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摘要：分析了数据的存储架构和存储网络间的通信技术，针对教学过程中由于缺少存储设备而导致的数据存储实验难做的问题，给出了一种实验室的NAS存储设计方案，并介绍了在VMware中使用FreeNAS实现NAS技术的方法。该方法在一个虚拟机上安装了FreeNAS，并建立了磁盘阵列作为共享存储，设置OPT网卡和iSCSI目标，使得客户端连接到存储服务器，访问磁盘阵列。通过教学实践，取得了不错的教学效果，有一定的参考价值。
关键词：数据存储；FreeNAS；NAS；IP-SAN；VMware
中图分类号：TP309文献标志码：A文章编号：1008-1739（2018）04-69-3
A Method of Implementing Data Storage Technology in Virtual Machine
WANG Shu
（Xi’an Aeronautical Polytechnic Institute， Xi’an Shaanxi 710089， China）
0引言
随着云时代的来临，大数据吸引了越来越多的关注。根据维基百科的定义，大数据是指无法在可承受的时间范围内，用常规软件工具进行捕捉、管理和处理的数据集合。从技术上看，大数据的特色之一是对海量数据进行存储，而数据存储的容量已从TB增加到PB乃至NB和DB，大数据无法用单台的计算机进行处理，必须采用分布式架构[1]。
目前，数据存储设备价格居高不下，在数据存储课程教学过程中，由于缺少存储设备，导致实验无法展开。经过实验，研究出一种在VMware中使用FreeNAS实现NAS技术的方法，实验效果良好。
1数据存储技术
1.1数据存储架构
存储系统的网络架构有直接附加存储、网络附加存储和存储区域网络3种[2]：
①直接附加存储（DAS）是指将存储设备通过SCSI线缆或光纤通道直接连接到服务器上，以服务器为中心，不带有任何存储操作系统。DAS方式实现了机内存储到存储子系统的跨越，但存在扩展性差等缺点。
②网络附加存储（NAS）是一种网络直连存储设备的机制，由于这些设备都分配有IP地址，通过网络接口与网络直接相连，用户通过网络访问。
③存储区域网络（SAN）是一种面向网络的存储结构，通过高速网络将一个或若干个网络存储设备与服务器连接起来的专用存储系统。常用的实现方式有采用光纤通道、FCP协议的FC-SAN及iSCSI的IP-SAN。
这3种网络存储架构各有特点，NAS能够满足那些希望降低存储成本但又无法承受SAN昂贵价格的中小企业的需求，同时数据的安全性要求很高，还支持跨平台数据共享，具有相当好的性能价格比。
1.2网络存储通信技术
网络存储通信中使用到的相关技术和协议包括SCSI、独立磁盘冗余阵列（RAID）、iSCSI及光纤通道[3]：①SCSI支持高速、可靠的数据存储；②RAID提供改进的性能和磁盘容错能力；③iSCSI技术支持通过IP网络实现存储设备间双向的数据传输，其实质是使SCSI连接中的数据连续化；④光纤信道是一种提供存储设备相互连接的技术，支持高速通信。
2实验室的NAS存储方案设计
NAS以数据为中心，存储系统通过网络接口与网络直接相连，用户通过网络访问NAS的信息资源[4]。实验室构建的存储网络是基于NAS的快速以太网，教师机、学生机、服务器和NAS设备都接入该网络，并且属于同一个网段，如图1所示。
①NAS存储服务器用于管理存储设备进行存储数据，可以是磁盘或磁盘阵列，选择使用4块10 GB的SCSI接口的硬盘，用这4块硬盘组建RAID5，分配2块数据盘和一块校验盘。出于安全考虑，用另外一块做热备用磁盘，当阵列中一个正在使用的物理磁盘发生故障后，该待机的磁盘会立刻上线，代替故障盘。
②管理PC可以在瀏览器中通过IP地址访问NAS设备，实现对NAS设备的配置管理，完成RAID5的组建和用户的访问权限设置。
③客户端：可以通过网络访问NAS存储设备。
3在VMware中使用FreeNAS系统组建NAS共享网络
在VMware虚拟机上实现NAS，需要一台安装有FreeNAS的服务器，该服务器应有2块桥接式网卡，一个网卡的IP地址用于让配置PC完成对存储设备的配置使用，称为配置IP或者管理IP，如192.168.153.5；另外一个网卡的IP地址用于对外提供数据服务，称为数据IP，如192.168.153.10。
3.1在VMware中安装FreeNAS
FreeNAS是针对企业市场推出的存储操作系统，能将一台普通PC变成网络存储服务器。该软件基于FreeBSD、Samba和PHP，支持CIFS、FTP、NFS、RAID（0，1，5）和Web界面的设定工具。用户可以通过Windows、FTP、SSH及网络文件系统来访问存储服务器[5]。
在VMware中新建一个基于FreeBSD的虚拟机，然后在该虚拟机上安装FreeNAS，安装完成后，设定该“IP LAN”为配置IP，即192.168.153.5。编辑该虚拟机参数，为系统添加4块10 GB的SCSI接口的磁盘，再添加一块网卡，保存设置，然后重启FreeNAS。
3.2在配置PC上配置FreeNAS实现共享磁盘 建立一个基于Windows的虚拟机作为配置PC，IP地址为192.168.153.2，在其地址栏中输入FreeNAS的配置IP：192.168.153.5，进入FreeNAS的Web配置环境。
①进入磁盘管理，添加磁盘da1，并格式化为UFS（GPT and Soft Updates）文件系统，选择“挂载点”，挂载磁盘da1；
②进入网络管理，添加网卡，设置其IP地址为数据IP：192.168.153.10；
③进入“网络共享”设置，设置磁盘da1共享给所有用户，并允许匿名用户访问。
在客户机上登录，通过网络访问数据IP：192.168.153.10，就可以看到共享磁盘上的共享信息。
3.3在配置PC上配置FreeNAS实现RAID5
FreeNAS支持软RAID0、RAID1和RAID5[6]，通过da2、da3和da4这3块磁盘组建RAID5，为服务器提供存放数据文件的磁盘空间，设置过程如下：
①添加磁盘：进入磁盘管理，依次添加磁盘da2，da3，da4，并且在“已格式化的文件系统中”选择“Software RAID”；②添加RAID：在“硬盘”下选择“软RAID”，选择要组建的RAID的等级和要使用的3块硬盘；③格式化RAID：RAID创建后，系统会给出RAID5的卷名，完成RAID的创建。
4使用FreeNAS组建IP-SAN
在使用FreeNAS进行磁盘管理的基础上，可以组建IP-SAN网络。
①在FreeNAS中添加一个OPT网卡，该网卡在服务器和磁盘阵列iSCSI协议传输中使用，并定义其IP地址，如：192.168.153.20。
②在FreeNAS中完成iSCSI服务配置：配置iSCSI目标，设置“Tag number”为1，表示对要连接到该设备上的Initiators没有限制，组建IP-SAN的网段为192.168.153.0/24；设置隧道入口点Portal，即OPT网卡的IP地址，本例为192.168.153.20：3260；设置Targets，选择创建好的磁盘阵列作为扩展设备使用，这样就完成了IP-SAN组建。
要访问该IP-SAN中的磁盘阵列，需要在客户端操作系统上安装iSCSI客户端程序才能支持iSCSI协议[7]。运行时，通过discovery添加Target Portal：设置要访问的IP地址为192.168.153.20，同时定义端口号为3260，这样就可以连接到远端的存储服务器，访问磁盘阵列了。具体实践过程中，本例的实验环境为：NAS服务器：VMware+FreeBSD+FreeNAS+ iSCSI、客户端：VMware+Windows+iSCSI，经过测试，能正常访问数据服务，由于组建了RAID5，实现了可靠的数据保护。
5结束语
大数据的存储，不仅需要安全的数据保护手段，也需要高效的I/O磁盘性能[8]。通过上例，在VMware中实现了NAS技术。在此基础上扩展，增加2个群集节点和一个域控制器，就可以实现服务器群集，实现系统高可用性。
参考文献
[1] Somasundaram G，Shrivastava A.數字信息的存储、管理和保护[M].马衡，赵甲，译.北京：人民邮电出版社，2013.
[2]武春岭，鲁先志.数据存储与容灾[M].北京：高等教育出版社， 2015.
[3]熊曦.NAS环境下虚拟机的存储性能优化[D].广州：中山大学，2012.
[4]林昌暖，吴健.基于RDF的CIM数据存储方案研究与实现[J].科学技术与工程，2007（24）：6339-6343.
[5]晏强，张晓锋，丁蕊.云存储技术研究[J].计算机信息与技术， 2011（5）：22-24.
[6]陈永府，宋鹏，王启富，等.云环境下的数据防泄密存储技术[J].计算机应用与软件，2016，33（10）：288-293.
[7]乔猛生，赵洋.基于光纤通道存储区域网的改进DHCHAP安全协议研究[J].计算机应用与软件，2016，33（10）：135-139.
[8]刘帆.关系数据库中实时高效元数据存储算法优化研究[J].科学技术与工程，2017，17（17）：255-260.
关键词：数据存储；FreeNAS；NAS；IP-SAN；VMware
中图分类号：TP309文献标志码：A文章编号：1008-1739（2018）04-69-3
A Method of Implementing Data Storage Technology in Virtual Machine
WANG Shu
（Xi’an Aeronautical Polytechnic Institute， Xi’an Shaanxi 710089， China）
0引言
随着云时代的来临，大数据吸引了越来越多的关注。根据维基百科的定义，大数据是指无法在可承受的时间范围内，用常规软件工具进行捕捉、管理和处理的数据集合。从技术上看，大数据的特色之一是对海量数据进行存储，而数据存储的容量已从TB增加到PB乃至NB和DB，大数据无法用单台的计算机进行处理，必须采用分布式架构[1]。
目前，数据存储设备价格居高不下，在数据存储课程教学过程中，由于缺少存储设备，导致实验无法展开。经过实验，研究出一种在VMware中使用FreeNAS实现NAS技术的方法，实验效果良好。
1数据存储技术
1.1数据存储架构
存储系统的网络架构有直接附加存储、网络附加存储和存储区域网络3种[2]：
①直接附加存储（DAS）是指将存储设备通过SCSI线缆或光纤通道直接连接到服务器上，以服务器为中心，不带有任何存储操作系统。DAS方式实现了机内存储到存储子系统的跨越，但存在扩展性差等缺点。
②网络附加存储（NAS）是一种网络直连存储设备的机制，由于这些设备都分配有IP地址，通过网络接口与网络直接相连，用户通过网络访问。
③存储区域网络（SAN）是一种面向网络的存储结构，通过高速网络将一个或若干个网络存储设备与服务器连接起来的专用存储系统。常用的实现方式有采用光纤通道、FCP协议的FC-SAN及iSCSI的IP-SAN。
这3种网络存储架构各有特点，NAS能够满足那些希望降低存储成本但又无法承受SAN昂贵价格的中小企业的需求，同时数据的安全性要求很高，还支持跨平台数据共享，具有相当好的性能价格比。
1.2网络存储通信技术
网络存储通信中使用到的相关技术和协议包括SCSI、独立磁盘冗余阵列（RAID）、iSCSI及光纤通道[3]：①SCSI支持高速、可靠的数据存储；②RAID提供改进的性能和磁盘容错能力；③iSCSI技术支持通过IP网络实现存储设备间双向的数据传输，其实质是使SCSI连接中的数据连续化；④光纤信道是一种提供存储设备相互连接的技术，支持高速通信。
2实验室的NAS存储方案设计
NAS以数据为中心，存储系统通过网络接口与网络直接相连，用户通过网络访问NAS的信息资源[4]。实验室构建的存储网络是基于NAS的快速以太网，教师机、学生机、服务器和NAS设备都接入该网络，并且属于同一个网段，如图1所示。
①NAS存储服务器用于管理存储设备进行存储数据，可以是磁盘或磁盘阵列，选择使用4块10 GB的SCSI接口的硬盘，用这4块硬盘组建RAID5，分配2块数据盘和一块校验盘。出于安全考虑，用另外一块做热备用磁盘，当阵列中一个正在使用的物理磁盘发生故障后，该待机的磁盘会立刻上线，代替故障盘。
②管理PC可以在瀏览器中通过IP地址访问NAS设备，实现对NAS设备的配置管理，完成RAID5的组建和用户的访问权限设置。
③客户端：可以通过网络访问NAS存储设备。
3在VMware中使用FreeNAS系统组建NAS共享网络
在VMware虚拟机上实现NAS，需要一台安装有FreeNAS的服务器，该服务器应有2块桥接式网卡，一个网卡的IP地址用于让配置PC完成对存储设备的配置使用，称为配置IP或者管理IP，如192.168.153.5；另外一个网卡的IP地址用于对外提供数据服务，称为数据IP，如192.168.153.10。
3.1在VMware中安装FreeNAS
FreeNAS是针对企业市场推出的存储操作系统，能将一台普通PC变成网络存储服务器。该软件基于FreeBSD、Samba和PHP，支持CIFS、FTP、NFS、RAID（0，1，5）和Web界面的设定工具。用户可以通过Windows、FTP、SSH及网络文件系统来访问存储服务器[5]。
在VMware中新建一个基于FreeBSD的虚拟机，然后在该虚拟机上安装FreeNAS，安装完成后，设定该“IP LAN”为配置IP，即192.168.153.5。编辑该虚拟机参数，为系统添加4块10 GB的SCSI接口的磁盘，再添加一块网卡，保存设置，然后重启FreeNAS。
3.2在配置PC上配置FreeNAS实现共享磁盘 建立一个基于Windows的虚拟机作为配置PC，IP地址为192.168.153.2，在其地址栏中输入FreeNAS的配置IP：192.168.153.5，进入FreeNAS的Web配置环境。
①进入磁盘管理，添加磁盘da1，并格式化为UFS（GPT and Soft Updates）文件系统，选择“挂载点”，挂载磁盘da1；
②进入网络管理，添加网卡，设置其IP地址为数据IP：192.168.153.10；
③进入“网络共享”设置，设置磁盘da1共享给所有用户，并允许匿名用户访问。
在客户机上登录，通过网络访问数据IP：192.168.153.10，就可以看到共享磁盘上的共享信息。
3.3在配置PC上配置FreeNAS实现RAID5
FreeNAS支持软RAID0、RAID1和RAID5[6]，通过da2、da3和da4这3块磁盘组建RAID5，为服务器提供存放数据文件的磁盘空间，设置过程如下：
①添加磁盘：进入磁盘管理，依次添加磁盘da2，da3，da4，并且在“已格式化的文件系统中”选择“Software RAID”；②添加RAID：在“硬盘”下选择“软RAID”，选择要组建的RAID的等级和要使用的3块硬盘；③格式化RAID：RAID创建后，系统会给出RAID5的卷名，完成RAID的创建。
4使用FreeNAS组建IP-SAN
在使用FreeNAS进行磁盘管理的基础上，可以组建IP-SAN网络。
①在FreeNAS中添加一个OPT网卡，该网卡在服务器和磁盘阵列iSCSI协议传输中使用，并定义其IP地址，如：192.168.153.20。
②在FreeNAS中完成iSCSI服务配置：配置iSCSI目标，设置“Tag number”为1，表示对要连接到该设备上的Initiators没有限制，组建IP-SAN的网段为192.168.153.0/24；设置隧道入口点Portal，即OPT网卡的IP地址，本例为192.168.153.20：3260；设置Targets，选择创建好的磁盘阵列作为扩展设备使用，这样就完成了IP-SAN组建。
要访问该IP-SAN中的磁盘阵列，需要在客户端操作系统上安装iSCSI客户端程序才能支持iSCSI协议[7]。运行时，通过discovery添加Target Portal：设置要访问的IP地址为192.168.153.20，同时定义端口号为3260，这样就可以连接到远端的存储服务器，访问磁盘阵列了。具体实践过程中，本例的实验环境为：NAS服务器：VMware+FreeBSD+FreeNAS+ iSCSI、客户端：VMware+Windows+iSCSI，经过测试，能正常访问数据服务，由于组建了RAID5，实现了可靠的数据保护。
5结束语
大数据的存储，不仅需要安全的数据保护手段，也需要高效的I/O磁盘性能[8]。通过上例，在VMware中实现了NAS技术。在此基础上扩展，增加2个群集节点和一个域控制器，就可以实现服务器群集，实现系统高可用性。
参考文献
[1] Somasundaram G，Shrivastava A.數字信息的存储、管理和保护[M].马衡，赵甲，译.北京：人民邮电出版社，2013.
[2]武春岭，鲁先志.数据存储与容灾[M].北京：高等教育出版社， 2015.
[3]熊曦.NAS环境下虚拟机的存储性能优化[D].广州：中山大学，2012.
[4]林昌暖，吴健.基于RDF的CIM数据存储方案研究与实现[J].科学技术与工程，2007（24）：6339-6343.
[5]晏强，张晓锋，丁蕊.云存储技术研究[J].计算机信息与技术， 2011（5）：22-24.
[6]陈永府，宋鹏，王启富，等.云环境下的数据防泄密存储技术[J].计算机应用与软件，2016，33（10）：288-293.
[7]乔猛生，赵洋.基于光纤通道存储区域网的改进DHCHAP安全协议研究[J].计算机应用与软件，2016，33（10）：135-139.
[8]刘帆.关系数据库中实时高效元数据存储算法优化研究[J].科学技术与工程，2017，17（17）：255-260.