乙太網路硬碟開拓儲存架構新方向

最近，Seagate在臺灣進一步釋出更多Kinetic硬碟與Kinetic開放儲存平臺細節資訊，以及應用案例，揭示一種新型態儲存架構的誕生。

基本上，Seagate的Kinetic開放儲存平臺是一種物件儲存（Object Storage，或稱為對象儲存）這個新興儲存應用領域的一員，是因應「網路規模（Web-Scale）IT」應用、應付極巨量資料儲存需求而誕生的產物。

已有20年以上歷史的NAS或SAN儲存架構，迄今雖仍活躍於IT應用第一線，但日漸無法因應暴漲的資料儲存需求，面對以數百PB等級計算、或是未來以EB、ZB等級計算的極巨量資料儲存需求時，顯得過於昂貴、複雜、擴充受限，且經濟上難以負擔，為了更經濟地滿足極巨量資料儲存的需求，10多年前誕生了新的物件儲存架構，普遍為必須應付巨量資料儲存的雲端業者所使用，最著名的便是Amazon S3。

物件儲存以結合了資料本體、Matadata與屬性的「物件」為基本單位，Client端可透過REST或SOAP之類的Web存取架構，直接存取物件儲存裝置（Object-based Storage Device，OSD）中的物件，管理者可視需要靈活地調整OSD中的資料分佈、資料的可用性與存取服務等級，並獲得近乎無限的擴展能力。

不過在最底層的儲存媒體上，OSD仍是建立在傳統的SAS或SATA硬碟上，OSD的物理實體，多半是一臺基於SAS/SATA硬碟DAS直連架構的儲存伺服器，OSD所有的物件存取操作，最終還是會轉為傳統的硬碟操作，透過SCSI指令與邏輯區塊定址（LBA），經由SAS/SATA介面磁碟控制器映射到硬碟的磁柱、磁頭與磁軌定址的區塊上執行。

Seagate Kinetic平臺與眾不同之處，便在於在硬碟介面與定址方式上捨棄了傳統的SAS/SATA介面與LBA/LBN定址，改用TCP/IP/乙太網路介面，以及Key/Value型式的儲存操作，藉由新形態的硬碟介面與存取型式為基礎，帶來一種全新的物件式儲存架構。

基於乙太網路與Key/Value存取的Kinetic硬碟

從外觀看來，Kinetic硬碟和傳統的硬碟沒甚麼不同，事實上，Kinetic硬碟直接沿用了Seagate的SAS硬碟的硬體機構，連接埠也沿用了SAS規格的SFF-8482連接頭，差別在於透過重新定義連接頭pin腳腳位，讓2個SAS埠轉為2個GbE網路埠使用。每臺Kinetic都有1個獨立的IP位址，而2個GbE埠可提供Active/Active應用。

而在存取方式上，Kinetic硬碟捨棄了傳統的透過SCSI指令集以LBA定址存取硬碟資料的方式，改以類似NoSQL的Key/Value儲存方式—每個值（Value）都有獨一無二的標幟（Key），藉由Key便能定位與存取每個儲存物件。

同時，Seagate也提供了一套開放的物件式儲存介面Kinetic API，應用程式端透過這套API可直接向Kinetic硬碟中的物件發出get（讀取）、put（寫入）與刪除（delete）等操作指令，然後由Kinetic硬碟進行從Key/Value到實際硬碟磁柱、磁頭與磁軌間的映射，大幅簡化了應用程式端的存取工作。

由於Kinetic硬碟採用了有別於傳統硬碟的乙太網路介面與Key/Value存取方式，所以硬碟上負責轉譯存取指令、磁軌搜尋讀寫與其他控制指令的硬碟控制器，也不同於傳統硬碟的專用控制器晶片－－這款硬碟改用更高階的ARM-based通用處理器作為控制器，來處理乙太網路傳輸與Key/Value存取協定的操作。

傳統硬碟 vs. Kinetic硬碟

Kinetic硬碟的物理機構，與標準的Near-line SAS硬碟幾乎完全相同，Seagate日前發表的款式是由Terascale系列SAS硬碟修改而來，差別在於這3點：
(1)重新定義SAS的SFF-8482接頭pin腳，將SAS埠轉為GbE乙太網路埠。
(2)改用Key/Value存取方式，必須透過Seagate Kinetic API來執行存取操作。
(3)硬碟控制器改用ARM-based處理器。
藉由沿用標準SAS硬碟機構，系統廠商可以方便地修改標準機架式機箱，使之適用於Kinetic硬碟；而沿用SFF-8482連接頭，則可方便地透過背板電路型式的乙太網路－－即所謂「背板式乙太網路（backplane Ethernet）」，在機箱內為多臺Kinetic硬碟提供乙太網路連接。
圖片來源／Seagate

Kinetic硬碟帶來全新儲存架構

藉由乙太網路介面與Key/Value存取方式，Kinetic硬碟可帶來一種更簡單的「乙太網路直連存取（direct-access-over-Ethernet）」儲存架構。

這有什麼不同呢？傳統的儲存架構中，從最上層的應用程式到最底層的硬碟之間，必須經過檔案系統、邏輯磁碟、儲存伺服器（磁碟陣列）等多個環節的中介，存取路徑得通過至少4個大環節。

而在Kinetic架構下，可允許應用程式透過乙太網路存取硬碟，省略了中介的檔案系統與RAID等環節，將儲存架構簡化為只剩兩層。

由於Kinetic是只有應用程式端與硬碟的兩層式扁平架構，應用程式端可透過乙太網路直接、個別地連接與存取Kinetic硬碟，利用這種方式將可構成一種完全非聚合式（disaggregated）的大規模儲存環境。

在底層儲存裝置上，每臺Kinetic硬碟都是完全彼此獨立的；在上層的應用程式端，則透過Kinetic程式庫，將Kinetic硬碟靈活地組成自己需要的儲存空間，每個儲存空間都可視需求設定可用性保護等級（透過即時複製多份複本分散存放到多臺硬碟上），以及效能等級（使用多臺硬碟組成平行存取的群組）。

而且這種基於乙太網路的連接方式，還可得到近乎無限的擴充性，透過交換器的轉接，應用程式端將可連接與存取幾乎無限數量的Kinetic硬碟，從而建立一種擁有無限擴充能力的儲存環境。

在儲存設備方面，由於Kinetic硬碟可自我管理，可省略傳統儲存設備的儲存控制器，所以相同機箱空間內可容納更多硬碟，提高單一機箱的磁碟密度。

傳統儲存架構 vs. Kinetic儲存架構

Kinetic將儲存架構簡化為只剩兩層，應用程式端可透過Kinetic API直接向底層Kinetic硬碟發出Key/Value存取操作，省略傳統儲存架構的中間環節。
圖片來源／Seagate

Kinetic架構帶來無限擴充能力

在Kinetic架構下，應用程式端可透過乙太網路直接連接與存取近乎無限數量的Kinetic硬碟，提供擁有無限擴充能力的儲存環境。
圖片來源／Seagate

基於Kinetic架構的儲存生態系

單有Seagate的Kinetic硬碟、API與程式庫，還不能構成完整的儲存環境，必須要有作業平臺與應用軟體開發商，以及儲存設備供應商的參與，才能實現完整的Kinetic儲存環境。

一方面，作業平臺與應用程式必須支援Kinetic API，才能應用Kinetic儲存架構；另一方面，也必由儲存設備供應商提供適用於機架部署、可集中安裝多臺Kinetic硬碟的儲存機箱，才能將Kinetic實際部署到機房環境中。

目前Seagate已經組成了基本的Kinetic儲存生態系聯盟，在作業平臺與應用軟體開發商方面，已經獲得OpenStack、SwiftStack、Inktank等的參與；在儲存設備方面，也已有華為、Supermicro等廠商推出了基於Kinetic硬碟的儲存機箱。另外，目前也已經有少數用戶，正在進行Kinetic儲存架構的導入驗證。

Seagate是在距今一年多前的2013年10月公開Kinetic儲存架構，並在2014年11月對外發表Kinetic硬碟，迄今雖已建成初步的生態系，不過Seagate尚未正式向經銷商供應Kinetic硬碟，因此，Kinetic還不算是一種正式的市售產品。

Seagate的Kinetic儲存設備工程概念原型

在Kinetic架構下，要作出外接式網路儲存裝置，變得非常簡單，只須提供容納Kinetic硬碟的機箱，並在機箱內配置用於連接各Kinetic硬碟GbE埠與對外GbE埠的背板交換器即可。照片為Seagate研討會中展出的Kinetic儲存設備工程原型，是一個非常簡單的4Bay小機箱，由可容納4臺硬碟的機殼，以及可連接8個內接GbE埠與2個外接GbE埠的背板交換器組成。

除了這種原型外，Supermicro提供了可容納12臺Kinetic硬碟的1U機箱產品，而華為還有更大磁碟容量的款式。