存儲虛擬化技術(shù)

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摘要存儲技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了從單個磁盤、磁帶到DAS、NAS、SAN存儲網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的歷程，對存儲環(huán)境和資源共享的迫切需求推動著存儲虛擬化成為主流技術(shù)。本文通過對虛擬存儲的綜述，對虛擬存儲化的基本概念、體系結(jié)構(gòu)、實現(xiàn)方法、關(guān)鍵技術(shù)做了比較和分析。重點介紹基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬化技術(shù)，討論了其關(guān)鍵技術(shù)與主要實現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞存儲虛擬化；邏輯存儲；對稱/非對稱

1引言

隨著信息數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化開展的各種多媒體處理業(yè)務(wù)的不斷增加，企業(yè)的信息量不斷增加，面對不斷膨脹的數(shù)據(jù)量和不斷增多的物理存儲設(shè)備，如何能夠保證一個存儲系統(tǒng)具有高性能的I/O吞吐率、高可靠性和高擴(kuò)展能力，以及良好的容錯性能，成為各個IT產(chǎn)商傾注極大熱情去解決的重大問題。特別是由于在存儲系統(tǒng)中存在著大量的異構(gòu)服務(wù)器和存儲系統(tǒng)，非常有必要進(jìn)行全面的存儲管理，而傳統(tǒng)DAS、NAS和SAN等存儲形式已無法滿足以上對存儲設(shè)備的需求，所以存儲虛擬化逐漸成為共享存儲管理的主流技術(shù)。

2虛擬存儲的概念

存儲虛擬化是把不同接口協(xié)議(如SCSIiSCSI或FC等)的網(wǎng)絡(luò)存儲設(shè)備(如JBOD、RAID和磁帶庫等)整合成一個虛擬的存儲池，根據(jù)需要為主機(jī)創(chuàng)建和提供虛擬存儲卷。存儲虛擬化是具存儲設(shè)備和存儲系統(tǒng)的抽象，展示給用戶一個邏輯視圖，同時將應(yīng)用程序和用戶所需的數(shù)據(jù)存儲操作和具體的存儲控制分離。因而可以充分利用異構(gòu)平臺的存儲空間，達(dá)到最優(yōu)化的使用效率。

3存儲虛擬化的實現(xiàn)

存儲虛擬化可以在三個不同的層面上實現(xiàn)，包括了基于專用卷管理軟件在主機(jī)服務(wù)器上實現(xiàn)，或者利用陣列控制器的固件(Firmware)在磁盤陣列上實現(xiàn)；再或者是利用專用的虛擬化引擎在存儲網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)。具體使用哪種方法來做，應(yīng)根據(jù)實際需求來決定。

3.1主機(jī)或服務(wù)器級虛擬存儲

基于主機(jī)或服務(wù)器的虛擬存儲化實現(xiàn)通常稱為邏輯卷管理(Logicalvalumemanager)。磁盤上的物理塊或邏輯單元號(LUN)被映射成邏輯卷號。邏輯卷管理軟件把多個不同的磁盤陣列映射成一個虛擬的邏輯塊空間。通過在服務(wù)器上安裝虛擬存儲管理軟件，實現(xiàn)各物理存儲體集成映射的。

基于主機(jī)或服務(wù)器的虛擬化存儲實現(xiàn)容易，可在不需要硬件支持的條件下實現(xiàn)形式多樣的存儲管理，對改善存儲系統(tǒng)的可管理性，提高存儲的安全性和可靠性很有益處。缺點是兼容性不好，擴(kuò)展性差，調(diào)度工作會影響服務(wù)器的性能。

3.2存儲設(shè)備級的虛擬存儲

基于存儲設(shè)備的虛擬存儲針對異構(gòu)SAN構(gòu)架，更使用于以存儲為核心的環(huán)境，它獨立于主機(jī)，存儲設(shè)備可以連接多臺主機(jī)，但存儲設(shè)備本身不能是異構(gòu)的，此時虛擬過程是在陣列控制器上完成將一個陣列上的存儲容量劃分為多個存儲空間(LUN，logicalUnitNumber)，供不同的主機(jī)系統(tǒng)訪問。智能的陣列控制器提供數(shù)據(jù)塊級的整合，同時還提供一些附加的功能，例如：LUNMaking緩存，即時快照、數(shù)據(jù)復(fù)制等。配合使用不同的存儲系統(tǒng)，基于存儲設(shè)備的虛擬化模式可以實現(xiàn)性能的優(yōu)化。但由于存儲設(shè)備在各個供應(yīng)商之間互操作性和兼容性較差，如果沒有第三方的虛擬軟件，基于存儲設(shè)備的虛擬化經(jīng)通常能提供一種不完全的虛擬存儲化解決方案。

3.3網(wǎng)絡(luò)級的虛擬存儲

基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬化是目前SAN虛擬化的主流技術(shù)，通過在存儲區(qū)域網(wǎng)這一級采用智能化的路由器，交換機(jī)或者是增加一個元數(shù)據(jù)服務(wù)器等來實現(xiàn)虛擬化的工作，它通過提供一種中央虛擬化方式將網(wǎng)絡(luò)中的存儲資源集中起來管理，從而降低了TCO，提供了一個“開放的”虛擬實施環(huán)境，最有可能支持任何的服務(wù)器、操作系統(tǒng)、應(yīng)用和存儲設(shè)備。從技術(shù)上講，基于網(wǎng)絡(luò)的存儲虛擬化又分為帶內(nèi)(In-Band)和帶外(Out-Band)兩種。這兩種方式的主要區(qū)別在于存儲網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)I/O與控制信息是否使用同一通道。

3.3.1帶內(nèi)虛擬化的實現(xiàn)模型

帶內(nèi)虛擬化，也稱為對稱(symmetric)虛擬化。是指虛擬化的操作在服務(wù)器和存儲設(shè)備之間交換數(shù)據(jù)的通道中執(zhí)行，存儲數(shù)據(jù)和控制信號使用同一數(shù)據(jù)通道。因為所有的數(shù)據(jù)訪問都會通過這個引擎，它就可以實現(xiàn)很高的安全性。就像一個存儲系統(tǒng)的防火墻，只有允許的訪問才能通過，否則就會被拒絕。

帶內(nèi)虛擬化的優(yōu)點是：可以整合多種存儲設(shè)備，便于集中式管理，因此具有極高的安全性。但容易造成網(wǎng)絡(luò)擁塞，降低了性能，同時容易產(chǎn)生瓶頸和單點實效，故在應(yīng)用中這種結(jié)構(gòu)往往是冗余配置。

目前市場上使用該技術(shù)的產(chǎn)品主要有IBM的TotaStorageSVC，HP的VA、EVA系列，HDS的TagmaStore，NetApp的V-Series及H3C的IV5000。

3.3.2帶外(outofband)虛擬化

帶外虛擬化，又稱為非對稱(asymmetric)虛擬化，是指虛擬化功能在位于存儲數(shù)據(jù)通道之外的一個設(shè)備上實現(xiàn)。數(shù)據(jù)和命令信息使用不同的通道(如圖2所示)，應(yīng)用服務(wù)器的I/O命令通過專用的命令通道傳至專用的元數(shù)據(jù)服務(wù)器或控制器，獲得元數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)視圖后，再直接通過數(shù)據(jù)通道得到所需要的數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)在專用的通道上傳輸，因此提高了性能，且避免了單點故障和瓶頸，但是在一定程度上增加了用戶投資，數(shù)據(jù)的安全性難以控制，實施難度大于帶內(nèi)模式。

4存儲虛擬化網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)

存儲虛擬化的核心工作是物理存儲設(shè)備到單一邏輯資源池的映射，通過虛擬化技術(shù)，為用戶和應(yīng)用程序提供虛擬化磁盤或虛擬卷，而且用戶可以根據(jù)需求對它進(jìn)行任意分割，并分配給特定的主機(jī)或應(yīng)用程序，而為用戶隱藏或屏蔽了具體物理設(shè)備的各種物理特性。實現(xiàn)虛擬存儲化關(guān)鍵技術(shù)如下：

1)共享沖突與數(shù)據(jù)一致性

存儲虛擬化的一個主要功能是實現(xiàn)存儲數(shù)據(jù)的共享，普通的文件系統(tǒng)只允許對數(shù)據(jù)進(jìn)行獨占式訪問，但是商業(yè)應(yīng)用需要在操作系統(tǒng)和“數(shù)據(jù)倉庫”之間共享數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的不同拷貝應(yīng)能在不同服務(wù)器操作系統(tǒng)所帶來的存儲共享和并行存儲時的I/O訪問沖突等。這就需要良好的鎖機(jī)制算法、多種級別的鎖機(jī)制以及Cache一致性等技術(shù)，來保證數(shù)據(jù)之間的連貫性和一致性。

2)異構(gòu)適應(yīng)性

虛擬存儲的另一個主要目標(biāo)是實現(xiàn)真正意義上的設(shè)備互操作性，簡化在在由不同主機(jī)操作系統(tǒng)和不同設(shè)備類型組成的異構(gòu)存儲環(huán)境中的系統(tǒng)管理和用戶操作，實現(xiàn)真正意義上的存儲設(shè)備的透明性。

3)系統(tǒng)存儲空間的動態(tài)擴(kuò)展

開放系統(tǒng)的計算機(jī)模型經(jīng)歷了一個從單一的、大而全的結(jié)構(gòu)過渡到“n-層、分布式的或并行”的結(jié)構(gòu)。每一層都可以獨立擴(kuò)展，保證最優(yōu)的資源利用率。SAN虛擬化允許按照需要擴(kuò)充存儲資源，而對邏輯層和應(yīng)用層透明。因此，系統(tǒng)管理員可以以兆字節(jié)為單位來擴(kuò)充存儲容量，而不破壞重要的應(yīng)用。按需存儲將是未來實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的主要驅(qū)動力。

4)數(shù)據(jù)存儲與容錯策略

由于應(yīng)用和數(shù)據(jù)服務(wù)是透明的，必須避免越權(quán)訪問和惡意攻擊，數(shù)據(jù)安全性由整個系統(tǒng)的管理軟件來保證，因此保證數(shù)據(jù)安全性是存儲虛擬化技術(shù)的難點之一。虛擬存儲也必須以較小的容錯開銷建立容錯功能，克服系統(tǒng)單點故障，避免不可恢復(fù)的數(shù)據(jù)損失，同時也必須擁有數(shù)據(jù)容錯備份系統(tǒng)，以保證因不可抗力而丟失的數(shù)據(jù)擁有的可靠備份。

5總結(jié)

海量數(shù)據(jù)需求在各個應(yīng)用場合不斷增加，由于存儲虛擬化技術(shù)能夠提供系統(tǒng)的高可用性、高可靠性并易于維護(hù)，它正在成為存儲領(lǐng)域的核心技術(shù)。由于存儲應(yīng)用場合的復(fù)雜性和不同用戶的存儲需求的多樣化，存儲虛擬化技術(shù)必須加以豐富和完善(如數(shù)據(jù)的備份、復(fù)制、恢復(fù)、遠(yuǎn)程容災(zāi)、快照和多重鏡像支持等)，以提供良好的個性化服務(wù)。

另一方面，從目前來講，存儲虛擬化依然缺乏高度的標(biāo)準(zhǔn)化，不同的虛擬產(chǎn)品間的兼容性還有待進(jìn)一步提高，必須盡快制定業(yè)界公認(rèn)的存儲虛擬化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以解決操作平臺、網(wǎng)絡(luò)和存儲設(shè)備等產(chǎn)商及產(chǎn)品之間的互操作性問題，這樣才能推動存儲虛擬化技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)然在虛擬存儲技術(shù)體現(xiàn)其

優(yōu)越性的同時我們也不能夠忽視虛擬技術(shù)的一些潛在問題，這樣會更有利于虛擬技術(shù)向著智能化的方向發(fā)展。

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