专利名称：低成本灵活网络访问存储体系结构的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及存储系统，特别是网络访问存储系统的灵活设计。
背景技术：
过去，计算机用户依赖网络文件服务器在文件服务器与独立的存储系统之间提供分布式文件服务。文件通过网络从主机传送给文件服务器。随后文件服务器使用几种方法之一在远程磁盘驱动器上存储文件，通常是通过I/O通道连接。在昂贵的存储系统前端已采用昂贵的服务器如Microsoft NT服务器或Sun Solaris服务器提供该功能。已经证明这是一个比较麻烦和成本高昂的解决方案。
存储系统的设计者和制造商已经开发出集成这些系统的技术。更新的存储技术被称为网络访问存储系统或NAS。NAS是直接连接到网络的存储系统，如吉比特以太网。NAS包括用于向主机传递分布式文件服务的集成文件服务器或控制器。文件I/O通过网络连接传送，缓存在NAS系统中并存储在磁盘驱动器上，反之亦然。
目前的NAS系统通常采用执行各种特定功能的多种不同的底座固定装置，使得NAS十分不灵活。而且，为了连接各种底座通常要求使用光连接器和光缆。虽然NAS系统比远程服务器解决方案成本低，但是因为这些问题，在提供NAS系统时也会产生很大的费用。目前有许多用户需要NAS功能但是希望或要求成本更低廉的系统。因此非常需要一种更灵活的、制造和维护成本比现有系统更低的NAS系统。
发明内容
根据本发明的原理，存储系统包括具有第一多个模块和非易失性存储器如硬盘驱动器的第一机壳。这些模块的每一用于将文件I/O转换为块I/O。第二机壳包括第二多个模块和非易失性存储器。这些模块的每一用于使块I/O存储在第一或第二机壳中的非易失性存储器中。因此，执行块I/O存储的模块能够方便地访问位于文件I/O机壳中的存储器。
更具体地，第一多个模块的每一模块连接到包含用于连接到网络如以太网的网络接口的专用模块，以在模块与主机之间传送文件I/O。
第一多个模块的每一模块包括用于连接到第一通道I/O媒质如光纤通道的通道I/O输出，以从该模块向第二机壳传送块I/O。而第二多个模块的每一模块连接到包含用于连接到第一通道I/O媒质的第一通道I/O输入的专用模块，以自第一多个模块的每一模块传送块I/O。
而且，第二多个模块的每一包括用于连接到第二通道I/O媒质如光纤通道的通道I/O输出，以在该模块与第一机壳之间传送块数据。而第一多个模块的每一包含用于连接到第二通道I/O媒质的通道I/O输入，以在第二多个模块与第一机壳中的非易失性存储器之间传送块I/O。
根据该方案的实施例，块I/O传送模块能够在安装于文件I/O传送模块的插槽中的磁盘驱动器上存储数据，插槽也可以是空的。
根据本发明不同的方案，存储系统包括含第一多个模块和非易失性存储器如硬盘驱动器的第一机壳。第一多个模块的第一模块用于将文件I/O转换为块I/O。第一多个模块的第二模块用于向非易失性存储器传递块I/O。第一和第二模块通过数据总线互连。块I/O通过第一数据总线在第一模块与第二模块之间传送。
更具体地，第一多个模块和非易失性存储器连接到第一中间板。第一数据总线穿过第一中间板并通过第一中间板互连第一和第二模块。
根据该方案的实施例，在单一机壳中提供NAS功能。
这些创新的存储系统和方法提供了急需的、低成本的、紧凑的NAS存储解决方案。
为了帮进更充分地理解本发明，参考附图。这些图不应解释为限制本发明，仅是意在示例。
图1是机架式安装服务器存储系统的示意图。
图2是现有技术NAS系统的方框图。
图3是根据本发明的原理实现的NAS系统的方框图。
图4是根据本发明另一方面实现的NAS系统的方框图。
具体实施例方式
参考图1，其中表示了可以采用本发明原理的存储系统10。存储系统10包括支撑底座或机壳14的机架式安装机柜12。许多机壳14包括用于安装各种类型的模块的部分、安装磁盘驱动器的部分、以及、将模块连接到磁盘驱动器和在一些情况下使模块互连的中间板。各种可能的方案可以在前部放置磁盘驱动器并在后部放置模块，或者与此相反。机壳14还可以包括电源单元。或者，这样的部件如电源机壳和备用电源机壳、控制模块等可以位于外设机壳14中。
根据图1的现有技术存储系统10，为了实现NAS(网络访问存储)系统，机壳14可以包含多种不同的模块，全部执行不同的功能。因此，为使用存储系统10，必须制造、运输和预备许多模块和机壳FRU(现场替换单元)。例如，考虑如图2所示的现有技术NAS系统。每一机壳16、18和20包括用于执行不同任务的不同模块。底部机壳16包括双NAS模块22，用于通过NAS专用板26从网络24获取文件I/O、将该文件I/O转换为块数据、通过光纤通道连接28将块数据转发给SAN(存储区域网络)机壳18。光纤通道连接28包括通过光缆连接器30a、b和32a、b连接到NAS和SAN机壳的光缆。
中部SAN机壳包括双处理器模块34，用于缓存来自NAS机壳16的块I/O数据、将该块I/O数据转换为RAID(廉价磁盘冗余阵列)格式、并向/从磁盘驱动器38传递RAID数据，对其的访问由一个或多个机壳如标注为“DAE底座”的顶部机壳20控制。连接到光纤通道控制器36的光纤通道连接器42通过光缆或铜缆44将处理器模块34连接到一个或多个DAE机壳20。DAE机壳包括用于提供对磁盘驱动器38的访问的双控制模块40。
为清晰起见，根据不同的操作系统类型和传输技术，文件I/O是用于访问和传递“文件”的机制。例如，文件I/O可以在TCP/IP以太网上使用NFS或CIFS/SMB访问协议。文件I/O通常设计为避免文件访问之间的冲突，从而文件可以在用户之间和不同操作系统类型之间共享。另一方面，块I/O是磁盘访问的基本机理，通过去往和来自磁盘的SCSI、光纤通道等I/O通道按块大小(例如16K、128K等)移动数据。这样，例如一个文件可以作为文件I/O通过TCP/IP传输、解包、缓冲、分块，再作为块I/O(或为了容错目的还可被进一步变换，如变换为RAID格式)传递给磁盘。
为了在图2的系统上存储文件，文件通过网络24传递给NAS机壳16。在NAS机壳16中，模块22之一将文件转换为块数据并通过光纤通道光缆28向SAN机壳18中的模块34传递块数据。SAN机壳18再将块数据转换为RAID格式并通过光纤通道光缆44将该RAID数据传送给DAE机壳如20上的磁盘存储器38。为了从NAS机壳16向DAE机壳20移动文件并在磁盘38上存储文件，多个底座和光连接必须贯通，从而导致系统成本非常高。
在图3中表示了结合本发明原理的NAS存储系统。所示为包括一对数据移动器模块52和磁盘驱动器54的机壳50，以及包括一对存储处理器58和磁盘驱动器60的机壳56。通常，文件数据进入数据移动器52并被转换为块数据，块数据传输给存储处理器58。之后，首选地，存储处理器58将块数据变换为RAID格式并使数据存储在磁盘驱动器54或60上，或在更大的系统中，将数据保存在位于系统中其他机壳内的磁盘驱动器上。
本发明的一些方面使图3的NAS系统方案非常灵活并且节省成本。首先，整个NAS系统能够仅由所示的两个机壳构造。注意，磁盘驱动器安装在数据移动器机壳50中和存储处理器机壳56中。如将进一步描述的，存储处理器58能够访问所有这些磁盘驱动器。这与图2的系统不同，其中磁盘驱动器不能安装在NAS和SAN底座中。两机壳解决方案是节省成本的初级NAS解决方案，其能够通过添加更多的DAE机壳进行扩展。
此外，如将进一步描述的，在图3的系统中不需要光缆或光连接器。所有的连接以铜缆或蚀刻实现。这也导致了大幅的成本节约。
而且，正如所见，数据移动器模块52和存储处理器模块58除了专用板62和64以外实质上是相同的。这是有优势的和节约成本的，因为仅通过改变专用板，相同的基本模块即可用于不同的功能。因此，通过安排基本模块和专用板FRU(现场可替换单元)即可简单地构造许多配置的存储系统。
根据该系统的优选实施例，图3中所示的示例，顶部机壳50包括在机壳内的后部连接到中间板66的一对数据移动器模块52。磁盘驱动器54位于机壳50内的前部，并且也连接到中间板66。在每一数据移动器模块52之上的数据移动器专用板62包括用于通过以太网69接收文件I/O的四元组吉比特以太网接口68。例如，四元组吉比特以太网接口68可以由一对Broadcom公司的5704二元组吉比特以太网收发器构造。虽然本发明的优选实施例实现了四元组吉比特以太网接口，但是可以理解，10兆比特的以太网或其他类型的网络连接，包括更新的更高速的网络连接也可不背离本发明原理地实现在数据移动器专用板62上。数据移动器专用板62还包括I/O通道输出端口70。I/O通道输出端口70是连接到存储处理器模块58之一上的输入端口的两I/O输出端口之一，这将在下面进一步描述。I/O通道输出端口优选连接到光纤通道控制器72并实现为光纤通道I/O输出端口，但是其他I/O通道技术如SATA(串行ATA)、SAS(串行连接SCSI)等也可以使用，不背离本发明的原理。
数据移动器模块52上还包括一对I/O通道接口74和76，再次地，其优选光纤通道接口。I/O通道接口74是用于通过HSSDC(高速串行数据连接器)78向存储处理器58之一传送块I/O数据的另一I/O通道，这将在下面描述。根据本发明的一方面，如下面将描述的，另一I/O通道接口76通过HSSDC 80从存储处理器58输入块数据。在所示的光纤通道实施方式中，I/O通道接口76连接到互连磁盘驱动器54和60的光纤通道回路。
底部机壳56表示为一对连接到中间板82的存储处理器模块58。磁盘驱动器60位于机壳56内的前部并也连接到中间板82。注意，光纤通道控制器84和每一存储处理器模块58上的I/O通道接口86和88以与数据移动器模块52中所示的相同方式进行设置。两模块之间唯一的区别在于存储处理器专用板92和I/O通道端口的配置。每一存储处理器专用板90包括两个I/O通道输入92，用于接收来自数据移动器模块52的块数据。存储处理器58还包括总线接口94。总线接口94由穿过中间板82的总线96互连并用于存储处理器58之间的通信，如下所述。总线96可以是所示的光纤通道对等连接，或者可以是InfinibandTM连接或PCI连接等。注意，总线接口94和总线96没有表示在数据移动器模块52中，因为在该实施例中数据移动器不相互通信。数据移动器模块52能够包括总线接口94并简单地不进行使用。优选该形式，从而底座模块52和58可互换。
每一存储处理器模块58上的HSSDC光纤通道端口86和88的连接与数据移动器模块52上的不同。根据本发明，每一光纤通道端口88将重构的块数据(例如RAID数据)从每一存储处理器58输出数据移动器模块光纤通道输入76以访问数据移动器机壳50中的磁盘54。其他光纤通道端口86可将数据输出给安装在系统中的其他磁盘。
现在描述包括数据移动器模块52和存储处理器模块58的存储系统的运行。为了存储文件数据，通过网络69，在实施例中表示为吉比特以太网，数据从主机传送给数据移动器专用板62之一上的吉比特以太网接口68。数据移动器52将文件数据转换为块数据。通过光纤通道端口70和/或74向存储处理器模块58上的光纤通道端口92传送数据。由存储处理器模块58接收的块数据存储在存储处理器中以进一步传送给磁盘。为容错目的，块数据通过总线接口94和总线96从一个存储处理器模块58复制到另一存储处理器模块58。在每一存储处理器58中的块数据可以再转换为RAID格式并通过光纤通道端口86传递给另一机壳中的磁盘。或者，根据本发明的一方面，重定格式的块数据可以传送给存储处理器机壳56中的磁盘60，或者通过光纤通道端口88传送给数据移动器模块52上的光纤通道端口76并再传送给数据移动器模块机壳50中的磁盘驱动器54。根据本发明的这一方面，存储处理器模块58能够利用安装在存储处理器机壳56或数据移动器机壳50中的磁盘。从而实现了大幅度的成本降低和系统的灵活性。
根据本发明的另一方面，图3的系统不需要光学元件，不需要光缆，也不需要MIA(光电转换媒质接口适配器)，也不需要光SFP(小型可热插拔连接器)。而且，不需要铜SFP。设置数据移动器专用板62从而铜缆能够直接插入每一数据移动器专用板62上的光纤通道端口70。此外，存储处理器专用板64上的两个光纤通道输入端口92也接收铜缆。由于去除了如图2所示现有技术中在数据移动器与磁盘机壳之间的单独SAN机壳(该SAN机壳需要光缆和连接器)，这些优化是可行的。去除光缆和连接器更进一步地节省了成本。
根据本发明不同的实施方式，数据移动器模块和存储处理器模块安装在相同的机壳内以提供成本更低、更紧凑的NAS解决方案。参考图4，所示为包括与图3中所示的数据移动器模块52相同的数据移动器模块102的机壳100。存储处理器模块104与图3的存储处理器模块58相同。但是缓存存储板106代替了存储处理器专用板64。缓存存储板106是电池支持的冗余存储器。其再现前述关于图3的系统的功能，其中存储在一个存储处理器模块58中的块数据通过用于另一存储处理器模块58中的冗余存储器的中间板总线96传送。这使中间板总线用于创新的、高性价比的用途。
如图所示，数据移动器模块102和存储处理器模块104连接到机壳100内的中间板108。数据移动器模块102和存储处理器模块104包括光纤通道控制器116和118，其通过总线接口110连接到中间板总线112。磁盘驱动器114连接到中间板108的另一面。在紧凑NAS方案中，文件I/0通过如上所述的四元组吉比特以太网接口进入数据移动器模块102。同样如前所述，文件I/O转换为块I/O。但是，块数据不是通过光纤通道端口退出数据移动器模块102而进入磁盘存储器的存储处理器模块104，而是穿过中间板总线112经总线接口110传递到存储处理器模块104上的块存储缓存存储器。之后，优选地，转换为RAID格式，并且通过机壳100内的存储驱动器114上的存储器的内部光纤通道回路122传送，或者通过系统中另一机壳内的磁盘驱动器上的存储器的光纤通道端口124传送出去。该系统设置在一个机壳内提供了完整的NAS系统。
应该再一次注意，根据该体系结构，数据移动器模块102与存储处理器模块104之间唯一的区别是或安装数据移动器专用板或安装缓存存储板。模块102和104能够作为相同的FRU安装，特殊之处在于制造或安放合适的专用板或缓存存储板的位置。
应该注意，图3和图4所示的示例中，底座(机壳)和中间板全部是完全相同的。这允许底座之间的基本模块相互交换。以少量机壳实现NAS存储系统的能力、以及互换所有上述模块与机壳并通过在合适的专用板或缓存存储器中添加或交换而指定其功能的能力提供了NAS系统中的非并行灵活性。例如，小型企业组织可以用只包含图4的机壳的底座，以及必要的电源模块(如果需要)。随着组织扩大，增大存储空间和容错能力的要求，可以添加新机壳。配置为如图4所示的现有机壳能够转变为图3的双数据移动器机壳50或者图3的双存储处理器机壳56。例如通过安装存储处理器专用模块90，现有机壳中的模块转换为存储处理器模块58。双模块可以安装在新机壳中并通过安装数据移动器专用模块配置为数据移动器模块54，机壳50包括磁盘驱动器54。由此，系统已经转换为更大的、容错的图3的创新系统，同时仍然只需要两个机壳和不需要光学元件。随着存储能力要求的增长还能添加更多的磁盘驱动器。由此可见，随着NAS系统的扩大，通过安装多个相同的模块FRU和通过安装特别的专用板改变现有模块FRU的功能能够实现多种不同的配置。
本发明不限于在此描述的具体实施例的范围。实际上，除了在此描述的内容，从前述的说明和附图中可知本发明的多种修改对本领域的普通技术人员是显而易见的。因此这些修改落在本发明的范围之内。此外，虽然本发明的一些方面已经在此以用于特殊用途的特殊环境中的特殊实施例的上下文中描述，但是本领域的普通技术人员将认识到其有用性不限于此，本发明能够有利地实施于多种用途的多种环境中。
权利要求
1.存储系统，包括包括第一多个模块和非易失性存储器的第一机壳，每一模块用于将文件I/O转换为块I/O；包括第二多个模块和非易失性存储器的第二机壳，每一模块用于使块I/O存储于第一或第二机壳中的非易失性存储器上。
2.根据权利要求1所述的存储系统，其中非易失性存储器是硬盘驱动器。
3.根据权利要求2所述的存储系统，其中块I/O以RAID格式存储在磁盘驱动器上。
4.根据权利要求1所述的存储系统，其中第一多个模块中的每一模块连接到专用模块，专用模块包括用于连接到网络的网络接口，以在该模块与主机之间传送文件I/O。
5.根据权利要求4所述的存储系统，其中网络是以太网。
6.根据权利要求1所述的存储系统，其中第一多个模块中的每一模块包括连接到第一通道I/O媒质的第一通道I/O输出，以将块I/O从模块传送到第二机壳。
7.根据权利要求6所述的存储系统，其中第二多个模块的每一模块连接到专用模块，该专用模块包括连接到第一通道I/O媒质的第一通道I/O输入，以从第一多个模块的每一模块传送块I/O。
8.根据权利要求7所述的存储系统，其中第一通道I/O媒质是光纤通道。
9.根据权利要求1所述的存储系统，其中第二多个模块中的每一模块包括连接到第二通道I/O媒质的第二通道I/O输出，以在模块与第一机壳之间传送块数据。
10.根据权利要求9所述的存储系统，其中第一多个模块的每一模块包括连接到第二通道I/O媒质的第二通道I/O输入，以在第二多个模块与第一机壳中的非易失性存储器之间传送块I/O。
11.根据权利要求10所述的存储系统，其中第二通道I/O媒质是光纤通道。
12.根据权利要求11所述的存储系统，其中第一通道I/O输入、第二通道I/O输入、第一通道I/O输出、第二通道I/O输出、第一通道I/O媒质、和第二通道I/O媒质是铜。
13.根据权利要求1所述的存储系统，其中第一多个模块和第二多个模块能够相互交换。
14.存储系统，包括包括第一多个模块和非易失性存储器的第一机壳，用于转换文件I/O为块I/O的第一多个模块的第一模块；用于传送块I/O给非易失性存储器的第一多个模块的第二模块；通过第一数据总线互连的第一和第二模块；其中块I/O在第一模块与第二模块之间通过第一数据总线传送；及其中块I/O从第二模块传送到非易失性存储器。
15.根据权利要求14所述的存储系统，其中非易失性存储器是硬盘存储器。
16.根据权利要求15所述的存储系统，其中块I/O以RAID格式存储在硬盘驱动器上。
17.根据权利要求14所述的存储系统，其中第一多个模块和非易失性存储器连接到第一中间板，其中第一数据总线穿过第一中间板并通过第一中间板互连第一和第二模块。
18.根据权利要求17所述的存储系统，进一步包括含有第二多个模块和非易失性存储器的第二机壳；及其中第二多个模块和非易失性存储器连接到第二中间板；及其中第二数据总线穿过第二中间板并通过中间板互连第一和第二模块；及其中第一和第二中间板相同；及其中第二数据总线用于不同于第一数据总线的用途。
19.根据权利要求14所述的存储系统，其中第一多个模块中的第一模块连接到包括用于连接到网络的网络接口的专用模块，以在第一模块与主机之间传送文件I/O。
20.根据权利要求19所述的存储系统，其中网络是以太网。
21.根据权利要求14所述的存储系统，其中第一多个模块的第二模块连接到包括用于缓存块I/O数据的缓存存储器的专用模块。
22.根据权利要求14所述的存储系统，其中第一和第二模块能够互换。
23.在存储系统中使用的方法，包括步骤在第一机壳中包括第一多个模块；在第一多个模块的每一模块上转换文件I/O为块I/O；在第二机壳中包括第二多个模块和非易失性存储器；由第二多个模块的每一模块使块I/O存储在第一或第二机壳中的非易失性存储器上。
24.根据权利要求23所述的方法，其中非易失性存储器是硬盘驱动器。
25.根据权利要求24所述的方法，其中使块I/O被存储的步骤以RAID格式在硬盘驱动器上存储块I/O。
26.根据权利要求23所述的方法，进一步包括步骤连接第一多个模块的每一模块到包括用于连接到网络的网络接口的专用模块，网络用于在模块与主机之间传送文件I/O。
27.根据权利要求26所述的方法，其中网络是以太网。
28.根据权利要求23所述的方法，进一步包括步骤在第一多个模块的每一模块上包括用于连接到第一通道I/O媒质的第一通道I/O输出，以从模块到第二机壳传送块I/O。
29.根据权利要求23所述的方法，进一步包括连接第二多个模块的每一模块到包括用于连接到第一通道I/O媒质的第一通道I/O输入的专用模块，以从第一多个模块的每一模块传送块I/O。
30.根据权利要求29所述的方法，其中第一通道I/O媒质是光纤通道。
31.根据权利要求23所述的方法，进一步包括步骤在第二多个模块的每一模块上包括用于连接到第二通道I/O媒质的第二通道I/O输出，以在模块与第一机壳之间传送块数据。
32.根据权利要求31所述的方法，进一步包括步骤在第一多个模块的每一模块上包括连接到第二通道I/O媒质的第二通道I/O输入，以在第二多个模块与第一机壳中的非易失性存储器之间传送块I/O。
33.根据权利要求32所述的方法，其中第二通道I/O媒质是光纤通道。
34.根据权利要求32所述的方法，其中第一通道I/O输入、第二通道I/O输入、第一通道I/O输出、第二通道I/O输出、第一通道I/O媒质和第二通道I/O媒质是铜。
35.根据权利要求23所述的方法，其中第一多个模块和第二多个模块能够互换。
36.在存储系统中使用的方法，包括步骤提供包括第一多个模块和非易失性存储器的第一机壳，第一多个模块的第一模块用于转换文件I/O为块I/O；第一多个模块的第二模块用于传送块I/O到非易失性存储器；通过第一数据总线互连第一和第二模块；通过第一数据总线在第一与第二模块之间传送块I/O；及从第二模块到非易失性存储器传送块I/O。
37.根据权利要求34所述的方法，其中非易失性存储器是硬盘驱动器。
38.根据权利要求37所述的方法，其中从第二模块传送块I/O的步骤以RAID的格式向硬盘驱动器传送块I/O。
39.根据权利要求36所述的方法，其中互换步骤包括步骤连接第一多个模块和非易失性存储器到第一中间板，其中第一数据总线穿过第一中间板；及通过第一中间板互连第一和第二模块。
40.根据权利要求39所述的方法，进一步包括步骤提供包括第二多个模块和非易失性存储器的第二机壳；连接第二多个模块和非易失性存储器到第二中间板；通过穿过第二中间板的第二数据总线互连第二多个模块的模块；其中第一和第二中间板相同；及其中第二数据总线用于不同于第一数据总线的用途。
41.根据权利要求36所述的方法，进一步包括步骤连接第一多个模块的第一模块到包括用于连接到网络的网络接口的专用模块，以在第一模块与主机之间传送文件I/O。
42.根据权利要求41所述的方法，其中网络是以太网。
43.根据权利要求36所述的方法，包括步骤连接第一多个模块的第二模块到包括用于缓存块I/O数据的缓存存储器的专用模块。
全文摘要
存储解决方案包括具有模块和非易失性存储器如硬盘驱动器的第一机壳。这些模块将文件I/O转换为块I/O。第二机壳包括第二模块和非易失性存储器。这些模块用于使块I/O存储在第一或第二机壳中的非易失性存储器上。因此，作为块I/O存储器的模块能够访问位于文件I/O服务器内的存储器。在不同的方案中，存储系统具有包括模块和非易失性存储器的机壳。一模块将文件I/O转换为块I/O，另一模块将块I/O传送给非易失性存储器。第一和第二模块通过数据总线互连。通过数据总线在第一与第二模块之间传递块I/O。数据总线穿过互连模块的中间板。第二模块在机壳中存储数据。
文档编号G06F3/06GK101031896SQ200580015079
公开日2007年9月5日 申请日期2005年6月27日 优先权日2004年6月28日
发明者拉尔夫·弗兰焦索, 罗伯特·维日比茨基 申请人:伊姆西公司