专利名称：一种网络存储系统及其启动方法
技术领域：
本发明涉及存储领域，尤其涉及一种网络存储系统及其启动方法，利用基于小型计算机系统接口(iSCSI)协议实现无盘启动。
背景技术：
随着数据的迅猛增长以及计算、存储和网络技术的突飞猛进，千兆级别的传输与交换已经不能完全满足用户对网络的需求，在网络、安全等诸多技术领域全面走向万兆的同时，存储的万兆需求也已呼之欲出。万兆存储满足了用户在带宽上的迫切需求，然而在数据信息量大爆炸的今天，数据容量成几何倍数增长，单个的万兆网络存储设备已不能满足用户对容量的需求，因此需要多个这样的万兆网络存储设备协同工作。而每个网络存储设备都需要独立的系统盘来管理本设备的磁盘阵列，给用户提供存储服务。每台设备的系统都有奔溃的可能，设备的增多使得系统安全性降低。从而多台独立的网络存储设备存在管理不便，安全性低的缺点。无盘技术提供了存储设备在没有系统盘的情况下启动的方法。在网络系统中，把工作站端使用的操作系统和应用软件放在服务器上，系统管理员只要对无盘服务器进行管理和软件升级，便可以使网络中的计算机使用新的软件。而且网络存储设备的操作系统镜像保存在服务器上，即使设备的操作系统奔溃，它保存在镜像中的数据也不会丢失。所以无盘系统具有系统安全性高、易管理和易维护等优点。美中不足的是，传统的无盘技术大多是基于文件共享方式实现的，随着网络存储数目的不断增大，在带宽以及容灾能力上有些力不从心。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种网络存储系统及其启动方法。根据本发明的一方面，提供了一种网络存储系统，包括无盘服务器、万兆交换机和若干万兆网络存储设备，所述无盘服务器和所述万兆网络存储设备均接入所述万兆交换机，所述无盘服务器，安装有操作系统并在无盘服务器的硬盘上保存有所述万兆网络存储设备的镜像空间；用于支持预置启动环境PXE、动态主机设置协议DHCP和简单文件传输协议TFTP ；还用于支持小型计算机系统接口 iSCSI协议；所述万兆网络存储设备，用于通过PXE进行网络引导，通过DHCP动态获取IP地址，通过TFTP获取网络引导程序后执行该网络引导程序；用于与所述无盘服务器建立 iSCSI会话，通过iSCSI协议加载所述无盘服务器启动卷上的文件系统，并切换所述万兆网络存储设备的操作系统主目录至启动卷进行启动。进一步地，还包括管理万兆网络存储设备的服务器，所述管理万兆网络存储设备的服务器接入所述万兆交换机；所述管理万兆网络存储设备的服务器与所述万兆网络存储设备通信，实现该服务器对所述万兆网络存储设备的管理。 进一步地，还包括若干应用服务器，所述应用服务器接入所述万兆交换机；所述应用服务器，用于为用户提供数据服务。进一步地，所述无盘服务器还用于实现所述万兆网络存储设备的操作系统升级和 /或操作系统状态监视。进一步地，所述无盘服务器的硬盘组成独立冗余磁盘阵列。进一步地，所述万兆网络存储设备的镜像空间包括启动文件和系统内核及用户数据。进一步地，所述万兆网络存储设备未安装操作系统；所述万兆网络存储设备包含支持PXE的网卡、CPU和内存设备。进一步地，所述管理网络设备的服务器对万兆网络存储设备上的磁盘阵列进行管理。进一步地，所述万兆网络存储之间相互备份数据。根据本发明的一方面，提供了一种网络存储系统的启动方法，包括步骤1，所述无盘服务器启动PX E、DHCP和TFTP ；步骤2，所述万兆网络存储设备使用PXE进行网络引导，通过DHCP动态获取IP地址；步骤3，所述万兆网络存储设备通过TFTP获取网络引导程序后执行该网络引导程序；步骤4，所述万兆网络存储设备与所述无盘服务器建立iSCSI会话；步骤5，所述万兆网络存储设备通过iSCSI协议加载所述无盘服务器启动卷上的文件系统，并切换所述万兆网络存储设备的操作系统主目录至启动卷进行启动。进一步地，步骤2具体包括步骤21，所述万兆网络存储设备广播DHCPDISC0VER消息到所述无盘服务器的67
端□；步骤22，所述无盘服务器通过DHCP回复DHCP0FFER消息到所述万兆网络存储设备，DHCP0FFER消息中包含所述万兆网络存储设备可用的IP地址；步骤23，所述万兆网络存储设备接收到DHCP0FFER消息后按照DHCP服务器提供的 IP地址发出DHCPREQUEST消息，请求自身需要的IP地址；步骤24，所述无盘服务器返回DHCPACK消息来确认万兆网络存储设备的IP地址， 实现IP地址绑定。进一步地，步骤3具体包括步骤31，所述万兆网络存储设备发出包含自身IP地址的消息到所述无盘服务器请求下载启动文件；步骤32，所述无盘服务器回传确认信息到所述万兆网络存储设备，确认信息中包含启动文件NBP的名称以及TFTP的参数；步骤33，所述万兆网络存储设备请求通过TFTP下载与自己CPU结构相符的启动文件；步骤34，所述无盘服务器回传启动文件NBP，所述万兆网络存储设备将启动文件
5NBP下载到内存中；步骤35，所述万兆网络存储设备执行启动文件NBP。进一步地，步骤4具体包括步骤41，所述万兆网络存储设备向所述无盘服务器的3260端口发起一个带SYN标志的连接请求，附加初始序列号SEQ = χ ；步骤42，所述无盘服务器返回一个同时带有SYN标志和ACK标志的应答包，应答序列号为SEQ = x+1, SYN请求的序列号SEQ = y ；步骤43，所述万兆网络存储设备返回一个带有ACK标志的应答包，应答序列号为 SEQ = y+Ι ；步骤44，所述万兆网络存储设备通过TCP连接发送login request PDU请求到所述无盘服务器，login request PDU请求中包含认证所需参数；步骤45，所述无盘服务器验证成功后，通过login response PDU消息返回login accept消息至所述万兆网络存储设备，确认登陆成功；步骤46，所述万兆网络存储设备通过login request PDU请求，以key = value的形式发送iSCSI会话参数到所述无盘服务器；步骤47，所述无盘服务器处理后，通过login response PDU消息以key = value 的形式返回协商后的参数至所述万兆网络存储设备。进一步地，所述万兆网络存储设备未安装操作系统；所述万兆网络存储设备包含支持PXE的网卡、CPU和内存设备。进一步地，所述万兆网络存储之间相互备份数据。本发明的基于iSCSI无盘启动的万兆网络存储系统将无盘技术运用到网络存储系统中，采用一台无盘服务器替代各个万兆网络存储设备上的系统盘，不带系统盘的万兆网络存储设备可以通过以太网无盘启动，并提供完整的数据服务。高性能的无盘服务器不仅实现了多台万兆网络存储设备的集中管理，而且采用RAID1/RAID10/RAID5/RAID6冗余阵列保证了网络存储设备操作系统镜像数据的容错性，并且实现了操作系统与存储设备分离，使得整个万兆网络存储系统的安全性得到提升。利用高配置的无盘服务器的高性能也实现目标系统的高稳定性，高安全性和可扩展性。本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。虽然在下文中将结合一些示例性实施及使用方法来描述本发明，但本领域技术人员应当理解为并不旨在将本发明限制于这些实施例；反之，旨在覆盖包含在所附的权利要求书所定义的本发明的精神与范围内的所有替代品、修正及等效物。
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。图1是本发明实施例提供的网络存储系统结构图；图2是本发明提供的万兆网络存储设备与无盘服务器的会话流程图； 图3是步骤202的具体流程；图4是步骤203的具体流程； 图5是步骤204的具体流程。
具体实施例方式以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，以及达成技术效果的实现过程能充分理解，并据以实施。需要说明的是，在不冲突的情况下本发明实施例以及实施例中的各个特征可以相互结合，这些均落在本发明的保护范围之内。本发明中，将应用基于小型计算机系统接口(iSCSI)协议的IP存储区域网络 (SAN)来实现网络存储系统。基于小型计算机系统接口(iSCSI)协议的IP存储区域网络 (SAN)由于其先天优势，具有较高的吞吐量，再加上万兆的应用，能够很好的解决带宽上的问题。同时，利用SAN厂商提供的快照/镜像/克隆功能，启动卷的部署维护将变得更加便捷，灾难恢复速度也将更快捷。本发明提供的网络存储系统如图1所示，该网络存储系统基于iSCSI无盘启动，包括无盘服务器1、管理网络设备的服务器2、万兆交换机3、一台或多台带磁盘的万兆网络存储设备4和一台或多台服务器5 ；优选地，无盘服务器1和管理网络设备的服务器2各一台。 万兆网络存储设备4通过万兆交换机3连接无盘服务器1实现启动，管理网络设备的服务器2通过万兆交换机3连接万兆网络存储设备4实现管理，服务器5通过万兆交换机3连接万兆网络存储设备4为用户提供数据服务。无盘服务器1是万兆网络存储设备4的操作系统管理中心，它向各个网络存储设备提供无盘启动服务。它不参与数据传输、存储服务，但它可以实现存储设备的操作系统升级和操作系统状态监视。无盘服务器1安装有自身所需操作系统并在其硬盘上保存万兆网络存储设备4镜像空间，无盘服务器1的硬盘组成为RAID1/RAID10/RAID5/RAID6独立冗余磁盘阵列；所述自身操作系统支持预置启动环境(Preboot Execution Environment, PXE)服务用于万兆网络存储设备4无盘启动，支持动态主机设置协议(Dynamic Host Configuration Protocol, DHCP)用于万兆网络存储设备4的IP分配，支持简单文件传输协议(Trivial File Transfer Protocol, TFTP)协议用于发送启动文件，支持iSCSI服务用于提供万兆网络存储设备4的操作系统，所述万兆网络存储设备镜像空间包括启动文件和操作系统内核及用户数据。带磁盘的万兆网络存储设备4没有操作系统，含有支持PXE网络启动的万兆以太网网卡、CPU和内存设备，能提供数据服务。管理网络设备的服务器2在网络存储设备4无盘启动后对万兆网络存储设备4上的用户数据进行管理。基于无盘启动的IP万兆网络存储系统的工作过程如图2所示，包括步骤201，无盘服务器启动；步骤202，万兆网络存储设备启动；步骤203，万兆网络存储设备获取并执行启动文件；步骤204，万兆网络存储设备与无盘服务器建立iSCSI会话；步骤205，万兆网络存储设备启动；步骤206，管理网络设备的服务器启动；
步骤207，应用服务器启动。下面对上述流程进行详细描述。步骤201中，开启无盘服务器1的电源，启动无盘服务器1自身操作系统，然后启动 PXE、DHCP、TFTP 服务。步骤202中，开启万兆网络存储设备4的电源，设备通过网卡开始使用PXE进行网络引导；网络存储设备4通过DHCP协议动态获取IP地址；如图3所示，具体包括步骤2021，万兆网络存储设备4广播DHCPDISC0VER消息到无盘服务器1的67端 Π ；步骤2022，无盘服务器1上的DHCP服务回复一个DHCP0FFER消息到万兆网络存储设备4，DHCP0FFER消息包括万兆网络存储设备4可用的IP地址；步骤2023，万兆网络存储设备4接收到DHCP0FFER消息后按照DHCP服务器提供的 IP地址，发出DHCPREQUEST消息，请求自身需要的IP地址；步骤20Μ，无盘服务器1返回DHCPACK消息来确认万兆网络存储设备4的IP地址，这样万兆网络存储设备4的IP地址就绑定了。步骤203中，万兆网络存储设备4获取并执行启动文件——网络引导程序 (Network Bootstrap Program, NBP),如图 4 所示,其具体包括步骤2031，万兆网络存储设备4发出包含自身IP地址的消息到无盘服务器1请求下载启动文件；步骤2032，无盘服务器1回传确认信息到万兆网络存储设备4，内容包括启动文件 NBP名以及TFTP的一些参数；步骤2033，万兆网络存储设备4请求通过TFTP下载与自己CPU结构相符的启动文件(NBP)；步骤2034，无盘服务器1回传启动文件NBP，万兆网络存储设备4将NBP下载到内存中；步骤2035，万兆网络存储设备4执行启动文件(NBP)，启动最小系统。最小系统仅包含必要硬件驱动，文件系统模块，网络模块，并支持DHCP，iSCSI协议。步骤204中，万兆网络存储设备4(发起端)与无盘服务器1(目标端)建立iSCSI 会话，如图5所示，具体包括步骤2041，发起端向目标端的3260端口，发起一个带SYN标志的连接请求，附加初始序列号SEQ = χ ；步骤2042，目标端返回一个同时带有SYN标志和ACK标志的应答包，应答序列号为 SEQ = x+1, SYN请求的序列号SEQ = y ；步骤2043，发起端返回一个带有ACK标志的应答包，应答序列号为SEQ = y+Ι。至此，发起端与目标端的TCP连接已建立；步骤2044，利用已建立的TCP连接，发起端发送login request PDU请求到目标端，附带相关的认证所需参数；步骤2045，目标端验证成功后，通过login response PDU返回login acc印t至发起端，确认登陆成功；步骤2046，发起端通过login request PDU,以key = value的形式发送iSCSI会话相关参数到目标端；步骤2047，目标端处理后，通过login response PDU,以key = value的形式返回协商后的参数至发起端。至此，iscsi会话登录阶段已完成。步骤2048，进入正常工作阶段，通过普通SCSI命令进行正常读写。步骤205中，万兆网络存储设备4通过iSCSI协议，加载启动卷上的文件系统，切换万兆网络存储设备4的操作系统主目录至启动卷，完成最终启动过程。此时网络存储设备具有独立可操作性，能提供网络存储服务。因为之前启动的仅为最小系统，这里通过切换根目录，完成最终启动过程。步骤206中，启动管理网络设备的服务器2，对万兆网络存储设备4上的磁盘阵列
进行管理。步骤207中，开启应用服务器5的电源，启动应用服务器5。应用服务器5向用户提供数据服务。无盘服务器1向万兆网络存储设备4发送系统镜像更新信号及系统控制信息， 万兆网络存储设备4反馈系统状态。管理网络设备的服务器2与万兆网络存储设备4间有控制信号和存储状态信号的交换。管理网络设备的服务器2向万兆网络存储设备4发送控制信号来执行创建阵列等操作，而万兆网络存储设备4返回当前独立冗余磁盘阵列的状态。各台万兆网络存储设备4间有数据的交流，包括数据备份等。应用服务器5通过万兆交换机3连接万兆网络存储设备4为用户提供数据服务。
权利要求
1.一种网络存储系统，包括无盘服务器、万兆交换机和若干万兆网络存储设备，所述无盘服务器和所述万兆网络存储设备均接入所述万兆交换机，其特征在于，所述无盘服务器，安装有操作系统并在无盘服务器的硬盘上保存有所述万兆网络存储设备的镜像空间；用于支持预置启动环境PXE、动态主机设置协议DHCP和简单文件传输协议TFTP ；还用于支持小型计算机系统接口 iSCSI协议；所述万兆网络存储设备，用于通过PXE进行网络引导，通过DHCP动态获取IP地址，通过TFTP获取网络引导程序后执行该网络引导程序；用于与所述无盘服务器建立iSCSI会话，通过iSCSI协议加载所述无盘服务器启动卷上的文件系统，并切换所述万兆网络存储设备的操作系统主目录至启动卷进行启动。
2.如权利要求1所述的网络存储系统，其特征在于，还包括管理万兆网络存储设备的服务器，所述管理万兆网络存储设备的服务器接入所述万兆交换机；所述管理万兆网络存储设备的服务器与所述万兆网络存储设备通信，实现该服务器对所述万兆网络存储设备的管理。
3.如权利要求2所述的网络存储系统，其特征在于，还包括若干应用服务器，所述应用服务器接入所述万兆交换机；所述应用服务器，用于为用户提供数据服务。
4.如权利要求1、2或3所述的网络存储系统，其特征在于，所述无盘服务器还用于实现所述万兆网络存储设备的操作系统升级和/或操作系统状态监视。
5.如权利要求1、2或3所述的网络存储系统，其特征在于，所述无盘服务器的硬盘组成独立冗余磁盘阵列。
6.如权利要求1、2或3所述的网络存储系统，其特征在于，所述万兆网络存储设备的镜像空间包括启动文件和系统内核及用户数据。
7.如权利要求1、2或3所述的网络存储系统，其特征在于，所述万兆网络存储设备未安装操作系统；所述万兆网络存储设备包含支持PXE的网卡、CPU和内存设备。
8.如权利要求2所述的网络存储系统，其特征在于，所述管理网络设备的服务器对万兆网络存储设备上的磁盘阵列进行管理。
9.如权利要求1、2或3所述的网络存储系统，其特征在于，所述万兆网络存储之间相互备份数据。
10.一种网络存储系统的启动方法，其特征在于，包括步骤1，所述无盘服务器启动PX E、DHCP和TFTP ；步骤2，所述万兆网络存储设备使用PXE进行网络引导，通过DHCP动态获取IP地址；步骤3，所述万兆网络存储设备通过TFTP获取网络引导程序后执行该网络引导程序；步骤4，所述万兆网络存储设备与所述无盘服务器建立iSCSI会话；步骤5，所述万兆网络存储设备通过iSCSI协议加载所述无盘服务器启动卷上的文件系统，并切换所述万兆网络存储设备的操作系统主目录至启动卷进行启动。
11.如权利要求10所述的网络存储系统的启动方法，其特征在于，步骤2具体包括步骤21，所述万兆网络存储设备广播DHCPDISC0VER消息到所述无盘服务器的67端Π ；步骤22，所述无盘服务器通过DHCP回复DHCP0FFER消息到所述万兆网络存储设备， DHCP0FFER消息中包含所述万兆网络存储设备可用的IP地址；步骤23，所述万兆网络存储设备接收到DHCP0FFER消息后按照DHCP服务器提供的IP 地址发出DHCPREQUEST消息，请求自身需要的IP地址；步骤对，所述无盘服务器返回DHCPACK消息来确认万兆网络存储设备的IP地址，实现 IP地址绑定。
12.如权利要求11所述的网络存储系统的启动方法，其特征在于，步骤3具体包括 步骤31，所述万兆网络存储设备发出包含自身IP地址的消息到所述无盘服务器请求下载启动文件；步骤32，所述无盘服务器回传确认信息到所述万兆网络存储设备，确认信息中包含启动文件NBP的名称以及TFTP的参数；步骤33，所述万兆网络存储设备请求通过TFTP下载与自己CPU结构相符的启动文件； 步骤34，所述无盘服务器回传启动文件NBP，所述万兆网络存储设备将启动文件NBP下载到内存中；步骤35，所述万兆网络存储设备执行启动文件NBP。
13.如权利要求12所述的网络存储系统的启动方法，其特征在于，步骤4具体包括 步骤41，所述万兆网络存储设备向所述无盘服务器的3260端口发起一个带SYN标志的连接请求，附加初始序列号SEQ = χ ；步骤42，所述无盘服务器返回一个同时带有SYN标志和ACK标志的应答包，应答序列号为SEQ = x+1, SYN请求的序列号SEQ = y ；步骤43，所述万兆网络存储设备返回一个带有ACK标志的应答包，应答序列号为SEQ =y+ ；步骤44，所述万兆网络存储设备通过TCP连接发送login request PDU请求到所述无盘服务器，login request PDU请求中包含认证所需参数；步骤45，所述无盘服务器验证成功后，通过login response PDU消息返回login accept消息至所述万兆网络存储设备，确认登陆成功；步骤46，所述万兆网络存储设备通过login request PDU请求，以key = value的形式发送iSCSI会话参数到所述无盘服务器；步骤47，所述无盘服务器处理后，通过login response PDU消息以key = value的形式返回协商后的参数至所述万兆网络存储设备。
14.如权利要求10至13任意一项所述的网络存储系统的启动方法，其特征在于，所述万兆网络存储设备未安装操作系统；所述万兆网络存储设备包含支持PXE的网卡、CPU和内存设备。
15.如权利要求10至13任意一项所述的网络存储系统的启动方法，其特征在于，所述万兆网络存储之间相互备份数据。
全文摘要
本发明公开了一种网络存储系统及其启动方法。该系统包括无盘服务器、万兆交换机和若干万兆网络存储设备，所述无盘服务器安装有操作系统并在无盘服务器的硬盘上保存有所述万兆网络存储设备的镜像空间；用于支持预置启动环境PXE、动态主机设置协议DHCP和简单文件传输协议TFTP；还用于支持小型计算机系统接口iSCSI协议；所述万兆网络存储设备，用于通过PXE进行网络引导，通过DHCP动态获取IP地址，通过TFTP获取网络引导程序后执行该网络引导程序；用于与所述无盘服务器建立iSCSI会话，通过iSCSI协议加载所述无盘服务器启动卷上的文件系统，并切换所述无盘服务器操作系统主目录至启动卷进行启动。本发明将无盘技术运用到网络存储系统中，能够提供完整的数据服务。
文档编号H04L29/08GK102571926SQ201110426378
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月19日 优先权日2011年12月19日
发明者王建凯, 蒋巨峰 申请人:杭州瑞网广通信息技术有限公司