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Les réseaux SAN comme solution de stockage et de protection des données


par Marlise MBEGANG MIMBE
Ecole Supérieure Multinationale des Télécommunications - Licence Professionelle en Technologies de l'Information et de la Communication 2009
  

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IV. LIMITES ET CONTRAINTES DES SOLUTIONS EXISTANTES

Il convient de relever que, les méthodes de stockage et de restauration des données fréquemment utilisées dans nos entreprises présentent, malgré leurs prouesses techniques des insuffisances qui méritent une attention particulière :

IV.1 UNE ACCESSIBILITE REDUITE

Bien que souvent toutes connectées au réseau, de nombreuses machines restent indépendantes et autonomes. Les utilisateurs ne peuvent donc accéder à leurs données que depuis des postes de travail spécifiques, voire depuis un seul poste de travail. Par conséquent, sur un même site, l'accès à certaines informations est rendu difficile pour leurs utilisateurs. De plus, la simplicité d'un système NAS affecte les performances du réseau local et induit un risque d'engorgement des ressources réseaux existantes.

IV.2 UNE DISPONIBILITE INCERTAINE

Les informations numériques ne sont accessibles que lorsque les machines qui les hébergent fonctionnent. Par conséquent, le stockage sur les postes individuels rend leur disponibilité aléatoire. Toutefois, la production se veut continue au sein de nos entreprises.

IV.3 UNE CONFIDENTIALITE A AMELIORER

Bien que la confidentialité des informations soit l'objet d'un réel souci au sein des entreprises, elle n'est pas toujours garantie sur des composants isolés. En effet, les données dispersées sur des postes individuels (ordinateurs de bureau, portables et serveurs) sont extrêmement exposées et difficiles à protéger contre les accès malveillants.

IV.4 UNE SECURITE A RENFORCER

Les données présentes sur certaines machines sont souvent peu ou pas sauvegardées. En fait, de nombreuses petites entreprises, ignorent les sauvegardes et la protection des données jusqu'à ce qu'un sinistre ait lieu. Malheureusement, cette approche leur coûte souvent cher (impossible de restaurer des données perdues) et les statistiques d'une étude menée en par Forester montrent que jusqu'à 90 % d'entreprises font faillite après un sinistre lié aux données.

Pour palier aux nombreux problèmes précédemment exposés, une réponse serait de dissocier les unités disques et les serveurs. C'est dans ce sens que la nouvelle technologie de stockage en réseau, le SAN (Storage Area Network) trouve sa raison d'être.

DEUXIEME PARTIE : LES RESEAUX SAN DEFINITION

Un SAN (Storage Area Network) est une technologie de stockage en réseau. C'est un réseau physique principalement en fibre optique, dont le but est de permettre la mise en relation de serveurs avec des baies de disques.

I. PRESENTATION GENERALE

Majoritairement basé sur le protocole Fibre Channel, à topologies

indépendantes et multicouches fonctionnant en série, le SAN est un réseau de stockage ouvert et évolutif relié à un réseau d'entreprise. Les ordinateurs ayant accès au SAN possèdent donc une interface réseau spécifique reliée au SAN, en plus de leur interface réseau traditionnelle.

Le protocole Fibre Channel bénéficie d'un standard qui porte son nom et d'un grand nombre de résultats d'interopérabilité établis par l'ANSI (American National Standards Institute). L'effort de coopération entre les fabricants et utilisateurs représentés par les associations telles que FCIA (Fibre Channel Industry Association) et SNIA (Storage Networking Industry Association) garantit un standard et une compatibilité entre les différents produits du marché.

Les SAN offrent des performances optimales sur fibre optique, avec des distances entre noeuds pouvant atteindre 10 Km, et une bande passante largement supérieure à celle offerte par les interfaces traditionnelles.

Les SAN constituent une plate-forme de communication qui exploite le protocole SCSI et virtualise totalement l'espace de stockage. Il travaille au niveau des blocs et non des fichiers comme les serveurs NAS. Les protocoles d'interconnexion utilisés pour la création d'un SAN sont les protocoles Fibre Channel et iSCSI (Internet Small Computer System Interface).

Indépendamment du choix du protocole, le SAN apporte un grand nombre de fonctionnalités indispensable dans la consolidation des données. Les SAN peuvent ainsi être connectés à plusieurs serveurs pour constituer des systèmes de sauvegarde

robustes, nécessaires au sein des laboratoires de recherche, dans les domaines financiers, industriels, ...

Figure 5: prototype d'un réseau SAN

II. QUELQUES APPLICATIONS DESTINEES A LA MIGRATION SUR LE SAN

Nous allons examiner dans cette partie différentes situations types dans lesquelles les réseaux SAN peuvent être d'un très grand secours, tout en étant utile et rentable. Les trois cas types d'utilisation de la technologie SAN sont les suivants :

+ Dans un environnement réseau hétérogène où plusieurs systèmes

d'exploitation sont utilisés, il peut être commode de fournir une solution de stockage centralisée plutôt que d'essayer de maintenir le stockage sur chaque système d'exploitation.

+ Dans un environnement d'hébergement, où des fermes de serveurs sont utilisées pour fournir des services Internet. En effet, les serveurs Web ont souvent besoin d'accéder aux mêmes données. Alors, au lieu de répliquer ces données sur chaque serveur, il peut être préférable de tout stocker de façon centralisée.

+ Dans les environnements qui requièrent d'importantes capacités

d'espace disque, un réseau SAN peut être mis en place, car sa capacité surpasse largement celle du stockage des serveurs locaux.

Nous avons donc vu que le stockage SAN peut être une solution optimale dans plusieurs cas de figure. En effet, par nos exemples, nous avons vu qu'il peut être rentable dans un réseau hétérogène, ou encore lorsque plusieurs serveurs doivent accéder à une même donnée, mais aussi tout simplement dans des environnements qui ont besoin d'une importante capacité d'espace disque qu'un serveur local ne peut généralement satisfaire.

III. FONCTIONNEMENT D'UN RESEAU SAN

Un « SAN » (Storage Area Network) est un réseau à part entière. L'analyse du fonctionnement d'un SAN passe donc par une étude minutieuse de son architecture complète, depuis ses composants jusqu'aux protocoles de communications en passant par les différentes topologies d'interconnexion.

III.1. LES COMPOSANTS PHYSIQUES D'UN SAN

Les performances d'un SAN dépendent également des différents équipements réseaux qui le constituent; ils ne sont pas tous indispensables, mais recommandés. Nous allons décrire dans cette section les unités de stockage, les unités d'interconnexion, les supports de transmission et les serveurs.

III-1.1 Les périphériques de Stockage

Ces périphériques sont en deux catégories, les systèmes de disques et les unités de bande magnétique.

III-1.1.1 Les systèmes de disques

Un système de disque est un périphérique (baie) comportant un nombre de disques physiques placés les uns près des autres. Selon la technologie supportée par ce système, on parlera d'un système de disques JBOD ou RAID.


· JBOD : Just a Bunch of Disks c'est-à-dire, ensemble de disques durs, sans configuration particulière, placés les uns à coté des autres. Dans ce cas, l'unité de contrôle fournit uniquement des fonctions de lecture/écriture des données sur les disques.


· RAID : dans cet autre cas, l'unité de contrôle fournit des fonctionnalités additionnelles qui permettent d'utiliser chaque disque de manière à garantir une meilleure tolérance aux erreurs et des performances plus élevées.

Voici les caractéristiques techniques présentes dans la plupart des baies de disques pour un réseau SAN :

- Double fond de panier.

- Double processeur.

- Chipset Intel 840 (supporte la mémoire Rambus permettant d'assurer les hautes performances de la mémoire cache).

- Double capacité de la mémoire cache.

- Double alimentation.

- Capacité des baies de disques de 2 à 160 To, avec une moyenne de 20 To. On peut parfois rassembler plusieurs baies de stockage pour en faire un module de stockage et atteindre ainsi de plus grandes performances.

Figure 6.a: Une baie de disques Figure 6.b: Un disque dur FC

III-1.1.2 Les systèmes de bandes magnétiques

Ici, on distingue principalement les librairies de bande, ce sont des matériels capables de gérer de multiple bandes simultanément, et pouvant être perçus comme un ensemble de bandes indépendants. Ils sont généralement déployés dans des environnements nécessitant une capacité de sauvegarde massive ou exigeant une certaine séparation des données.

D'une manière générale, les systèmes à disques sont adaptés aux sauvegardes en ligne du fait de leur grande performance qui se traduit notamment par des accès rapides, alors que les systèmes à bande sont idoines pour les sauvegardes hors ligne.

III-1.2 Les unités d'interconnexion III-1.2.1 Les interfaces HBA

Les cartes réseaux compatibles avec le protocole Fibre Channel sont appelées Host Bus Adaptateur (HBA) ou adaptateur de bus Fibre Channel. Ils ont pour rôle de convertir le signal de bus parallèle en un signal série qui sera transmis au SAN. Ces adaptateurs de bus Fibre Channel sont généralement proposés sous la forme de cartes d'extension.

Figure 7: Une carte réseau FC

III-1.2.2 Le concentrateur

Comme sur un réseau LAN, ils permettent de relier entre eux plusieurs périphériques Fibre Channel aux serveurs, sans nécessité de câblage complexe pour l'interconnexion.

III-1.2.3 Les ponts (bridge)

Le pont permet de convertir le protocole SCSI très répandu, en Fibre Channel et permet donc de relier un périphérique SCSI au réseau Fibre Channel.

III-1.2.4 Le commutateur FC (FC-Switch)

De fonctionnement identique au hub, cependant plus intelligents, ils permettent de garantir une bande passante de 100 Mbits sur chaque brin de liaison et plusieurs communications en parallèle sur chaque brin ; alors qu'avec un hub il ne peut y avoir

qu'une communication à un moment donné entre deux noeuds. Cet équipement apporte une connectivité dynamique entre les noeuds d'un réseau.

Il existe des commutateurs proposant des ports Fibre Channel et gigabit Ethernet afin de permettre l'interopérabilité entre réseau SAN et réseau Ethernet.

Ci-dessous, un commutateur FC, qui propose 16 prises Fibre Channel (2Gb/s par port) et une prise RJ45 (1Gb/s).

Figure 8 : Exemple de commutateur FC III-1.2.5 Les connecteurs GBIC

IL s'agit d'un module émetteur-récepteur utilisé dans les Switch, hubs et cartes d'interface. Il convertit des signaux électriques en signaux optiques et inversement. Ils sont des composants importants dans la chaîne de transmission des informations et garantissent l'intégrité des données transportées grâce à leur grande qualité de transformation des signaux électriques en signaux optiques.

Figure 9 : Connecteur GBIC III-1.3 Les supports de transmission

+ Les cordons cuivre : Constitués de 4 fils en cuivre protégés par un

blindage, ils permettent de couvrir des distances maximales de 150m.

+ La Fibre Optique : Constituée de 2 brins optiques, elle utilise la lumière

créée par un laser pour véhiculer l'information, on en distingue deux types : short wave (ondes courtes) pour les distances jusqu'à 500 m et long wave (grandes ondes) pour les distances jusqu'à 10 km.

III-1.4 Les serveurs

Le serveur SAN réside au sein du réseau de stockage et joue l'intermédiaire pour chaque opération entre le LAN et le SAN, centralisant le contrôle de la répartition des données. Il peut également gérer la redondance pour les contrôleurs de disque.

III-2 ARCHITECTURE D'UN SAN III-2.1 Etude des différentes topologies

Un réseau SAN peut plus généralement être implémenté sous 3 formes, « point à point », « Boucle arbitrée » et « switched fabric ». Elles se différencient toutes par leur façon de raccorder les équipements réseaux les uns aux autres.

III-2.1.1 Topologie point à point

C'est la topologie la plus simple qui relie deux entités (un serveur et une unité de disques). Les deux entités ainsi reliées disposent de la totalité de la bande passante. Les débits étaient initialement limités à 25 Mo/s, à cause des performances des serveurs et des disques mais aujourd'hui, il offre des performances de 1Gb/S. Du point de vue adressage, avec cette configuration on ne peut utiliser que 2 ports, les N_PORT émetteur et récepteur.

Figure 10 : Topologie point à point

Bien que les configurations «point à point» soient les plus anciennes, elles restent encore de nos jours adaptées aux environnements peu complexes.

III-2.1.2 Topologie en boucle ou Arbitrated-Loop

Avec cette configuration, l'arbitrage est nécessaire pour accéder au lien, l'utilisation de la bande passante totale est maintenue, seul deux noeuds peuvent avoir un lien logique à un instant donné.

Figure 11: Topologie en boucle simple

Si un des noeuds est défectueux, la transmission entre les autres noeuds devient impossible.

Par exemple, avec 4 noeuds : le port 1 envoie des données au port 3 en passant par le port 2. Le port 3 renvoie une réponse au port 1 en passant par le port 4 signifiant la bonne réception du message.

Une configuration en boucle arbitrée autorise une bande passante partagée entre un maximum de 127 périphériques.

Cette topologie moins limitée que la topologie «point à point», et moins onéreuse que la topologie « Fabric » que nous verrons par la suite est la plus fréquente.

III-2.1.3 Topologie « fabric »

Pour palier au problème évoqué précédemment, il faut utiliser un Hub intelligent. Lorsqu'un périphérique est défectueux, le HUB/Switch court-circuite

instantanément le port correspondant et le réseau continu à fonctionner normalement. La liaison avec le port du périphérique défectueux est automatiquement rétablie dès que celui-ci est à nouveau fonctionnel.

Le terme « Fabric » est ici synonyme de commutateur et de Router. Dans une telle configuration, les éléments du SAN sont reliés entre eux par un ou plusieurs commutateur(s), chaque port ayant un débit de 100Mo/s.

Figure 12: Topologie « fabric »

La redondance des liens créés permet d'éviter l'isolement d'équipement lors des éventuelles ruptures de connexion. Chaque serveur accède aux données stockées sur le disque. Dans cette configuration, les 224 adresses autorisées par le protocole Fibre Channel sont exploitables.

Dans une Fabric, d'autres réseaux tels SONET, ATM, IP (également appelé FC-over-IP) peuvent être utilisés entre les différents éléments de la Fabric, afin de pallier aux éloignements entre les noeuds.

On peut aussi réaliser des combinaisons de ces différentes configurations. III-2.2 Description des différents ports Fibre Channel

Dans le réseau Fibre Channel, chaque noeud possède un numéro unique appelé World Wide Name (WWN), permettant son identification dans le réseau. Il s'agit d'un numéro universel de 64 bits attribué par le constructeur, un peu comme les adresses MAC.

L'interconnexion des équipements supportant le protocole Fibre Channel est effectuée sur des ports dédiés appelés World Wide Name Port (WWNP).

Cependant, en fonction de la topologie implémentée, tous ces ports de communication ne sont pas utilisés ; tel que l'indique la figure suivante:

Figure 13: Les différents ports fibre channel

· N_port (Node port) : port du serveur ou du périphérique de stockage dans une topologie point à point ou de type Fabric.

· L_port (Loop port) : terme générique pour désigner un port dans une
topologie boucle ; on parle également de Node Loop port (NL_port).

· F_port (Fabric port) : port du commutateur sur lequel se raccorde un serveur ou un périphérique de stockage dans une topologie de type Fabric .

· E_port (Expansion port) : port reliant les commutateurs Fibre Channel entre eux ; le lien entre deux commutateurs est appelé InterSwitch Link ou ISL.

· EX_port : dans un routeur Fibre Channel, désigne le nom du port relié à un commutateur Fibre Channel.

· TE_port (Trunking Expansion port) : groupement de ports E_port pour multiplier la bande passante d'une liaison entre des commutateurs.

· G_port ou Generic port : désigne, sur un commutateur, un port qui se configure automatiquement en E_port ou F_port ;

III-2.3 Les Protocoles

III-2.3.1 Fibre Channel Protocol (FCP)

C'est le protocole de transport des requêtes SCSI sur FC. Il est très utilisé pour ses performances sur les supports en fibre optique mais peut également être supporté sur le câble de cuivre.

Pour répondre au souci de compatibilité et d'interopérabilité des systèmes réseaux, il existe plusieurs organismes acteurs de la normalisation des réseaux, parmi lesquels l'ISO (International Standard Organisation). Elle propose aux éditeurs et aux constructeurs une architecture en couche appelé le modèle OSI(Open Standard Interconnexion) sur laquelle ils pourront déployer leurs solutions physiques et/ou logiques. Ainsi, en s'appuyant sur un modèle normalisé, tout produit informatique sera ouvert aux autres systèmes qui eux aussi s'appuient sur la même norme.

À la manière du modèle OSI, les composants d'un Storage Area Network sur FC se répartissent en trois sections (couches basses, couches moyennes et couches hautes), selon le niveau d'abstraction auquel ils appartiennent.

Afin de mieux comprendre le fontionnement du fibre channel, nous allons présenter les différentes couches qui le composent.

L'architecture Fibre Channel est représentée par la figure ci-après :

Figure 14: Pile protocolaire fibre channel

III-2.3.1.1 Les couches basses

Elles comprennent les couches FC-0, FC-1, FC-2 - La couche FC-0

FC-0 définit le lien physique, spécifiant les types de médias, avec leurs caractéristiques de longueur et de vitesse de transfert; les connecteurs et les caractéristiques de connexion aux agents. En d'autres termes, cette couche permet de définir les spécifications : type de Câble, de connecteurs, débits pour une liaison donnée.

- La couche FC-1

La couche FC-1 du FC définit le protocole de transmission, incluant le contrôle de flux, l'encodage des données et les opérations de décodage associées.

L'encodage 8B/10B utilisé dans Fibre Channel apporte une redondance de 25% et permet d'éviter de trop longues séquences de bit à 0 ou 1.

- La couche FC-2

Celle-ci gère les mécanismes de signalisation, d'ouverture et de fermeture des sessions. Elle définit également la structure des trames échangées entre deux ports de communication.

Les trames FC peuvent être des trames de contrôle ou de données, et présentent toutes la même architecture composée par les éléments suivants :

> Un champ début de trame, appelé SOF (Start Of Frame) codé sur 4 bits affectés au jeu de commande, chargé d'organiser les échanges: initialisation des circuits, séparation des trames.

> Un champ header codé sur 24 bits, contient les données nécessaires à l'identification de l'émetteur et du destinataire, le protocole et le type de données échangées.

> Un donnée utile, variable de 0 octet à 2112 bits.

> Un champ CRC pour la détection et la correction d'erreurs codé sur

4bits.

> Un champ fin de trame codé sur 4 bits et associé au jeu de commande.

Le schéma ci-dessous récapitule l'organisation des blocs de données échangés au sein des réseaux Fabre Channel.

Figure 15 : Structure des données échangées sur un SAN-FC

Les échanges se composent d'une ou de plusieurs séquence(s) associées pour une opération donnée. Lors d'une échange, une seule séquence peut être active à un instant donné, mais les séquences de différentes échanges peuvent être actives simultanément.

Une séquence est composée par une série d'une ou de plusieurs trame(s)

transmise(s) entre deux points du réseau. Chaque trame appartenant à la même séquence est numérotée de manière exclusive par un compteur spécial, chaque trame est donc unique. Lorsqu'une erreur de transmission se produit, la reprise intervient

directement au niveau de la séquence et non au niveau de la trame incriminée.

III-2.3.1.2 Le couche de niveau moyen (FC-3)

Le niveau Fibre Channel 3 vise à fournir des services communs entre agents pour des fonctions avancées comme :

> l'agrégation de plusieurs liaisons en parallèle afin d'augmenter la bande passante pour une connexion spécifique ;

> Le multicast pour délivrer une information à plusieurs ports.

> La possibilité pour plusieurs ports de répondre à une seule et même adresse.

III- 2.3.2.3 La couche haute (FC-4)

La couche de niveau 4 du Fibre Channel définit les interfaces nécessaires à la connexion des applications, via des protocoles comme : SCSI, IP, ATM, FC-LE, HIPPI, IEEE802.2 ...

Nous pouvons remarquer que cette géométrie variable apporte au réseau SAN de nombreux avantages. En effet, il est possible de transporter un datagramme Ethernet (1512 bits) dans une trame FC sans le segmenter. De plus, l'utilisation de la séquence permet de décharger les applications de la gestion de la longueur des trames, cette opération étant directement gérée par la couche FC-2.

III-2.3.3 Le FCIP (Fibre Channel over IP)

C'est la méthode qui consiste en la transmission des commandes fibre channel à travers un réseau IP. Le protocole FCIP encapsule les blocs de données FC et les transporte ensuite à travers un socket TCP. Les services TCP/IP sont utilisés pour établir la connectivité entre les SANs distants. En d'autres termes, dans cette configuration, une connexion IP est utilisée pour interconnecter les réseaux FC-SAN les uns aux autres.

III-2.3.4 L'iSCSI (Internet SCSI)

C'est un protocole de transport qui s'appuie sur TCP pour assurer la transmission des données de manière fiable. Le protocole iSCSI effectue l'encapsulation des commandes SCSI, des données et des informations relatives au statut de la session.

Le protocole iSCSI assure les transferts de données(en mode bloc) et valide les opérations d'ouverture et de fermeture de session, de lecture/écriture. Ces opérations s'effectuent à travers une connexion TCP/IP entre la cible et l'émetteur. Par exemple, lorsqu'un système d'exploitation ou une application demande une opération de d'écriture, le SCSI CDB (bloc de description de commande) doit être encapsulé avant d'emprunter une liaison et d'être livré au destinataire.

Figure 16 : Modèle du protocole iSCSI

IV. GESTION et ADMINISTRATION d'un réseau SAN: LA VIRTUALISATION

Le trafic sur un SAN est très similaire aux principes utilisés pour l'utilisation des disques durs internes d'un ordinateur : chaque serveur voit l'espace disque d'une baie SAN auquel il a accès comme son propre disque dur. L'administrateur doit donc définir très précisément les LUN (les unités logiques) pour qu'un serveur Unix n'accède pas aux mêmes ressources qu'un serveur Windows utilisant un système de fichiers différent. Pour y parvenir, l'on doit utiliser des mécanismes de virtualisation, lesquelles permettent d'assurer une correspondance logique-physique. En effet, sans la virtualisation, le SAN risquerait d'être un simple réseau de stockage, certes rapide mais difficile à administrer surtout face à la croissance des données à stockées.

La mise en oeuvre de la virtualisation a donné naissance à plusieurs approches, nous allons les étudier par la suite : le RAID, le SAN in a BOX, les serveurs de domaines virtuels, les métaserveurs.

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