虛擬存儲技術(shù)及其在檔案信息化中的應(yīng)用

溫 潔

（中州大學(xué) 圖書館，河南 鄭州 450044）

隨著全球信息的爆炸式增長，存儲技術(shù)越來越為人們所關(guān)注.當(dāng)前，全球數(shù)據(jù)存儲每年以60%的速度遞增，數(shù)據(jù)的持續(xù)快速增長帶來的數(shù)據(jù)膨脹壓力使越來越多的企事業(yè)單位把數(shù)據(jù)存儲作為重要項(xiàng)目來管理.

檔案信息化是一個(gè)動態(tài)的發(fā)展過程，它以檔案信息的資源建設(shè)為核心，以檔案信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)為基礎(chǔ)，以檔案信息資源共享為目標(biāo).檔案信息化包含三層含義：數(shù)字化、一體化、網(wǎng)絡(luò)化.其中，檔案信息的數(shù)字化是開展信息化建設(shè)的基礎(chǔ)，大量的館藏檔案和紙質(zhì)文件需要進(jìn)行數(shù)字化加工.以河南省檔案館為例，截至2010年3月，館藏統(tǒng)計(jì)為746 000卷（冊），假設(shè)數(shù)字化加工掃描存儲為占據(jù)空間較少的PDF圖像格式，每卷平均容量按30M來算（實(shí)際工作過程中，每卷的平均容量要大于30M），所需存儲空間約為21T.如果要掃描存儲為占據(jù)空間大的TIFF圖像格式，所需存儲空間還要大得多.另外，隨著檔案信息化建設(shè)的推進(jìn)，進(jìn)館的電子文件及多媒體資料會愈來愈多，這會給存儲帶來更大的壓力.

1 虛擬存儲技術(shù)

虛擬存儲，簡單地說就是把不止一個(gè)的存儲介質(zhì)模塊利用特定的技術(shù)手段集中在一個(gè)存儲池中，進(jìn)行集中的統(tǒng)一管理［1］.用戶使用的不再是物理存儲硬件，而是虛擬的存儲空間，管理者也不用管理物理存儲部件，而只需要對存儲空間進(jìn)行管理.

1.1 虛擬存儲技術(shù)的特點(diǎn)與優(yōu)勢

虛擬存儲作為一種先進(jìn)的存儲技術(shù)，具有如下特點(diǎn)：

首先，它提供了一個(gè)管理手段，可以用來集中管理大容量存儲系統(tǒng).虛擬存儲利用網(wǎng)絡(luò)中的某一個(gè)存在環(huán)節(jié)如服務(wù)器、交換機(jī)等進(jìn)行統(tǒng)一管理，這樣一來就方便了技術(shù)人員的日常管理及用戶使用.日后一旦存儲需求提高，需要增加新的存儲設(shè)備的時(shí)候，只需要技術(shù)人員在已有的存儲系統(tǒng)的配置上進(jìn)行一些簡單的更改，就可以使用新增加的存儲系統(tǒng)的容量，而客戶端不需要有任何操作.

其次，它大幅度提高了存儲系統(tǒng)的訪問帶寬.一般情況下存儲系統(tǒng)是由多個(gè)存儲模塊組合而成，虛擬存儲系統(tǒng)可以在多個(gè)模塊之間進(jìn)行負(fù)載平衡，把訪問數(shù)據(jù)需要的整體帶寬平均地分配到各個(gè)獨(dú)立的存儲模塊上，從而使存儲系統(tǒng)的整體訪問帶寬得到進(jìn)一步地增大.

1.2 虛擬存儲技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法

一般情況下，虛擬存儲有以下三種實(shí)現(xiàn)方法.

1）基于主機(jī)的虛擬存儲.基于主機(jī)的虛擬化存儲一般通過存儲管理軟件實(shí)現(xiàn).管理軟件的作用就是向系統(tǒng)輸出一個(gè)單獨(dú)的虛擬存儲設(shè)備，使得主機(jī)上的存儲設(shè)備可以并行使用.這種方法需要通過管理軟件完成，會縮短系統(tǒng)CPU的使用周期，從而造成主機(jī)的性能瓶頸.由于不需要額外增加硬件、容易實(shí)現(xiàn)、成本較低，對于存儲要求不高的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境來說，是一種性價(jià)比很高的方法［2］.

2）基于存儲設(shè)備的虛擬化存儲.虛擬化技術(shù)也可以通過存儲設(shè)備內(nèi)部的控制系統(tǒng)加以實(shí)現(xiàn).這種虛擬方法通過特定的算法把邏輯存儲單元映射至物理設(shè)備上，最終實(shí)現(xiàn)用戶所看到的邏輯卷，不依附所屬的存儲設(shè)備.

3）基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬存儲.基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬化是存儲技術(shù)的最新發(fā)展方向.基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬化功能是在存儲局域網(wǎng)絡(luò)（SAN）內(nèi)部完成的.通常有以下兩種方式.

（1）帶內(nèi)虛擬.也叫做對稱虛擬（Symmetric），通過應(yīng)用服務(wù)器和存儲設(shè)備數(shù)據(jù)通路的內(nèi)部來實(shí)現(xiàn)［3］.一般情況下，存儲服務(wù)器上的虛擬軟件允許控制數(shù)據(jù)和真實(shí)數(shù)據(jù)在一個(gè)數(shù)據(jù)通路內(nèi)傳遞.而從用戶角度來看，帶內(nèi)虛擬存儲服務(wù)器就如同是主機(jī)上附加的一個(gè)存儲設(shè)備.

（2）帶外虛擬.又稱為不對稱虛擬（Asymmetric），虛擬功能是在數(shù)據(jù)通路以外的服務(wù)器上來實(shí)現(xiàn)的.控制數(shù)據(jù)存放于數(shù)據(jù)通路以外的存儲服務(wù)器上，而需要存儲的實(shí)際數(shù)據(jù)則直接通過存儲網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用服務(wù)器和存儲設(shè)備之間進(jìn)行傳遞.雖然帶外虛擬使得網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流量大大減少，但是要在主機(jī)端安裝客戶軟件，也容易受到攻擊.

2 虛擬存儲技術(shù)在檔案信息化中的應(yīng)用

由于虛擬存儲技術(shù)在資源數(shù)字化存儲整合中的特點(diǎn)與優(yōu)勢，各類資源相對比較豐富的部門（包括檔案館）對其給予了極大的關(guān)注，并逐漸把這種技術(shù)應(yīng)用到工作之中.

2.1 應(yīng)用實(shí)例

目前，虛擬存儲技術(shù)還沒有出臺統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，單從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面來講虛擬存儲分為對稱式和非對稱式兩種.對稱式虛擬存儲技術(shù)需要嵌入網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸路徑中，將虛擬存儲控制設(shè)備和交換設(shè)備、存儲軟件系統(tǒng)作為一個(gè)整體來進(jìn)行；而非對稱式虛擬存儲技術(shù)與之恰恰相反，虛擬存儲控制設(shè)備完全獨(dú)立于數(shù)據(jù)傳輸路徑之外.對稱式虛擬存儲技術(shù)具有更高的帶寬性能，安全方面也更有保障，比較適合檔案館使用.

以河南省檔案局為例，采用的是通過存儲設(shè)備（磁盤陣列）在存儲網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)虛擬化的技術(shù)方案.其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為對稱式，如圖1所示.其中，所選用的存儲設(shè)備為NetApp公司的FAS 2040磁盤陣列，配有NetApp的Data ONTAP 8.0操作系統(tǒng)，包括NetApp公司所有的先進(jìn)數(shù)據(jù)服務(wù)，如壓縮、重復(fù)數(shù)據(jù)刪除、災(zāi)難恢復(fù)和快照等.數(shù)據(jù)服務(wù)器操作系統(tǒng)選用中科紅旗（Asianux Sever 3.0for x86－64sp2）的，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)購買的是甲骨文公司的正版Oracle（11g）.

圖1 存儲拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

磁盤陣列通過光纖交換機(jī)接入存儲局域網(wǎng)絡(luò)（SAN），系統(tǒng)控制信息數(shù)據(jù)和實(shí)際存儲數(shù)據(jù)通過相同的數(shù)據(jù)通路進(jìn)行傳遞.應(yīng)用服務(wù)器發(fā)出的數(shù)據(jù)請求被磁盤陣列中的控制器接收后，磁盤陣列中的控制器就會在后臺的磁盤中搜索存儲數(shù)據(jù)（在實(shí)際的存儲過程中，所請求的數(shù)據(jù)可能分布于不同的多個(gè)磁盤中），當(dāng)所需要的數(shù)據(jù)被找到后，控制器就會把數(shù)據(jù)傳送至應(yīng)用服務(wù)器，這樣就完成了一次完整的請求響應(yīng).

為了進(jìn)一步加強(qiáng)數(shù)據(jù)保護(hù)，本實(shí)例中的磁盤陣列采用RAID 6／DP系統(tǒng)設(shè)計(jì)，每個(gè)硬盤上都有同級數(shù)據(jù)XOR校驗(yàn)區(qū).另外，還有一個(gè)針對每個(gè)數(shù)據(jù)塊的XOR校驗(yàn)區(qū).也就是說每個(gè)數(shù)據(jù)塊有了兩個(gè)校驗(yàn)保護(hù)屏障，整個(gè)磁盤陣列中的若干硬盤，即使同時(shí)有兩個(gè)硬盤壞掉也不影響數(shù)據(jù)的安全性及系統(tǒng)的正常運(yùn)行.

此方案在控制器中添加虛擬化功能，將一個(gè)磁盤陣列上的存儲容量劃分為多個(gè)存儲空間（LUN），供不同的主機(jī)系統(tǒng)訪問，虛擬化的工作在磁盤陣列的控制器上就得以完成.這一虛擬存儲方案具有如下三個(gè)特點(diǎn)：

1）提升了系統(tǒng)的應(yīng)用性能.傳統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)都是直接掛接存儲，與此相比，本例的對稱式虛擬存儲、檔案管理系統(tǒng)、電子資源應(yīng)用服務(wù)使用大容量的高速緩存、多端口并行技術(shù)，不但消除了I／O瓶頸，還使得數(shù)據(jù)傳輸速度比傳統(tǒng)方式有了顯著地提高，系統(tǒng)的可用帶寬從整體上也得到了提高.

2）存儲控制更加方便.磁盤陣列將整個(gè)存儲池中實(shí)際存在的物理硬盤空間變?yōu)樘摂M的邏輯存儲單元（LUN），并進(jìn)行端口映射.主機(jī)端則將這些邏輯存儲單元分別映射為操作系統(tǒng)可以識別的盤符.整個(gè)劃分過程對用戶或管理人員都是透明的，系統(tǒng)管理員不必再關(guān)心后端存儲，只需專注管理存儲空間.

3）可擴(kuò)展性.在SAN之上可方便地增加、刪除交換設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)超大規(guī)模的SAN.同時(shí)由于方案保持了標(biāo)準(zhǔn)的SAN結(jié)構(gòu)，為系統(tǒng)以后的擴(kuò)展提供了有力的技術(shù)保障.

2.2 采用虛擬存儲技術(shù)需注意的幾個(gè)問題

網(wǎng)絡(luò)虛擬存儲從一定程度上解決了數(shù)據(jù)共享和整合的難題，但也存在如下一些問題.

1）存儲虛擬化技術(shù)所面臨的最大問題就是還不夠成熟，虛擬化的實(shí)現(xiàn)還要依托于后端操作系統(tǒng)，也就是說存儲是“聚合的”而不是真正“共享的”.簡言之，虛擬化功能的實(shí)現(xiàn)目前還必須要有文件服務(wù)器操作系統(tǒng)的支持.

2）存儲設(shè)備裸容量大小與實(shí)際可用容量有著較大的差異.選購的存儲設(shè)備在安裝使用的過程中，系統(tǒng)本身要占去大量的可用容量.

還是以本方案中的存儲設(shè)備為例，購買的NetApp FAS 2040一共包含14塊1T的硬盤，裸容量大小為14T.因?yàn)橄到y(tǒng)做的是RADI 6／DP，需要兩個(gè)硬盤來做校驗(yàn)，一個(gè)硬盤做熱備份，可用容量還剩下10T，然后每個(gè)盤快照占了20%，文件系統(tǒng)格式化后占了20%左右，那么實(shí)際可用容量僅剩下6.4T.

3）磁盤陣列中的快照技術(shù)是在線存儲設(shè)備防范數(shù)據(jù)丟失的有效方法之一，存儲設(shè)備發(fā)生應(yīng)用故障或者文件損壞時(shí)可以進(jìn)行及時(shí)數(shù)據(jù)恢復(fù).對于用戶來講，花費(fèi)昂貴的價(jià)格購買存儲設(shè)備，就是為了擁有盡可能多的存儲空間.對于實(shí)時(shí)性要求不高的系統(tǒng)，再加上諸如Oracle等數(shù)據(jù)庫本身強(qiáng)大的容錯(cuò)、備份機(jī)制，磁盤陣列中的快照技術(shù)所占用空間是否能釋放出來或者減少到一定程度，是需要進(jìn)一步研究探討的問題.

3 小結(jié)

檔案數(shù)字化信息的潛在增長趨勢，對存儲系統(tǒng)有著更高的要求.虛擬存儲技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)存儲系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享，為普通用戶提供更透明的高可用性，為管理人員提供更方便的可擴(kuò)展性.可以有效減少存儲系統(tǒng)的管理開銷，能夠有效地滿足數(shù)字檔案館中數(shù)據(jù)的存儲需求，它無疑將成為建設(shè)未來數(shù)字檔案館存儲系統(tǒng)的主流架構(gòu).

同時(shí)也要清楚地認(rèn)識到，由于虛擬存儲技術(shù)目前尚無統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，虛擬存儲技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式各有優(yōu)劣，廠商對各自的虛擬存儲方案也眾說紛紜，所以在考慮選用虛擬存儲技術(shù)的時(shí)候，要依照本單位的實(shí)際情況，規(guī)劃適合自己的存儲虛擬化策略，在工作實(shí)踐中感受存儲虛擬化帶來的諸多益處.

［1］木合亞提·尼亞孜別克，古力沙吾利·塔里甫.信息存儲技術(shù)及其發(fā)展趨勢［J］.中國科技信息，2011（10）：116.

［2］譚生龍.存儲虛擬化技術(shù)的研究［J］.微計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2010（1）：35.

［3］王文輝.虛擬存儲技術(shù)的基本實(shí)現(xiàn)及其應(yīng)用［J］.陜西科技，2007（6）：42.