服务器必须连接磁盘阵列吗？

服务器连接磁盘阵列主要为了获得海量存储空间、提升数据读写性能，并通过冗余备份（如RAID）实现数据高可靠性和业务连续性保障，同时支持多服务器共享存储资源。

在构建高性能、高可靠性的IT基础设施时，服务器与磁盘阵列（也称为存储阵列或SAN/NAS设备）的连接方式是核心要素之一，它直接决定了数据访问的速度、系统的扩展性、可用性以及整体业务连续性,理解不同的连接技术和选择最适合的方案至关重要。

服务器内置的存储（如本地硬盘）通常受限于容量、性能和可靠性,磁盘阵列则提供了：

1. 海量存储空间： 集中管理TB甚至PB级的数据。
2. 卓越性能： 通过多块硬盘并行工作（RAID）、高速缓存和专用控制器，提供远超单块硬盘的IOPS（每秒输入/输出操作数）和吞吐量（带宽）。
3. 高可用性与冗余： 支持RAID保护、多控制器、双电源等,避免单点故障导致数据丢失或服务中断。
4. 集中管理与共享： 存储资源可以被多台服务器共享，简化管理,提高资源利用率。
5. 灵活扩展： 存储容量和性能可以独立于服务器进行扩展。

主流的服务器与磁盘阵列连接技术

连接服务器和磁盘阵列的核心在于传输协议和物理接口/网络,以下是目前最常用的技术：

1. SAS (Serial Attached SCSI)

   • 协议： SCSI命令集。
   • 物理层： 点对点串行连接，使用SFF-8087/8088（Mini-SAS）或更新的SFF-8643/8644（HD Mini-SAS）线缆。
   • 特点：
     • 直接连接： 通常用于将服务器直接连接到磁盘阵列的控制器（DAS – Direct Attached Storage的一种形式），距离短（lt;10米）。
     • 高性能： 低延迟，高带宽，SAS 3.0达12 Gbps，SAS 4.0达22.5 Gbps,支持全双工。
     • 可靠性与扩展性： 支持多路径（Multipath I/O – MPIO）实现冗余和负载均衡，可通过SAS Expander扩展连接更多设备。
     • 成本： 相对光纤通道和部分以太网方案,成本较低。
   • 典型应用： 高性能数据库服务器、虚拟化主机（尤其是中小规模）、需要低延迟和高带宽的关键应用,常见于中高端存储阵列的直连端口。

2. 光纤通道 (Fibre Channel – FC)

   • 协议： 专为存储网络设计的协议，原生支持SCSI命令（FCP）。
   • 物理层/网络： 基于光纤（主流，支持长距离）或铜缆（短距离），需要FC主机总线适配器（HBA）和FC交换机构建存储区域网络 (SAN)。
   • 特点：
     • 高性能与低延迟： 专为块级存储设计，优化了数据传输路径，延迟极低，主流速度有16GFC (16 Gbps), 32GFC (32 Gbps), 64GFC (64 Gbps)。
     • 高可靠性与隔离性： FC SAN与业务网络（IP网络）物理隔离，安全性更高，避免网络拥塞影响存储性能，强大的错误检测和恢复机制,天然支持多路径。
     • 可扩展性： 通过FC交换机轻松连接大量服务器和存储设备,构建大规模SAN。
     • 距离： 光纤支持数公里到数十公里的距离（取决于光模块类型）。
     • 成本： 专用设备（HBA、交换机）成本较高,技术复杂度也相对高。
   • 典型应用： 企业级关键业务应用（如ERP、大型数据库、OLTP）、虚拟化/云平台后端存储、需要最高性能和可靠性的场景。

3. iSCSI (Internet Small Computer System Interface)

   • 协议： 将SCSI命令封装在TCP/IP包中传输。
   • 物理层/网络： 运行在标准的以太网（TCP/IP网络）上，需要服务器安装iSCSI Initiator（软件或硬件）软件，存储阵列提供iSCSI Target，使用标准以太网卡（NIC）或专用的iSCSI HBA（可卸载TCP/IP处理，降低CPU开销）。
   • 特点：
     • 基于IP网络： 最大优势是利用现有、普及且成本低廉的以太网基础设施，无需建设独立的FC SAN。
     • 灵活性： 理论上可通过IP网络实现广域网连接（受限于性能和延迟）,部署和管理相对FC更简单。
     • 性能： 依赖于以太网速度（1GbE, 10GbE, 25GbE, 40GbE, 100GbE）和网络质量，使用万兆（10GbE）及以上以太网和专用交换机时，性能可满足大多数企业需求，硬件iSCSI HBA可提升性能。
     • 成本： 总体拥有成本（TCO）通常低于FC,尤其是利用现有网络时。
   • 典型应用： 广泛适用于各种规模的企业，是FC SAN的经济替代方案，虚拟化、文件/打印服务、中型数据库、备份存储等，随着高速以太网（25/40/100GbE）普及,应用范围不断扩大。

4. 光纤通道 over Ethernet (FCoE)

   • 协议： 将原生FC帧封装在以太网帧中传输（通常是无损以太网DCB）。
   • 物理层/网络： 运行在融合增强型以太网（CEE）或数据中心桥接（DCB）网络上，需要支持FCoE的融合网络适配器（CNA）和FCoE交换机。
   • 特点：
     • 融合网络： 旨在将FC SAN流量和传统IP数据流量融合到单一的以太网基础设施上，减少线缆、适配器和交换机数量。
     • 保留FC特性： 保留了FC协议栈的可靠性和低延迟特性（依赖于无损网络）。
     • 复杂性： 需要支持DCB的无损以太网环境,配置管理比纯FC或纯iSCSI更复杂。
     • 采用率： 相比FC和iSCSI,市场采用率相对较低。
   • 典型应用： 追求网络融合、简化布线的大型数据中心环境。

5. NVMe over Fabrics (NVMe-oF)

   • 协议： 将高效的NVMe协议（设计用于利用SSD低延迟特性）扩展到网络（Fabrics）上。
   • 传输层： 可运行在多种网络上，最常见的是：
     • NVMe over Fabrics (RoCE – RDMA over Converged Ethernet): 利用RDMA在以太网上实现超低延迟。
     • NVMe over Fibre Channel (FC-NVMe): 利用现有的FC SAN基础设施传输NVMe命令。
     • NVMe over TCP: 类似iSCSI，将NVMe命令封装在TCP/IP中，兼容性最好，但延迟高于RoCE和FC-NVMe。
   • 特点：
     • 极致性能： 专为闪存优化，显著降低协议开销，提供超低延迟和高IOPS,是下一代高性能存储网络的代表。
     • 高扩展性： 突破传统SCSI队列深度限制。
     • 新兴技术： 正在快速发展中，需要支持NVMe-oF的服务器HBA/CNA、网络交换机和存储阵列。
   • 典型应用： 对延迟极其敏感的应用（高频交易、实时分析）、AI/ML训练、高性能计算（HPC）、全闪存阵列（AFA）的高效连接。

选择连接方式的关键考量因素

1. 性能需求： 应用对IOPS、吞吐量（带宽）和延迟的要求是首要因素，NVMe-oF > FC ≈ 高速SAS > 高速iSCSI (RoCE) > 传统iSCSI。
2. 预算： FC和NVMe-oF硬件成本通常高于iSCSI和SAS，需考虑设备、线缆、交换机、HBA卡以及维护成本。
3. 规模与扩展性： 需要连接多少台服务器？未来增长预期？FC和iSCSI SAN更适合大规模扩展。
4. 高可用性(HA)与冗余要求： 是否要求绝对避免单点故障？所有主流技术都支持多路径（MPIO）,但FC和SAS的路径冗余设计通常更成熟直接。
5. 现有基础设施： 是否已有FC SAN或高性能以太网？利用现有投资可降低成本。
6. 技术熟悉度与运维能力： FC SAN管理需要特定技能；iSCSI基于IP网络，管理更通用；NVMe-oF较新。
7. 距离要求： 超过SAS直连距离限制时，FC、iSCSI、FCoE是选择。
8. 工作负载类型： 块存储（数据库、虚拟机）还是文件存储（NAS）？本文主要讨论块存储连接（SAS/FC/iSCSI/FCoE/NVMe-oF），NAS通常通过NFS/CIFS协议在IP网络上访问。

最佳实践与重要提示

• 多路径配置： 绝对关键！ 无论使用哪种连接技术，务必配置多路径I/O（如操作系统自带的MPIO或厂商提供的多路径软件），这通过在服务器和存储之间建立多条物理路径（如多块HBA卡、多条线缆连接到不同控制器/交换机），实现：
  • 故障切换： 一条路径故障时，自动切换到其他可用路径,保证业务连续性。
  • 负载均衡： 在多条活动路径上分发I/O,提升整体性能。
• HBA卡选择： 根据选择的协议（FC HBA, iSCSI HBA, CNA, NVMe-oF适配器）和性能需求选择合适的适配器，硬件卸载（TOE, RDMA）能显著降低CPU开销。
• 网络设计：
  • 隔离/专用网络： 对于iSCSI和FCoE，强烈建议使用物理或VLAN隔离的专用网络,避免与业务流量争抢带宽和增加延迟。
  • 交换机选择： 选择企业级、低延迟、支持必要特性（如DCB for FCoE/RoCE）的交换机,避免使用非管理型交换机。
  • Jumbo Frames： 在存储网络（尤其是iSCSI、FCoE、RoCE）中启用巨型帧（通常MTU=9000）可以减少数据包处理开销，提升吞吐量。确保网络路径上所有设备（网卡、交换机、存储端口）都支持并配置一致的MTU。
• 固件与驱动： 保持服务器HBA卡、存储阵列控制器、交换机等设备的固件（Firmware）和驱动程序（Driver）为最新且兼容的版本，以获得最佳性能、稳定性和安全性。
• 分区(Zoning)和逻辑单元号屏蔽(LUN Masking)： 在FC SAN和FCoE环境中：
  • Zoning： 在FC交换机上配置，控制哪些HBA（服务器）可以和哪些存储端口通信,提高安全性和管理性。
  • LUN Masking： 在存储阵列上配置，控制哪些服务器可以看到和使用特定的LUN（逻辑磁盘单元）,是最终的安全保障。

服务器与磁盘阵列的连接是数据中心存储架构的基石，SAS提供高性能直连，FC提供极致可靠和性能的专用SAN，iSCSI利用IP网络实现高性价比和灵活性，FCoE追求网络融合，而NVMe-oF则代表了面向全闪存时代的超高性能未来，没有“一刀切”的最佳方案，选择必须基于对性能、成本、规模、可用性、现有环境和技术能力的综合评估。牢记配置多路径、优化网络设计、保持软硬件更新是确保连接稳定、高性能和高可用的不二法则。 在设计和实施过程中,参考存储和服务器厂商的最佳实践文档并可能寻求专业服务支持是明智之举。

引用说明：

• 综合参考了主流存储厂商（如Dell Technologies, HPE, NetApp, Pure Storage, IBM等）的技术白皮书、产品文档和最佳实践指南中关于存储连接技术的描述。
• 参考了存储网络工业协会（SNIA）对存储协议（SCSI, FC, iSCSI, NVMe, NVMe-oF）和架构（DAS, SAN, NAS）的官方定义和教程。
• 技术规格（如SAS, FC, 以太网速度）参考了相关国际标准组织（如T10 Committee for SCSI/SAS, INCITS T11 for Fibre Channel, IEEE for Ethernet）发布的标准文档。
• 最佳实践部分（如多路径、网络隔离、Jumbo Frames、Zoning/LUN Masking）来源于行业普遍认可的实施经验和厂商推荐配置,具体配置请务必查阅您所使用硬件和软件的官方文档。