Что такое система хранения данных

Для чего нужны системы хранения данных

Система хранения данных (СХД) — специализированная инженерно-программная инфраструктура для централизованного хранения, защиты и управления информацией в компьютерных сетях.

Архитектурно СХД может быть реализована по-разному: как аппаратный RAID-массив или выделенный сервер, либо как виртуализированная среда и облачная инфраструктура. Главная цель любой СХД — обеспечить сохранность данных и их доступность для пользователей или сервисов.

Современные СХД берут на себя комплекс задач.

• Хранение данных. Базовая функция системы — гарантировать целостность информации. СХД защищает данные от аппаратных поломок, программных сбоев, системных ошибок и случайного удаления.
• Доступ к данным. Система оптимизирует пути ввода-вывода и минимизирует задержки. Это критически важно для приложений и СУБД, требующих обработки информации в режиме реального времени.
• Управление данными. СХД оснащены встроенными инструментами для логического структурирования данных, создания мгновенных снимков (снапшотов), резервного копирования, архивации и быстрого восстановления систем после сбоев.
• Масштабирование. Архитектура позволяет гибко наращивать емкость и производительность пула хранения по мере роста инфраструктуры, не требуя остановки работающих сервисов.
• Оптимизация и тиринг. Продвинутые системы умеют автоматически распределять данные между разными типами накопителей (например, перемещать «горячие» транзакционные данные на быстрые NVMe SSD, а «холодные» архивы — на емкие HDD), снижая стоимость хранения без потери производительности.

Таким образом, СХД позволяет получить доступ к хранящимся данным из разных узлов сети, обеспечивает высокую скорость передачи информации и легко масштабируется. Она широко используются в корпоративных сетях и центрах обработки данных для обеспечения надежного и эффективного хранения информации.

Как устроена система хранения данных

С точки зрения аппаратного устройства системы хранения данных имеют сложную структуру, включающую различные компоненты.

• Массив жестких дисков (HDD или SSD). Представляет собой группу физических дисков, которые используются для хранения данных. HDD используются для долгосрочного хранения информации, а SSD обеспечивают более высокую скорость чтения и записи.
• Кэш-память (или кэш-накопитель). Здесь временно хранятся наиболее часто используемые данные, к которым можно получить быстрый доступ.
• Контроллер дискового массива (RAID-контроллер). Управляет работой массива жестких дисков. Он обеспечивает объединение нескольких дисков в логические группы, резервирование данных, контроль целостности данных и управление доступом к данным.
• Внешний корпус. Представляет собой физическую оболочку, в которой размещаются компоненты СХД, включая массив жестких дисков, кэш-память и контроллер дискового массива. Обеспечивает физическую защиту и организацию компонентов СХД.
• Блоки питания. Обеспечивают электропитание для всех компонентов СХД и гарантируют их непрерывную работу.

Классификация СХД

Системы хранения данных можно классифицировать на несколько типов в зависимости от различных критериев.

По типу организации доступа

СХД можно конфигурировать множеством разных способов и благодаря этому — создать наиболее подходящее сочетание ПО, аппаратных компонентов и протоколов.

Direct Attached Storage (DAS)

Это хранилище представляет собой набор жестких дисков, который подключается к компьютеру или серверу без использования сети через USB, Thunderbolt, eSATA или SCSI. За счет этого DAS обеспечивает более высокую скорость передачи данных, чем, например сетевые хранилища вроде Network Attached Storage (NAS) или Storage Area Network (SAN).

Network Attached Storage (NAS)

Устройство предоставляет централизованное хранилище для файлов и данных, доступное для всех устройств в сети. NAS управляется специальным программным обеспечением, которое обеспечивает доступ к информации через протоколы сетевой передачи данных, такие как FTP, SMB, NFS и другие. 

Пользователи могут создавать различные каталоги и разделять доступ к ним с помощью учетных записей и прав доступа. Некоторые устройства NAS предлагают дополнительные функции: резервное копирование, потоковое воспроизведение мультимедиа, доступ к файлам через интернет и т. д. Среди других преимуществ NAS — удобство централизованного хранения данных, возможность резервного копирования, легкость расширения хранилища и доступ к файлам из любой точки сети.

Storage Area Network (SAN)

Это специализированная высокоскоростная сеть, обеспечивающая сетевой доступ к устройствам хранения данных. Она обычно состоит из хостов, коммутаторов, элементов и устройств хранения, которые соединены между собой. SAN представляет устройства хранения данных хосту таким образом, что они кажутся локально подключенными. Такое упрощенное представление хранилища хосту достигается за счет использования виртуализации ресурсов.

Sofware-Defined Storage (SDS)

Программно-определяемая СХД отделяет управление хранением от физического железа. В отличие от классических SAN или NAS, привязанных к конкретному оборудованию одного производителя, SDS работает на базе стандартных серверов x86-архитектуры. Специальное программное обеспечение объединяет локальные диски нескольких независимых машин в единый распределенный пул и распределяет данные между ними по сети (чаще всего используется Ethernet, но для максимальной производительности применяют RoCE или InfiniBand).

Такой подход устраняет зависимость от конкретного вендора, позволяя использовать серверы и накопители любых брендов. Масштабировать систему максимально просто: для увеличения емкости и производительности достаточно добавить в кластер еще один узел с дисками. Кроме того, SDS служит основой для гиперконвергентных платформ, где вычисления и хранение работают на одних и тех же серверах.

По типу работы с данными

Большинство сервисов по хранению данных основаны на архитектуре СХД. Информация в них может храниться по-разному: в виде отдельных файлов, блоков или объектов. Это зависит от типа данных, а также определяет способ доступа к ним.

Файловые хранилища

Файловые хранилища используются для хранения и управления файлами и папками. Они предоставляют доступ к данным через протоколы NFS (Network File System) для UNIX/Linux-систем и SMB (Server Message Block) / CIFS (Common Internet File System) для систем Windows. Файловые системы, например NAS, обеспечивают общий доступ к данным и удобство в работе с файлами.

Блочные хранилища

Блочные хранилища работают на более низком уровне и предоставляют доступ к данным в виде блоков фиксированного размера. Они используются для хранения и передачи данных в виде блоков, например по протоколам Fibre Channel, iSCSI или SCSI. Блочные устройства обычно используются для хранения информации, требующей высокой производительности и низкой задержки, такой как базы данных, и виртуализации.

Объектные хранилища

Объектные хранилища организуют данные в виде объектов, которые содержат сами данные, метаданные и уникальный идентификатор. Это позволяет эффективно управлять большими объемами информации, такими как big data, а также обеспечивает гибкость и масштабируемость хранения. Объектные хранилища часто используются для хранения данных в облаке и для распределенных систем.

В СХД могут использоваться различные комбинации этих типов хранения данных в зависимости от требований и конфигурации системы.

По типу железа

Конфигурация железа и тип накопителей напрямую определяют производительность СХД, ее стоимость и сферу применения.

All-Flash массивы (AFA)

Системы, построенные исключительно на твердотельных накопителях (SSD с интерфейсами SAS или NVMe). Они обеспечивают максимальную скорость чтения и записи при минимальных задержках. Применяются для самых нагруженных задач: тяжелых баз данных, бизнес-аналитики и крупных облачных платформ, а также такие массивы используются для для систем искусственного интеллекта и машинного обучения.

HDD-массивы 

Традиционные системы, укомплектованные только классическими магнитными жесткими дисками. Из-за низкой скорости случайного доступа они не подходят для быстрых вычислений, но предлагают минимальную стоимость за гигабайт. Идеальны для хранения резервных копий (бэкапов), систем видеонаблюдения и «холодных» архивов.

Гибридные СХД

Комбинированные массивы, сочетающие емкие HDD и быстрые SSD. С помощью технологий кэширования и тиринга система автоматически переносит часто используемые («горячие») данные на SSD, а редко используемые («холодные») — на HDD. Это позволяет получить высокую скорость по доступной цене. Такие системы могут применяться для разработки и тестирования, а также для корпоративных информационных систем.

Гиперконвергентные системы (HCI)

Современный подход, где в рамках одного физического сервера объединены и вычислительные мощности (CPU, RAM), и программно-определяемая СХД (SDS). Вместо покупки отдельных дисковых полок компания строит кластер из стандартных серверов, которые одновременно и запускают виртуальные машины, и хранят их данные, распределяя их между собой по сети.

Отказоустойчивость СХД и восстановление после сбоев

В какой бы системе ни хранились данные, провайдер обязан следить за отказоустойчивостью инфраструктуры. Резервное копирование, репликация, распределение нагрузки, защита от атак и другие услуги помогают сделать СХД более устойчивой. А если сбой все же произойдет — минимизировать его последствия и максимально быстро восстановить систему.

Для оценки способности СХД восстанавливаться после сбоев используются два показателя: RPO и RTO.

• RPO (Recovery Point Objective). Определяет максимально допустимую потерю данных в случае сбоя. Этот показатель указывает, насколько близко к моменту сбоя должны быть восстановлены данные. Чем меньше RPO, тем меньше потеря данных при восстановлении.
• RTO (Recovery Time Objective). Определяет максимально допустимое время восстановления после сбоя. Этот показатель указывает, сколько времени требуется для восстановления работы системы после сбоя. Чем меньше RTO, тем быстрее система восстанавливается и снова становится доступной.

Как СХД помогает бизнесу организовать эффективное хранение данных предприятия

Переход от локальных дисков к централизованной СХД кардинально меняет эффективность ИТ-инфраструктуры компании. Внедряя хранение данных предприятия на базе специализированных массивов, бизнес получает несколько ключевых преимуществ.

• Защита от простоев и непрерывность процессов. Любой аппаратный сбой — будь то поломка диска или контроллера — отрабатывается системой автоматически. Сервисы продолжают работу без остановки, а клиенты и сотрудники не замечают технических проблем.
• Снижение затрат на ИТ-персонал и обслуживание. Управлять одной централизованной СХД гораздо проще и быстрее, чем администрировать локальные накопители на сотнях отдельных серверов.
• Безопасность и контроль. Централизованное хранилище позволяет гибко разграничивать права доступа, шифровать критически важную информацию и гарантирует, что конфиденциальные данные не «утекут» вместе с жестким диском украденного или сломавшегося рабочего сервера.

Как выбрать СХД

При выборе СХД следует учесть несколько множество важных факторов.

Профиль нагрузки и тип данных

Для баз данных (СУБД) и ERP-систем нужна высокая скорость случайного чтения/записи и минимальная задержка (Latency). Идеальный выбор — All-Flash массивы (AFA) на базе NVMe.

Для бэкапов и архивов скорость не так важна, на первый план выходит стоимость за гигабайт. Здесь лучше использовать гибридные СХД или недорогие массивы на емких HDD (NL-SAS/SATA). 

Для корпоративных файловых хранилищ и совместной работы главное требование — удобная иерархическая структура и разграничение прав доступа. Для таких задач выбирают СХД с поддержкой сетевых протоколов (NAS) — NFS и актуальных версий SMB, которые обеспечивают стабильную одновременную работу большого количества пользователей с общими документами и медиафайлами. 

Производительность

Здесь не стоит ограничиваться только значением IOPS (количество операций ввода-вывода в секунду). Следует обращать внимание и на другие параметры.

• Задержка (latency). Для критичных бизнес-приложений она должна быть на уровне < 1 мс.
• Размер блока данных. Нужно помнить, что 100 000 IOPS на блоке 4 КБ и на блоке 64 КБ — это принципиально разная нагрузка на контроллеры.

Требования к отказоустойчивости (RPO и RTO) 

Нужно определить, сколько времени допустимо восстанавливать данные в случае аварии.

• Если простой недопустим — рекомендуется выбирать архитектуру без единой точки отказа (No Single Point of Failure) с дублированием всех контроллеров, блоков питания и путей подключения.
• Также стоит обратить внимание на технологии виртуализации дискового пространства. Современные решения вроде RAID 2.0+ позволяют восстанавливать терабайты данных за минуты, минимизируя риски при выходе дисков из строя.

Эффективность хранения

Немаловажный фактор для современных СХД — умение экономить дисковое пространство. Поэтому стоит обратить внимание на такие технологии как:

• дедупликация и компрессия данных: в All-Flash системах они позволяют сжать реальный объем данных в 2–5 раз (особенно на виртуализации), что кратно снижает стоимость хранения;
• thin provisioning («тонкие» диски): позволяет выделять емкость серверам динамически, по мере реального заполнения, а не резервировать ее «авансом».

Интерфейсы подключения (протоколы)

• Fibre Channel (FC): подходит для изолированных сетей хранения (SAN) корпоративного уровня. Обеспечивает максимальную пропускную способность, стабильность и отсутствие потерь пакетов на уровне протокола. 
• iSCSI: позволяет передавать блочные данные по обычной Ethernet-сети, что существенно дешевле, но нагружает процессоры серверов.
• SAS (Serial Attached SCSI): применяется преимущественно для прямого подключения (DAS) систем хранения или отдельных дисковых полок к серверам, находящимся в пределах одной или соседних стоек. Обладает отличной скоростью, но строго ограничен по расстоянию и количеству подключаемых хостов. 

Масштабируемость и форм-фактор

Следует оценить перспективы роста: поддерживает ли система Scale-Up (наращивание емкости за счет добавления дисковых полок) или Scale-Out (горизонтальное масштабирование путем добавления новых контроллеров для одновременного роста емкости и мощности). 

От габаритов шасси напрямую зависит стоимость размещения оборудования в стойке ЦОД, так как провайдеры тарифицируют место по количеству занятых юнитов. Использование СХД с высокой плотностью дисков (например, систем top-loading, где в корпус 4U могут помещаться до 100 накопителей) позволяет колоссально экономить на аренде стоечного пространства. Однако для таких «плотных» массивов нужно заранее рассчитывать повышенные требования к электропитанию и охлаждению на один юнит, чтобы стойка в ЦОД не ушла в перегрузку.  

Способ организации инфраструктуры

Покупка собственной Enterprise-СХД в контур компании (CAPEX) сегодня сопряжена с большими капитальными затратами, сложной логистикой и рисками остаться без вендорской поддержки.

Альтернативный путь — аренда выделенной СХД в облаке провайдера (OPEX). Например, в Selectel вы можете развернуть кастомные серверы для собственных распределенных хранилищ или взять в аренду готовые отказоустойчивые All-Flash массивы Huawei OceanStor^® Dorado . Это позволяет запустить инфраструктуру за считанные дни, гибко масштабировать ее под лавинообразные нагрузки и переложить обслуживание «железа» на инженеров дата-центра.

Важно также обратиться к специалистам или консультантам, чтобы получить дополнительную информацию о конкретных моделях СХД и их соответствии вашим требованиям.

Пользователям дата-центров доступны как выделенные СХД целиком, так и логические юниты LUN от 1 ТБ в shared-устройствах. Выделенные СХД обычно используются крупным бизнесом с большими объемами данных, тогда как LUN идеально подойдет для работы с базами данных, виртуализацией или медиафайлами.

Можно ли масштабировать сетевое хранение данных под растущие нагрузки

Один из главных вопросов при развитии ИТ-инфраструктуры — что делать, когда объемы информации вырастут в разы? Современное сетевое хранение данных изначально спроектировано под быстрорастущие и масштабируемые среды.

Расширять систему можно двумя путями в зависимости от ее архитектуры.

• Вертикально (Scale-Up). В классических СХД вы просто добавляете новые дисковые полки в существующую стойку прямо на ходу, без остановки приложений.
• Горизонтально (Scale-Out). В программно-определяемых (SDS) и гиперконвергентных системах масштабирование происходит за счет добавления в кластер новых узлов.

СХД позволяет выделять и расширять дисковое пространство для серверов «на лету» по запросу. Это делает ее идеальным фундаментом для динамических облачных сред, Kubernetes-кластеров и любых микросервисных архитектур, где нагрузка может меняться лавинообразно.

Сервер хранения данных и требования российского законодательства

Для компаний, работающих на российском рынке, критически важно соблюдать требования регуляторов в области информационной безопасности и защиты данных. Организовать легитимный и защищенный сервер хранения данных можно несколькими путями, в том числе с помощью инфраструктурных решений от Selectel.

• Использование отечественного железа и ПО. Для проектов, подпадающих под программу импортозамещения, Selectel предоставляет в аренду выделенные серверы хранения данных на базе отечественных платформ, входящих в реестр Минпромторга, а также поддерживает развертывание российских операционных систем и систем управления базами данных.
• Локализация персональных данных (ФЗ-152). Закон требует, чтобы базы данных с информацией о гражданах РФ физически находились на территории страны. Размещая СХД в дата-центрах Selectel, компании полностью закрывают это требование. Провайдер предлагает выделенные серверы и облачные пулы в защищенном контуре, соответствующем уровням защищенности УЗ-1–УЗ-4. 
• Работа в ГИС и КИИ. Если инфраструктура клиента относится к государственным информационным системам или объектам критической информационной инфраструктуры, Selectel помогает развернуть СХД в аттестованном сегменте ЦОД, спроектированном по строгим стандартам ФСТЭК и ФСБ.

Заключение

С ростом объемов корпоративной информации и усложнением ИТ-ландшафта системы хранения данных продолжают эволюционировать. Развитие технологий идет по пути снижения задержек, повышения плотности хранения и автоматизации управления данными. На рынке регулярно появляются новые поколения массивов — от импортозамещающих российских линеек до новейших high-end платформ от мировых технологических лидеров (Huawei OceanStor^® Dorado, Dell и другие).