SAN: Storage-Area-Network

Ein Storage-Area-Network (SAN) ist ein spezialisiertes, hochleistungsfähiges Netzwerk, das Server mit gemeinsam genutzten Speichergeräten verbindet und dabei blockbasierten Zugriff ermöglicht. Es wird vor allem in Rechenzentren eingesetzt, um große Datenmengen und Speicherkapazitäten effizient und zentral zu verwalten.

Was ist ein Storage-Area-Network (SAN)?

Als Storage-Area-Network (SAN) wird ein Speichernetzwerk bezeichnet, das der Anbindung von Festplattensystemen an Serversysteme dient. Im SAN wird die gesamte Speicherkapazität, die Speichermedien wie HDDs, SSDs, Disk-Arrays (Festplattensubsysteme) oder Tape-Libraries (Bandbibliotheken) bereithalten, zu einer virtuellen Speichereinheit zusammengefasst und zentral verwaltet. Der Zugriff auf den SAN-Speicher erfolgt durch entsprechend konfigurierte Server. Das Speichernetzwerk wird dabei parallel zu einem Local-Area-Network (LAN) betrieben und stellt diesem Rechnernetz den gesamten Massenspeicher zur Verfügung. SAN kann somit als sekundäres Netzwerk betrachtet werden, das ausschließlich dem Datentransport zum Massenspeicher dient.

Als Verbindungsstelle fungieren SAN-Server. Diese müssen sich nicht am selben Ort befinden wie die einzelnen Festplattenlaufwerke. Zudem ist das SAN unabhängig vom Betriebssystem der auf den Speicher zugreifenden Rechner. Dadurch eignet sich ein Storage-Area-Network ideal für eine plattformübergreifende Datenverwaltung.

SAN-Systeme wurden vor dem Hintergrund entwickelt, dass dedizierte Festplatten in Serversystemen oft zu Verwaltungsproblemen führen. Durch die gemeinsam genutzte virtuelle Speicherkapazität sind Storage-Area-Networks deutlich effektiver und flexibler bei der Bewältigung großer Datenmengen. Im Gegensatz zu einfachen Netzwerkspeicherlösungen wie dem Network-Attached-Storage (NAS) bietet SAN den Vorteil, dass das LAN aufgrund des zusätzlichen Netzwerks nicht durch den Datenzugriff auf den Massenspeicher belastet wird.

Systemarchitektur eines Storage-Area-Networks

Die Einrichtung eines Storage-Area-Networks gilt als komplex und kostspielig, da sie die Anschaffung einer kompletten Systemarchitektur mit zum Teil sehr teurer Hardware voraussetzt. Benötigt werden – abgesehen von der Verkabelung – drei Grundkomponenten: SAN-Server, Fibre-Channel-Switches sowie Speichermedien.

• Fibre-Channel-Fabric: Als „Fabric“ (‚Gewebe‘) wird im IT-Bereich ein Netz von Kabelleitungen und Switches bezeichnet, das aufgrund zahlreicher Querverbindungen eine hohe Redundanz aufweist. Dies ermöglicht neben einem enormen Datendurchsatz eine hohe Bandbreite und Ausfallsicherheit. Ein solches Fabric aus Fibre-Channel-Switch und Glasfaserkabeln bildet den Kern eines Storage-Area-Networks. Dabei werden alle Geräte im SAN an den Fibre-Channel-Switch angeschlossen, sodass dieser die für einen Datenzugriff benötigten Verbindungen zwischen Sender und Empfänger in Echtzeit schalten kann. Als Standardschnittstelle für Speichernetzwerke wurde Fibre-Channel für eine kontinuierliche Hochgeschwindigkeitsübertragung konzipiert, die Datenübertragungsraten von bis zu 16 Gbit/s ermöglicht.
• Storage-Elemente: Als Datenspeicher kommen in Storage-Area-Networks in der Regel Disk-Arrays zum Einsatz. Dabei handelt es sich um Geräte, die mehrere Festplattenlaufwerke (HDDs oder SSDs) für die Massenspeicherung enthalten. Um eine Hochverfügbarkeit der abgelegten Daten zu ermöglichen, besitzen moderne Disk-Arrays einen Controller, der für redundante Datenspeicherung und Lastverteilung beim Datentransfer sorgt. So lässt sich die Sicherheit der Daten erhöhen und die Übertragungsrate steigern. Die Umsetzung eines redundanten Speicherprozesses erfolgt dabei in der Regel mittels RAID-Systemen (Redundant Array of Independent Disks), welche die einzelnen physischen Festplatten-Laufwerke eines Disk-Arrays zu einem logischen Laufwerk zusammenfassen. Alternativ lassen sich auch Tape-Libraries oder einzelne Festplatten-Laufwerke in ein SAN einbringen.
• SAN-Server: Um eine reibungslose Interaktion mit der virtuellen Speichereinheit zu gewährleisten, benötigt jedes SAN speziell konfigurierte Server, die den Datenzugriff steuern und so als Bindeglied zwischen dem Speichernetzwerk und den im LAN verbundenen Endgeräten fungieren. Dazu werden die SAN-Server über spezielle Hardwareschnittstellen, sogenannte Host-Bus-Adapter (HBA), mit dem Fibre-Channel-Switch verbunden.

Wie genau funktioniert ein Storage-Area-Network?

Ein SAN basiert auf einer speziell für den Speicherzugriff konzipierten Netzwerkstruktur, die von herkömmlichen Datennetzen wie dem LAN getrennt ist. Grundlage des Storage-Area-Networks sind Fibre-Channel- oder iSCSI-Verbindungen, über die Server bzw. Hosts mit den Speicherressourcen kommunizieren.

Die bereits erwähnten Storage-Elemente stellen dem SAN blockbasierten Speicher zur Verfügung. Die Kommunikation erfolgt über SAN-Switches, die ähnlich wie klassische Netzwerk-Switches arbeiten, jedoch auf hohe Datenraten und minimale Latenzzeiten ausgelegt sind.

Über sogenannte LUNs (Logical Unit Numbers) wird der Speicher den einzelnen Servern zugewiesen. Diese greifen über spezielle Host-Bus-Adapter (HBA) oder iSCSI-Initiatoren auf die LUNs zu, als wären es lokal angeschlossene Laufwerke. Dabei sorgt das Storage-Area-Network dafür, dass diese Speicherzugriffe parallel, zuverlässig und ohne gegenseitige Beeinträchtigung erfolgen. Die Verwaltung und Zuweisung der Speicherressourcen übernimmt eine zentrale Managementsoftware, die Zugriffsrechte und Verfügbarkeiten steuert. Durch diese zentrale Organisation können Speicherressourcen auch im laufenden Betrieb flexibel erweitert, neu zugewiesen oder gespiegelt werden.

Einrichtung eines SAN-Systems – Schritt für Schritt

Ein Storage-Area-Network ist auf Hochverfügbarkeit ausgelegt. Im IT-Bereich ist damit die Fähigkeit eines Computersystems gemeint, trotz etwaiger Ausfälle einzelner Hardwarekomponenten den reibungslosen Betrieb geschäftsrelevanter Anwendungen zu gewährleisten. Die Einrichtung eines Storage-Area-Networks erfolgt dabei in mehreren Schritten, die nachfolgend aufgezeigt werden.

Schritt 1: Planung und Bedarfsermittlung

Zunächst wird ermittelt, wofür das SAN genutzt werden soll. Es gibt eine Reihe verschiedener Einsatzgebiete wie zum Beispiel virtuelle Maschinen, Datenbanken oder große Datenarchive. Daraus ergibt sich, wie viel Speicherplatz benötigt wird, wie schnell der Zugriff sein muss und wie viele Server angeschlossen werden sollen. Ebenso werden Anforderungen an die Ausfallsicherheit berücksichtigt.

Schritt 2: Auswahl und Vorbereitung der Hardware

Ein SAN besteht, wie bereits beschrieben, aus mehreren zentralen Komponenten. Um eine hohe Verfügbarkeit zu erreichen, werden dabei alle zentralen Komponenten doppelt ausgelegt. Das heißt, es gibt mindestens zwei Switches, zwei Datenpfade, doppelte Netzteile und häufig auch zwei RAID-Controller. Fällt ein Teil aus, übernimmt automatisch der andere. Dieses Prinzip wird auch Redundanz genannt.

Schritt 3: Netzwerkaufbau

Im nächsten Schritt wird die physische Verbindung zwischen den Geräten hergestellt. Die Server werden über ihre Host-Bus-Adapter mit den SAN-Switches verbunden, ebenso die Speichersysteme. Diese Verbindung erfolgt über Fibre Channel oder iSCSI, wobei Glasfaserkabel oder spezielle Netzwerkkabel verwendet werden. Ziel ist es, ein separates, schnelles und stabiles Netzwerk zu schaffen.

Schritt 4: Konfiguration des Speichersystems

Auf dem zentralen Speichersystem wird anschließend die gewünschte Speicherstruktur eingerichtet. Dazu gehört die Einrichtung von RAID-Systemen, um die Ausfallsicherheit zu erhöhen. RAID 1 oder RAID 10 sind häufige Varianten, bei denen die Daten immer doppelt auf verschiedenen Festplatten gespeichert werden. Diese Spiegelung ist Teil der sogenannten redundanten Speicherzyklen und stellt sicher, dass selbst bei Ausfall einer Festplatte keine Daten verloren gehen.

Darüber hinaus werden sogenannte LUNs (Logical Unit Numbers) definiert. Über Multipathing-Technologien können Server gleichzeitig über mehrere Wege auf dieselbe Speicherressource zugreifen, was die Ausfallsicherheit zusätzlich erhöht.

Schritt 5: Servereinbindung

Die Server, die auf den SAN-Speicher zugreifen sollen, werden ebenfalls entsprechend vorbereitet. Sie erhalten die passenden Treiber für die Host-Bus-Adapter. Außerdem wird eine Multipathing-Software installiert, die automatisch erkennt, wenn ein Pfad ausfällt, und den Datenverkehr auf einen anderen Pfad umleitet. Anschließend werden die zugewiesenen LUNs eingebunden und vom Betriebssystem als zusätzliche Laufwerke erkannt.

Schritt 6: Sicherheit und Zugriffskontrolle

Damit nicht jeder Server auf beliebige Speicherbereiche zugreifen kann, werden sogenannte Zonen eingerichtet. Sie definieren, welcher Server auf welche Speicherressourcen zugreifen darf. Bei iSCSI-Verbindungen kommt zusätzlich eine Authentifizierung per CHAP (Challenge Handshake Authentication Protocol) zum Einsatz.

Schritt 7: Tests und Überwachung

Bevor das SAN produktiv eingesetzt wird, werden alle Verbindungen getestet. Dabei wird unter anderem geprüft, ob der Speicher von allen vorgesehenen Servern erreichbar ist und ob bei einem Ausfall automatisch auf redundante Systeme umgeschaltet wird. Nach erfolgreichem Testbetrieb wird ein Monitoring eingerichtet, das den Zustand der Festplatten, die Auslastung und die Verbindungspfadaktivität dauerhaft überwacht.

Einsatzgebiete von Storage-Area-Networks

Storage-Area-Networks kommen vor allem in Unternehmen zum Einsatz, die große Datenmengen verarbeiten und speichern müssen, wie beispielsweise in Rechenzentren, bei Cloud-Anbietern oder in der Medien- und Filmproduktion. Besonders geeignet ist ein SAN für Umgebungen, in denen viele Server gleichzeitig auf dieselben Daten zugreifen müssen, wie zum Beispiel bei Datenbankanwendungen, Virtualisierungslösungen oder ERP-Systemen. Auch in der Forschung und Wissenschaft bieten SANs durch ihre hohe Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit entscheidende Vorteile.

Im Bereich der Datensicherung dient das SAN als leistungsstarke und skalierbare Lösung für Backups und Wiederherstellung. Dank der hohen Verfügbarkeit und Redundanz wird SAN zudem häufig für geschäftskritische Anwendungen eingesetzt, bei denen ein Ausfall des Speichersystems schwerwiegende Folgen hätte. Auch für Unternehmen mit mehreren Standorten oder verteilten Rechenzentren eignet sich ein SAN, da der Speicher unabhängig vom Standort der Server verwaltet werden kann.

Die Vorteile des Storage-Area-Networks im Überblick

Betreibende eines SANs profitieren von einer Zusammenfassung der Kapazitäten verschiedener physischer Datenspeicher zu einer virtuellen Speichergrundlage, die beliebig vielen Servern flexibel und plattformunabhängig zur Verfügung steht. Diese Entkopplung von Speichermedium und zugreifendem Server ermöglicht eine vereinfachte Verwaltung und Skalierung der verfügbaren Speicherkapazität und entlastet das LAN. Das auf Glasfasertechnik beruhende Storage-Area-Network unterstützt aufgrund der Standardschnittstelle Fibre-Channel hohe Datenübertragungsraten.

Multipathing und das auf Querverbindungen ausgelegte Fibre-Channel-Fabric verhindern Überlastungen und sorgen für eine konstante Verfügbarkeit der im SAN-Storage gespeicherten Daten. Für einen Zugriff können stets mehrere Wege zwischen Datenpool und Anwender genutzt werden. Die redundante Verteilung der Daten auf mehrere physische Systeme garantiert eine hohe Sicherheit der gespeicherten Inhalte. Verzögerungen bei gleichzeitigem Datenzugriff werden minimiert. Aufgrund des effektiven Speichermanagements wird SAN-Storage im Hosting-Geschäft oft als Grundlage für virtuelle Server genutzt, die Endkunden als „Infrastructure as a Service“ (IaaS) über die Cloud angeboten werden.

Vorteile des SANs auf einen Blick:

Zentrale, virtuelle Speicherbasis aus mehreren physischen Datenträgern

Flexibler und plattformunabhängiger Zugriff durch beliebig viele Server

Entkopplung von Speichermedium und Server, was Verwaltung und Skalierung vereinfacht

Entlastung des LAN, da das SAN als separates Netzwerk arbeitet

Hohe Datenübertragungsraten durch Glasfasertechnik und Fibre-Channel

Multipathing ermöglicht mehrere Datenpfade gleichzeitig und verhindert Engpässe

Hohe Verfügbarkeit durch Querverbindungen im Fibre-Channel-Fabric

Redundante Datenspeicherung auf mehreren physischen Systemen erhöht die Datensicherheit

Minimierung von Verzögerungen bei gleichzeitigen Zugriffen

Effizientes Speichermanagement für große Datenmengen

Ideal für Virtualisierung und Cloud-Dienste, z. B. für Infrastructure as a Service (IaaS)