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未来网络服务器系统的发展趋势
作者：中科院计算所 许鲁研究员
一、网络服务器系统的定义
多台服务器通过网络接口连接到互联交换网络上对外提供服务，称为网络服务器系统。网络服务器系统采用多台普通的服务器，以松散型以太网方式连接，通过专用软件使得多台服务器协调工作、对外提供服务。对用户而言，他们希望网络服务器系统只是一台高性能的服务器；对网络管理人员而言，也只想把它想象成一台单一的服务器系统进行管理，而不必考虑其内部由哪些服务器组成。当整个系统需要扩充时，只需再增加内部的服务器数目即可。从这个意义上来说，它应该提供同目前的单台计算机的功能一致，只不过其所能管理的数据量、提供的数据处理能力更强大，是一台虚拟的高性能计算机。
既然网络服务器系统是一台虚拟的高性能计算机，那么我们从计算机的发展历史中能否找出一些网络服务器系统发展的趋势？国家高性能计算机工程技术研究中心（简称“工程中心”）在这个方面找到了一些答案。
下面我们通过分析计算机的发展过程，来一一说明网络服务器系统的发展趋势。
二、计算机的发展
从1946年世界上第一台计算机问世起，到现在已经有半个多世纪的时间，计算机获得了突飞猛进的发展。在人类科技史上还没有一种科学可以与电子计算机的发展相提并论。那么在这短短几十年的时间内，计算机是如何从玻璃屋中的庞然大物，走到今天与我们的生活密切相关的呢？工程中心认为主要是计算机在如下几个方面的发展，缺一不可。
1． 计算机性能的发展 —— 性能越来越高，速度越来越快
计算机性能的提高主要体现在两个方面，一是计算机处理器芯片技术，二是计算机并行处理技术。随着集成电路的产生及超大规模集成电路时期的到来，计算机的体积越来越小，性能越来越高，使得计算机走入平常百姓家变成现实。以大规模并行为标志的体系结构的创新与进步是提高计算机系统性能的另一个重要途径，目前世界上性能最快的通用计算机采用几十万颗CPU，数万台计算机并行，每秒钟的处理能力达百万亿次。
Case/Amdahl经验法则表明1MIPS的计算能力需要1Mbit的I/O带宽与之匹配。硬件必须是可扩展的、平衡的。一条平衡设计准则是：1GFlop/s的峰值速度应与以下指标相匹配——1GB主存，50GB磁盘、10TB档案存储器、16GB/s高速缓存带宽、3GB/s主存带宽、0.1GB/s I/O磁盘带宽以及1MB/s档案存储器带宽。目前计算机系统的I/O能力相对于计算能力显得过于薄弱，并且这种情况还在不断恶化。根据Moore定律，由于集成电路技术的快速发展，CPU计算能力、内存容量等硬件技术指标以指数方式每18个月增长一倍。与此同时，受限于其机械部件的速度，磁盘带宽的增长远远落后于计算能力的增长，使单机系统的计算与其所具备I/O带宽差距越来越大。并行/分布式系统由于同时采用多个CPU，使计算能力与I/O速度的不匹配问题变得更加严重。另外，计算能力的提高又催化了一批新型的数据密集型应用领域，如多媒体、具有重大挑战性的科学和工程计算问题、Web服务、I/O密集型数据库等。这些应用对I/O性能提出了更高的要求。
如何解决计算能力与I/O的差距，是当前网络服务器系统的研究热点，工程中心也提出了自己的解决方案——以存储为中心的网络服务器系统。
2． 计算机智能化的发展 —— 即计算机的易用性
如今计算机从阳春白雪变得平易近人，重要的一个原因就是计算机智能化、虚拟化技术的发展。计算机最初是作为桌面计算工具出现的，是一种极端技术化、专业化的产品，只有少数人才能使用这种高技术产品。因为它的字符操作界面和命令行的操作方式，即使专业人士学习起来也非常困难。随着友好的人机界面的出现，以及人工智能技术的发展，使得往昔复杂的工作变成了拖动几下鼠标就可以了。
我们从一个简单的实例来看一下计算机智能化发展带来的好处：早期，如果要处理一个文件，首先要知道这个文件对应的处理程序，以及处理程序所在的位置，称为路径名，然后在命令行中键入路径名+处理程序名+要处理文件后，开始文件处理。现在，在一台安装了Windows操作系统的PC机中，如果我们想看一个Word文档，我们的动作是什么？用鼠标双击一个文件类型为“Microsoft Word 文档”的文件即可；如果我们想看一个电影，我们的动作是什么？用鼠标双击一个文件类型为“RealMedia VBR”类型的文件即可。通过这个比较我们不难看出，早期计算机操作复杂，易用性差，不适合一般用户使用；现在，计算机智能化的发展使得它可以根据文件的类型来自动选择它运行所需要环境。
相对而言，当前的网络服务器系统虽然在易用性上做了一定的工作，但是与PC机的智能化相比还是有很大的差距的。我们分析一下目前最典型的网络服务器系统在高性能计算中的应用场景，首先会有一个本方向的专家来确定完成本次计算需要的网络服务器系统的配置，譬如，需要多大的存储空间，需要多少个计算节点，计算节点上需要安装什么样的操作系统等；然后由相应的工程师来手工搭建、安装和配置网络服务器系统；网络服务器系统搭建完成后，则开始将计算的原始数据倒入存储系统中，开始计算，计算结束后，需要将结果数据导出，然后将网络服务器系统解体，以便投入下一个计算中。与PC智能化的发展相比，网络服务器系统的智能化应如何定义？就此问题工程中心提出的第二代蓝鲸网络存储系统——以数据为中心的网络服务器系统。
3． 计算机网络化的发展 —— 计算服务将无处不在
网络技术的出现，使得计算机的普及和发展如虎添翼，今天的人们可以坐在家里办公、购物、看世界，这都得归功于网络技术和与之相应的服务技术。现在人们甚至开始想象有一天可以通过网络在任何地方控制家里的冰箱、电视、微波炉等。计算服务将成为我们生活中不可或缺的一部分。如果说PC计算机改变了人们的日常工作方式，网络技术的普及化和计算服务的泛化则将更为深刻地改变人们的社会生活方式。由此产生的海量数据将会成为人们非常重要的财富。只有将这些数据有效的管理并无缝地融入人们的日常生活与工作，才能真正使人们生活的便利程度大大提高。工程中心提出的第三代蓝鲸网络存储系统——以服务为中心的网络服务器系统就是针对这个目标。
三、以存储为中心的网络服务器系统
工程中心的第一代蓝鲸网络存储系统——以存储为中心的网络服务器系统根据计算机的发展历史来看处于网络服务器系统发展的第一个阶段，主要以提供高性能的网络服务器系统为目标，但是与计算机的发展不同的是解决了计算机发展过程中计算能力与I/O能力不匹配的问题。工程中心从2001年开始此系统的研究，当初提出的目标就是实现一个高性能、高可扩展性的网络服务器系统，使得在蓝鲸网络存储系统中性能的瓶颈是网络。具体原理图如下：

以存储为中心的网络服务器系统结构图
以存储为中心的网络服务器系统，以集群架构组织计算资源，以存储区域网络进行数据存储，实现了存储资源的统一管理、高性能存储、并行数据访问、性能高可扩展性等功能，有效解决了当前网络服务器系统中普遍存在的系统可管理性、计算能力与I/O能力不匹配等问题。
以存储为中心的网络服务器系统具有如下特点：
l 新型的系统结构：以存储为中心的网络服务器系统，以集群架构组织计算资源，以存储区域网络进行数据存储；
l 存储资源统一管理 ：所有的网络存储设备集中管理，对外按需提供不同安全性、不同大小的存储空间；
l 提供海量存储能力 ：存储资源的集中管理及虚拟化技术使得数据存储不再局限于单一存储设备，从而能够提供海量存储能力；
l 提供高的I/O吞吐率：网络的聚合带宽将成为瓶颈；
l 具有高的动态扩展性：动态扩展系统的存储容量，动态扩展系统的处理能力，满足应用的动态性。
在第一代蓝鲸网络存储系统中工程中心主要就以下几个方面进入了深入的研究：
蓝鲸虚拟存储系统，是基于虚拟存储技术的SAN。通过专用的虚拟化存储软件对多个网络存储设备进行带外管理，为用户提供大容量、动态可扩展的虚拟存储空间。为以存储为中心的网络服务器系统提供海量的，高性能的存储资源。
蓝鲸服务部署系统，是一种基于网络存储的新型计算环境。系统中用户所拥有的服务都集中存储和统一管理。通过支持简洁的系统安装，灵活的环境选择，在一定程度上可有效降低以存储为中心的网络服务器系统的运行、维护和管理的总体成本。
蓝鲸集群文件系统，基于SAN架构、为以存储为中心的网络服务器系统提供文件级共享功能。蓝鲸集群文件系统采用网络可扩展系统结构，支持异构计算环境的数据共享和在线容量、性能的扩展。
蓝鲸数据备份系统，面向已存储为中心的网络服务器系统，支持Lan-Free和Sever-Fress的数据备份方式，为用户提供设备级和文件级的数据全量、差量和增量备份及其恢复，支持后台数据融合和备份策略。
经过5年的努力，工程中心在以上各个方面的研发都取得了一定的成果，并已经陆续开始推出蓝鲸系列存储产品。借此机会工程中心开始下一步网络服务器系统研究的探索，依据计算机发展的趋势，我们提出了下一步网络服务器系统的研究方向：网络服务器系统的易用性研究——我们称之为以数据为中心的网络服务器系统；网络服务器系统对计算机普及帮助的研究——我们称之为以服务为中心的网络服务器系统。在接下来，本文将详细说明这两种网络服务器系统。
四、以数据为中心的网络服务器系统
正如前面所讲，以数据为中心的网络服务器系统，主要的研究方向是解决网络服务器系统的易用性问题，进一步提高网络服务器系统的智能化。
以数据为中心的网络服务器系统具有以下特点：
l 数据具有独立性：在以数据为中心的网络服务器系统中，数据资源与存储资源是分离的，数据只有在真正被使用时才会被调动到相应的存储设备中去。
l 数据具有聚合性：在以数据为中心的网络服务器系统中，具有某种关系的数据会被聚合到一起进行管理，并被赋予共同的属性。
l 数据具有调度能力：具有功能属性的数据，根据其属性可通过以数据为中心的网络存储技术调度系统中的存储资源和计算资源来满足自身的需要。
l 数据具有流动性：根据数据的生命周期，数据在网络服务器系统中的位置不是固定的，而是通过不断的流动来进行调整的。
l 数据具有即时性：因为数据是可流动的，所以在网络服务器系统中对数据的使用具有即时性。
以数据为中心的网络服务的系统结构图如下：

以数据为中心的网络服务器系统原理图
通过上面的原理图我们可以看到在以数据为中心的网络存储阶段，我们拥有三种资源：数据资源、存储资源以及计算资源，其中数据资源是最重要的，并且是具有一定属性的数据资源。正是由于数据资源的这一特性，使得在以数据为中心的网络服务器系统中，人们使用网络存储技术就像使用PC一样简单。
对比当前网络服务系统系统，同样的一个高性能计算中的应用场景，在以数据为中心的网络服务器系统中，变化如下：
l 传统的数据存储模式发生变化，以往分散存储的系统数据（操作系统和应用程序）、用户数据、元数据，被存放在一个统一的存储池中，且被赋予了一定的属性。就元数据来说，一次高性能计算需要的元数据被看成一个整体。它的属性可能是：针对于某个特定的用户数据的处理，需要多大容量的存储，需要多少台、何种操作系统、何种硬件配置的高性能服务器等。
l 在传统计算模式中的搭建系统、拷贝数据、回收系统等等所有繁复的事情都有以数据为中心的网络存储技术完成，取而代之的是通过类“资源管理器”的数据管理系统找到所需的用户数据，双击鼠标，通过相应的元数据关联，管理系统就能确定该数据处理所需的系统规模和硬软件环境，系统的搭建和数据的处理可自动完成，用户只需关注最终的处理结果。
以数据为中心的网络服务器系统主要通过对数据资源的分析及属性管理，增加网络服务器系统的智能化，进而使得网络服务器系统真正达到单台服务器的易用性，为网络服务器系统的进一步推广和使用提供好的解决方案。
五、以服务为中心的网络服务器系统
随着计算机网络化的不断发展，在不久的将来，不难想象，我们将生活在网络的世界中。无论是冰箱、电视，手机、摄像机以及我们的个人计算机、打印机等，都会连接到网络上。为此我们曾经设想过这样的场景：在上班的路上用户就可以通过一个移动设备来控制其办公室，使其处于准备工作的状态；在上班的时候用户可以控制家里的微波炉准备好晚饭，录像机录制其所喜欢的节目；可以在家里通过网络商店购物；可以通过网络获取其所关心的天气情况、娱乐资讯等等。至此人们进入网络生活时代。
在网络生活时代，电子数据成为人们的重要财富之一，并且这些电子数据具有非常明显的特征：数据与个人绑定，数据与服务绑定，即数据是为个人生活提供服务的。以服务为中心的网络服务器系统就是根据此理念设计的，其最基本的特征是，在以服务为中心的网络服务器系统中，为每个用户提供一个个人数据中心，作为面向用户的服务窗口，提供服务。

以服务为中心的网络服务器系统原理图
以服务为中心的网络服务器系统的工作原理是：在以服务为中心的网络服务器系统中，可以认为网络服务器系统为每个用户以及每种服务提供一个独立的存储系统，我们称之为“数字银行”。人们对网络服务器系统的使用就像使用银行中的“保险箱”一样，有了数据时，数据会被自动的存储到这个“保险箱”中来，当要获取数据信息时，则随时可以从“保险箱”中取出来，这时的“保险箱”更像传说中的“聚宝盆”，因为放在“保险箱”中的数据是取之不尽，用之不竭的。
以服务为中心的网络服务器系统中具有以下特点：
l 数据是以服务为基础进行聚合管理的。在以服务为中心的网络服务器系统中，数据可以是分布、混合存储的，但是通过数据管理技术对外提供的数据则是聚合的、有规则的。
l 数据是有生命特征的。如果将整个信息社会看成是一个人的话，在以服务为中心的网络存储时代中，网络服务器系统就像人的“心脏”，数据则是“血液”，通过“心脏”的跳动，不断地将“血液”输送到全身各处。
在国内，虽然有许多从事网络存储技术的研发单位和院所，但真正实现将自研的存储技术进行产业化的单位，则相对较少。蓝鲸网络存储技术在工程中心全体人员几年的努力研究和开发的基础上，进行产业化工作，形成了蓝鲸网络存储系列产品，包括蓝鲸集群文件系统、蓝鲸服务部署系统、蓝鲸虚拟存储系统和蓝鲸数据备份系统，以及在蓝鲸服务部署系统原有技术的基础上，针对刀片服务器及其它密集服务器机群应用环境的部署系统——Bladmin和针对教育领域公共计算机应用环境的计算机管理系统——PC SAN.edu等系列存储产品，填补了国产网络存储技术和产品的空白。这些产品在军队、国防、石油、遥感、高教、政府、研究所等行业中得以应用。这些产品通过用户的实际应用，不仅已有难以解决的问题，而且还提高了工作效率，得到用户的一致好评。
由于这些出色的工作成果，蓝鲸存储引起了国内外同行的关注。在2005年底被相关媒体授予“2005年度中国存储创新奖”。2006年9月，世界著名的IT市场和技术预测公司Gartner Group对于蓝鲸存储在相关行业的应用进行了专门的分析报告。这是Gartner首次对于国产自主存储技术和产品的研究报告。报告中对于蓝鲸存储技术和产品给予了高度的评价。
在不远的将来，计算机及其服务技术势必将对于人们的生活和工作产生重大影响。在这个发展过程中，工程中心及其蓝鲸存储技术将顺应这个发展趋势，不断提高和完善，为满足国家战略性需求和社会需求做出自己的贡献。