem, jedem Netzwerk-Switch oder anderen Geräten im Netzwerk umgesetzt. Jeder HBA verfügt über einen oder mehrere Ports für den Datenaustausch, die physisch oder virtuell sein können.
• iSCSI ist eine weitere Art von Netzwerk, das durch die Verbindung von gemeinsam genutztem Speicher mit Rechenressourcen funktioniert. FC bietet Zugang zu einem eigenständigen Netzwerkdesign, während iSCSI herkömmliche Datenblöcke, Befehlspakete und Ethernet-Netzwerktechnologie vereint. Aus diesem Grund kann iSCSI-Speicher dieselben Adapter, Verkabelungen, Switches und andere Netzwerkkomponenten im Ethernet-Netzwerk nutzen. Jeder Server, der im System läuft, erkennt iSCSI-Speicher als eine weitere angeschlossene Festplatte. Dieser Ansatz basiert auf Standards wie „Targets“ und „Initiatoren“, wobei Initiatoren Speicher-Arrays oder Betriebssysteme sein können, während das Target eine netzwerkverbundene Festplatte ist.

Die Funktionsweise eines SAN

Ein SAN ist ein wichtiges Netzwerk, das für die Verbindung des Servers mit dem Speicher erforderlich ist. Das Hauptziel dieses Ansatzes besteht darin, den Speicher separat unterzubringen, um den Schutz und die Verwaltung zahlreicher Prozesse zu vereinfachen. Dies kann physisch durch den Einsatz von Speicher-Arrays oder mithilfe von Software wie vSAN oder VMware erreicht werden.

Durch die Verbindung von Servern und Speicher über ein spezielles Netzwerk lassen sich die Leistungsmerkmale verbessern, da keine Konkurrenz um die LAN-Bandbreite besteht. Ein SAN lässt sich in drei verschiedene Schichten unterteilen: die Speicherschicht, die Host-Schicht und die Fabric-Schicht. Betrachten wir daher jede Komponente einzeln.

1. Host-Ebene. Diese Ebene basiert auf Servern, auf denen die gesamte Arbeitslast ausgeführt wird. In der Regel nutzen Server LAN-/Ethernet-Komponenten, um mit anderen Servern und Benutzern zu kommunizieren. Sie verfügen jedoch auch über einen Netzwerkadapter für den dedizierten SAN-Zugriff. Solche Adapter werden als HBAs bezeichnet und nutzen Firmware sowie einen Gerätetreiber. Eine solche Konfiguration ist erforderlich, damit die Speicherbefehle an das SAN und dessen Speicher übermittelt werden können. Unternehmen stehen zahlreiche SAN-Technologien zur Auswahl, darunter FC, iSCSI und InfiniBand. Die Wahl der geeigneten Technologie hängt vollständig von den Anforderungen des jeweiligen Unternehmens und den Kosten ab.

2. Die Fabric-Ebene umfasst alle Netzwerkgeräte und Verkabelungen, die Speicher und Hosts miteinander verbinden. Zu diesen Netzwerkgeräten gehören in der Regel Gateways, Switches, Protokollbrücken und Router. SAN-Fabric-Geräte können für das lokale Netzwerk Glasfaserverbindungen oder Kupferkabel verwenden. Beim Aufbau der SAN-Fabric werden mehrere Verbindungen genutzt, um verschiedene Pfade zur Verfügung zu stellen. So besteht im Falle von Störungen weiterhin die Möglichkeit, die Kommunikation über die verfügbaren Pfade fortzusetzen.

3. Speicherschicht. Diese Schicht umfasst zahlreiche Speichergeräte, die zu Ebenen und Pools zusammengefasst sind. Speichermedien können unterschiedlicher Art sein, darunter Festplatten (HDDs), SSDs, CD-/DVD-Laufwerke und sogar Bandlaufwerke. Die meisten dieser Geräte lassen sich in einer RAID-Gruppe oder in Festplattenpartitionen organisieren, denen eine LUN zugewiesen ist, die mit den Laufwerksbuchstaben übereinstimmt. Das bedeutet, dass der Host auf die benötigten LUNs zugreifen kann, wodurch eine effektivere Verwaltung aller Speicherressourcen möglich ist. Für die Zugriffsrechte stehen zwei Optionen zur Verfügung – Zoning und LUN-Maskierung.

Die SAN-Technologie nutzt zudem verschiedene Protokolle, die für die Datenspeicherung und die Kommunikation erforderlich sind. Am weitesten verbreitet ist das FCP-Protokoll, daneben gibt es aber auch das iSCSI-Protokoll, ATA, FCoE, iFCP und einige weitere. Die Technologie unterstützt in der Regel mehrere Protokolle, um eine ordnungsgemäße Kommunikation auf allen Ebenen zu gewährleisten.

So konfigurieren Sie ein Storage Area Network

Zunächst sollte das Unternehmen die Rechenanforderungen für Software und Hardware berücksichtigen.

• Speicher (Patch-Liste, Firmware und mehr)
• Host-Bus-Adapter (Revisionsversion, Firmware-Version und mehr)
• Switches

Befolgen Sie für die Einrichtung eines SAN die folgenden Schritte:

1. Verbinden Sie alle erforderlichen Hardwarekomponenten und installieren Sie die benötigte Software. Das bedeutet, dass Sie die Versionen überprüfen, den HBA einrichten und das Speicherarray konfigurieren sollten.

2. Passen Sie gegebenenfalls einige Konfigurationseinstellungen an.

3. Testen Sie alle Aspekte im Zusammenhang mit den Betriebsabläufen.

4. Richten Sie die Leistungsgrundlage für jede Komponente ein.

5. Dokumentieren Sie die Betriebsabläufe.

Architektur und Funktionsweise der SAN-Fabric

Die Grundlagen der SAN-Fabric beziehen sich auf die Server-Speicher-Konnektivität, die hohe Leistung und die Skalierbarkeit im Netzwerk. Im einfachsten Fall lässt sich ein FC-SAN problemlos direkt über die HBA-Ports mit den entsprechenden Anschlüssen an SAN-Speicher-Arrays verbinden, häufig unter Verwendung von Glasfaserkabeln.

Das Besondere an der SAN-Fabric ist die Fähigkeit, Fehlerquellen zu minimieren, was von großem Vorteil sein kann. Das Hauptziel besteht darin, mindestens zwei Verbindungen zwischen den SAN-Elementen herzustellen. So steht bei etwaigen Problemen mindestens ein funktionierender Pfad zur Verfügung.

Lassen Sie uns nun näher auf einige Verhaltensfaktoren der Systemfunktionalität eingehen. Der Host-Server erstellt eine Anforderung für den Zugriff auf das Speichergerät. Die herkömmlichen SCSI-Befehle müssen in Pakete gekapselt werden und sind gemäß den Regeln des Protokolls strukturiert. Diese Pakete werden an den HBA weitergeleitet, wo sie auf die Kabel übertragen werden. Anschließend werden sie an das SAN gesendet, und die Anforderung gelangt zu den Switches. Ein bestimmter Switch leitet die Anfrage dann an das Speichergerät weiter. Um diesen Vorgang durchzuführen, kommuniziert der Speicherprozessor mit dem entsprechenden Gerät.

Ein genauerer Blick auf SAN-Switches

SAN-Switches gelten als das Herzstück des SAN. Wie alle anderen Switch-Typen funktionieren auch diese, indem sie Datenpakete empfangen, deren Ziel bestimmen und die Pakete an das Ziel weiterleiten. In einer SAN-Fabric gibt es verschiedene Arten von Switches, wie z. B. Edge-, Modular- und Backbone-Switches. Je nach Größe des SAN kann die Anzahl der Switches variieren. Bei einem kleineren SAN gibt es möglicherweise 16 bis 32 Ports, während ein größeres SAN sogar 128 Ports haben kann.

Für eine bessere Ausfallsicherheit des Speichers reicht die Fabric allein nicht aus – es sollten einige interne Technologien wie RAID integriert werden. Ein solches System umfasst zudem weitere Technologien, die sich auf Datenkomprimierung, Speicherklonierung, Thin Provisioning und andere Bereiche beziehen. Ein gut konzipiertes System ermöglicht es jedem Host, eine Verbindung zu jedem Speichergerät herzustellen. Für eine höhere Sicherheit können jedoch LUN-Masking- und Zoning-Technologien zum Einsatz kommen.

Verschiedene Ansätze zur SAN-Bereitstellung

• Virtuelles SAN. Virtualisierung eignet sich perfekt für SANs und trägt zu mehr Skalierbarkeit und Flexibilität bei. VSAN oder Virtual SAN ist eine Form der Isolation, die dem SAN ähnelt und Virtualisierung nutzt, um mehrere Segmente mit einem physischen SAN zusammenzuführen. VSAN kann zur Verbesserung der Sicherheit und zur Steuerung des Netzwerkverkehrs eingesetzt werden. Der Prozess funktioniert so, dass VSAN dazu beitragen kann, bestimmte Probleme in einem Segment zu verhindern, die sich auf andere Teile auswirken könnten, und dass das Segment geändert werden kann, ohne physische Komponenten zu berühren. VMware bietet die vSAN-Technologie an und ermöglicht den Zugriff auf erweiterte Funktionen wie Speicherverschiebung, Tiering, Speicherpooling und andere. Darüber hinaus bietet VMware vSAN Funktionen wie Datenlebenszyklusmanagement und automatische Datenverschiebung zwischen den Ebenen.
• Unified SAN. In der Regel benötigen Objekte, Dateien und andere Speichertypen ein separates Speichersystem wie NAS. Unified Storage unterstützt verschiedene Speichertypen dank der Verwendung mehrerer Protokolle wie NFS, SMB und anderer. Durch den Einsatz eines Unified-SAN-Systems haben Nutzer Zugriff auf leistungsstarke Funktionen wie beispielsweise Datenreplikation, Datenverschlüsselung, Speicher-Tiering und Datendeduplizierung.
• Konvergentes SAN. Ein großer Nachteil des herkömmlichen FC-SANs ist sein Preis; um diesen Nachteil zu überwinden, kann auf Ethernet-Netzwerke zurückgegriffen werden. FCoE unterstützt konvergierte SANs, die auf Ethernet-Komponenten laufen können, und trägt so zum Aufbau eines kostengünstigen Netzwerks bei.
• Hyperkonvergente Infrastruktur. Mithilfe von HCI lassen sich Speicher- und Rechenressourcen je nach Bedarf zu Knoten zusammenfassen und alle Prozesse über ein einfaches Dienstprogramm verwalten. Diese Technologie nutzt Virtualisierung und zielt in erster Linie darauf ab, eine vereinfachte Hardwarebereitstellung mit schneller Skalierbarkeit zu ermöglichen. HCI kann anstelle eines SAN oder zusammen mit einem Unternehmens-SAN eingesetzt werden.  

Vorteile der Nutzung eines SAN

• Außergewöhnliche Skalierbarkeit. Es ist möglich, Tausende von SAN-Hosts und Speichergeräten zu unterstützen, sodass jedes Unternehmen seine Anforderungen erfüllen kann.
• Hohe Leistung. Für die Speicheraufgaben wird ein separates Netzwerk verwendet, und um die bestmögliche Leistung zu erzielen, wird FC empfohlen. Zudem stehen konvergierte und iSCSI-Netzwerke zur Verfügung.
• Verfügbarkeit weiterer Verwaltungsfunktionen. Dies betrifft Optionen wie Datendeduplizierung, Datenverschlüsselung, Selbstheilungsfunktionen und mehr. Die Funktionen sind zentralisiert und lassen sich problemlos auf alle Ressourcen anwenden.
• Hohe Verfügbarkeit. Die Ausfallstellen werden aufgrund der Vielzahl alternativer Pfade extrem minimiert oder fast vollständig ausgeschlossen.  

Mögliche Nachteile von SAN-Systemen

• Verwaltung. Funktionen wie Zoning und LUN-Mapping sind für Unternehmen, die viele andere nicht-technische Aufgaben zu bewältigen haben, nicht gerade einfach zu handhaben. Um das erforderliche Sicherheitsniveau zu erreichen, lassen sich einige zeitaufwändige Prozesse nicht vermeiden.
• Komplexität. Herkömmliche SAN gelten als sehr komplex, und Unternehmen sollten professionelle IT-Experten sowie höhere Budgets einplanen, um diesen Nachteil zu bewältigen.
• Skalierbarkeit. SAN ist äußerst effektiv für große Umgebungen mit viel Speicher und vielen Servern. Natürlich ist der Einsatz auch in kleinerem Maßstab möglich, doch dies erfordert höhere Investitionen. Deshalb sollten kleinere Unternehmen eher den Einsatz von konvergierten SANs, HCI-Implementierungen und anderen Alternativen in Betracht ziehen.

Vergleich von SAN- und NAS-Lösungen

NAS (Network-Attached Storage) ist eine alternative Variante, die auf einem dateibasierten Protokoll basiert. Diese Technologie basiert auf einem dedizierten Dateiserver, der sich zwischen dem Speicher und den Servern befindet.

Beide Ansätze sind für die Datenspeicherung erforderlich. SAN eignet sich für blockbasierten Speicher, der eher für strukturierte Informationen gedacht ist. NAS hingegen ist besser für unstrukturierte Daten geeignet – Bilder, Videos, Dokumente, E-Mails und Ähnliches.

NAS ist kostengünstiger und nutzt ein gemeinsames Netzwerk. SAN ist hingegen wesentlich skalierbarer und weist deutlich bessere Leistungsmerkmale auf.

Führende SAN-Anbieter und -Lösungen

Bei der Planung eines SAN ist es wichtig, das Netzwerk, die Hosts und die Speichersysteme zu berücksichtigen.

Beginnen wir mit den Hosts. Nahezu jeder Host kann in einem SAN betrieben werden; entscheidend ist die Wahl der Schnittstelle für den Zugriff auf die Fabric. Am besten ist es, Server mit einem Multi-Port-FC-HBA zu bestellen. Ist dies nicht der Fall, kann ein HBA nachgerüstet werden, vorausgesetzt, der Server verfügt über einen PCIe-Steckplatz. HBA-Karten werden von QLogic, ATTO, Agilent, Brocade und Broadcom hergestellt. Diese Karten werden von zahlreichen Anbietern vertrieben.

Der nächste Punkt betrifft die Netzwerkverkabelung, Switches und andere wichtige Komponenten. Hier sind einige Optionen zur Auswahl:

• Switches der QLogic SANbox 5xxx-Serie
• Switches der Cisco MDS-Serie
• ATTO Technology 8308, 8316 und 8324
• Die Speicheranbieter sind wie folgt:
• NetApp
• Huawei
• Hewlett-Packard Enterprise
• Dell
• Hitachi Data Systems

Wichtige Standards in der SAN-Technologie

Die Entwicklung der Standards steht im Zusammenhang mit einigen Branchenverbänden. An erster Stelle ist SMI-S zu nennen. Dieser Standard ist für die Verwaltung der Speichergeräte zuständig. Ein weiterer Standard im SAN-Bereich ist Channel Physical Interface.

Bewährte Verfahren im SAN-Management

Für eine optimale Leistung ist es äußerst wichtig, die folgenden Vorgehensweisen zu befolgen. Beginnen Sie mit einer ordnungsgemäßen Berichterstattung und Überwachung. Hier sind einige wichtige Indikatoren und Kennzahlen, die es zu berücksichtigen gilt:

• KPIs im Zusammenhang mit dem Schreib-/Lesedurchsatz für jedes Array;
• LUN-/SAN-Kapazität – Überprüfung auf Engpässe und allgemeine Trends;
• Überprüfung der Betriebsleistung der Host-Server-E/A
• Kennzahlen in Bezug auf die SAN-Fabric.

Durch die Verfolgung der wichtigsten Kennzahlen ist es möglich, proaktive Maßnahmen für die meisten potenziellen Probleme zu ergreifen.