一種高性能廉價的網(wǎng)絡(luò)存儲應(yīng)用方案

陳晨　宋大勇　陳景亮

摘要：為了解決中小企業(yè)面臨的高性能存儲需求與存儲解決方案價格高昂之間的矛盾，通過學(xué)習(xí)和研究Windows Server2012 R2提供的存儲功能，結(jié)合實驗環(huán)境下的使用經(jīng)驗，給出了基于文件服務(wù)器集群的虛擬化存儲是一種適合中小企業(yè)應(yīng)用的性能高且價格低廉的可行性方案的結(jié)論，并簡要說明了方案的實施步驟。

關(guān)鍵詞：計算機應(yīng)用技術(shù)；網(wǎng)絡(luò)存儲；應(yīng)用方案；Windows Server2012 R2；高性能；廉價

中圖分類號：TP393 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）29-0030-04

在數(shù)字化信息技術(shù)遍布社會生活每個角落的今天，數(shù)據(jù)存儲量呈爆炸式增長，每年的增長率在50%-60%，預(yù)計到2020年全球?qū)⒖偣矒碛?0ZB的數(shù)據(jù)量。越來越多的企業(yè)認識到在“大數(shù)據(jù)”時代的背景下，數(shù)據(jù)存儲的必要性和重要性。在我國，日漸成為企業(yè)市場主力軍的龐大的中小型企業(yè)在面臨存儲空間嚴(yán)重不足的困境時，卻又要受困于高端存儲方案成本過于高昂，難以承受之苦。依靠現(xiàn)有技術(shù)，構(gòu)建一套高性能且價格相對低廉的存儲方案來解決中小企業(yè)用戶迫切的存儲需求，具有明顯的經(jīng)濟價值。

1網(wǎng)絡(luò)存儲技術(shù)在企業(yè)中的應(yīng)用

網(wǎng)絡(luò)存儲系統(tǒng)是網(wǎng)絡(luò)傳輸與存儲系統(tǒng)的有機結(jié)合。網(wǎng)絡(luò)存儲將存儲系統(tǒng)的特性與網(wǎng)絡(luò)的并行性、靈活性、可擴展性、易管理性結(jié)合，充分發(fā)揮了網(wǎng)絡(luò)的性能和優(yōu)點，提高了整個存儲系統(tǒng)的存儲質(zhì)量。給用戶提供更加快速的數(shù)據(jù)訪問，更加方便的存儲管理和更加安全的數(shù)據(jù)存儲。因此，網(wǎng)絡(luò)存儲已經(jīng)成為企業(yè)用戶數(shù)據(jù)存儲的重要方式。

目前專業(yè)網(wǎng)絡(luò)存儲技術(shù)大致分為四種。1）直接附屬存儲（Direct Attached Storage-DAS），DAS的缺點是存儲容量擴展困難，分布式存儲時，難于管理和備份，因此不適合企業(yè)用戶使用。2）網(wǎng)絡(luò)附屬存儲（Network Attached Storage-NAS），NAS的優(yōu)勢在于具有良好的共享性、開放性、可擴展性，總擁有成本（TCO）低。主要缺點在于存儲只能以文件方式訪問，而不能像普通文件系統(tǒng)一樣直接訪問物理數(shù)據(jù)塊，比如大型數(shù)據(jù)庫就不能使用NAS；由于存儲數(shù)據(jù)通過普通數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸，因此會和網(wǎng)絡(luò)上其他流量相互影響，尤其在備份和恢復(fù)數(shù)據(jù)過程中性能較低，這影響了它在企業(yè)級存儲中的地位。3）存儲區(qū)域網(wǎng)（storage Area Network-SAN），SAN具有高性能、高可用性、較高的靈活性、擴展方便、易于集中管理和可靠性高等優(yōu)點，是需要海量數(shù)據(jù)存儲，大規(guī)模高速備份的大型部門和數(shù)據(jù)中心的首選存儲技術(shù)。但是，SAN最大的局限在于成本非常高昂，特別是使用光纖通道的情況下，這一缺點更為突出。因此，即使SAN具有其他存儲方式無法比擬的性能優(yōu)勢，也很難在中小企業(yè)得到應(yīng)用。4）Internet小型計算機系統(tǒng)接口（iSCSI：InternetSmall Computer System Interface），iSCSI技術(shù)是一種新儲存技術(shù)，該技術(shù)是將現(xiàn)有SCSI接口與以太網(wǎng)絡(luò)（Ethemetl技術(shù)結(jié)合，使服務(wù)器可與使用IP網(wǎng)絡(luò)的儲存裝置互相交換資料。是近年來發(fā)展較快熱門的存儲技術(shù)，其優(yōu)勢在于總擁有成本相對較低，操作簡單，維護方便，擴充性強。利用iSCSI技術(shù)來構(gòu)建存儲區(qū)域網(wǎng)（iSCSI SAN），雖然性能上還與基于光纖通道的FCSAN有較大差距，但成本的大幅降低，為眾多中小企業(yè)對經(jīng)濟合理和便于管理的存儲需求提供了解決方案。目前，很多中小型企業(yè)已經(jīng)部署或正在部署iSCSI SAN。與此同時，帶寬的限制，IP網(wǎng)絡(luò)的效率和延遲是該技術(shù)面臨的難題。

不同的網(wǎng)絡(luò)存儲技術(shù)有各自的優(yōu)勢和局限性，為了既能充分利用物理設(shè)備高性能、高可用的優(yōu)勢，又打破了物理設(shè)備本身不可克服的局限性，存儲虛擬化技術(shù)提供了解決的方法。存儲虛擬化實際上是邏輯存儲，把存儲系統(tǒng)中各種分散的、異構(gòu)的存儲設(shè)備映射成一個虛擬存儲池，屏蔽物理設(shè)備復(fù)雜性，增加一個管理層面。它可以提高整體利用率，有效簡化基礎(chǔ)設(shè)施的管理，降低管理成本，解決軟硬件兼容問題。但是由于目前的虛擬存儲技術(shù)商業(yè)產(chǎn)品大部分針對高端用戶，采購價格高昂，影響了在中小企業(yè)中的推廣。

2 Windows Server 2012 R2的存儲功能

微軟作為全球軟件業(yè)的標(biāo)志性企業(yè)，在存儲革命的大潮中也投入了足夠的關(guān)注，自微軟推出Windows Storage Server以來，以存儲虛擬化技術(shù)為核心，不斷改進存儲OS的性能和可用性，直到將存儲OS的功能整合進Windows Server 2012 R2。Windows Server 2012 R2提供了一套完整的存儲方案，其中很多重要的功能是以前只有在硬件級別上實現(xiàn)的，為中小企業(yè)用戶構(gòu)建高效廉價的存儲系統(tǒng)提供了新的可能性。

Windows Server 2012 R2中提供的存儲功能很多，如致力于改進SAN功能的卸載數(shù)據(jù)傳輸功能，自動TRIM和取消映射功能，內(nèi)置的iSCSI目標(biāo)服務(wù)器功能等。而SMB3.0和存儲空間技術(shù)提供了一套微軟特有的基于文件服務(wù)器及文件服務(wù)器集群的存儲解決方案，這里重點介紹與該方案相關(guān)的存儲功能。

2.1文件服務(wù)器/SMB3.0

文件和存儲服務(wù)是Windows Server 2012和Windows Server2012 R2提供的服務(wù)器角色，默認情況下僅安裝有該角色，足見其重要性。該角色默認只安裝有存儲服務(wù)與文件服務(wù)器兩個角色服務(wù)。

SMB3.0是SMB（Server Message Block）最新版本，提供了許多新功能，如：SMB透明故障轉(zhuǎn)移，SMB多通道，SMB直連等。SMB3.0能夠在以太網(wǎng)上實現(xiàn)1Gbps的文件訪問速度，從而能匹敵DAS的性能。因而在Windows網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，SMB可以作為替代iSCSI的另一個選擇。另一方向，基于文件服務(wù)器集群的Hy-per-V over SMB，與“存儲空間”配合使用，在小型網(wǎng)絡(luò)中可以顯著提升網(wǎng)絡(luò)存儲的可用性。

2.2存儲空間（Storage Spaces）

Windows存儲空間是從Windows Server 2012開始引人的最重要的存儲新功能，作為包括在Windows中的存儲子系統(tǒng)，它可用來將符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的磁盤（例如SATA、SAS磁盤）組合為一個或多個存儲池，然后基于存儲池的可用空間創(chuàng)建稱為“存儲空間”的虛擬磁盤。存儲空間提供完善的存儲虛擬化功能，使用戶能夠?qū)我挥嬎銠C和可伸縮多節(jié)點部署使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的存儲。用戶可以借助該功能實現(xiàn)高度可用并可根據(jù)需要以經(jīng)濟高效的方式擴充的存儲。存儲空間與故障轉(zhuǎn)移群集集成以提供高可用性，并與群集共享卷（CSV）集成以支持?jǐn)U展文件服務(wù)器部署。

2.3存儲分層（Storage Tiering）

Windows Server 2012 R2改進存儲空間，使之成為更適合企業(yè)級客戶的存儲分層。這種功能是在不同的數(shù)據(jù)種類之間進行動態(tài)數(shù)據(jù)塊存儲移動，自動地將經(jīng)常訪問的數(shù)據(jù)移到較快的存儲層（固態(tài)硬盤），將不經(jīng)常訪問的數(shù)據(jù)移到較慢的存儲層（傳統(tǒng)硬盤）。

存儲分層允許存儲空間使用傳統(tǒng)磁盤或固態(tài)硬盤創(chuàng)建虛擬磁盤，然后將數(shù)據(jù)傳送到最適合數(shù)據(jù)使用模式的存儲介質(zhì)。Windows可以區(qū)分存儲池內(nèi)的傳統(tǒng)磁盤介質(zhì)和固態(tài)存儲，使用heat-map算法來決定數(shù)據(jù)塊活躍程度，并將“最熱”數(shù)據(jù)塊自動移到最快層級。存儲分層這一以往只在高端存儲方案中出現(xiàn)的功能對企業(yè)用戶來說有兩大好處，一是提高性能，數(shù)據(jù)被頻繁讀取的區(qū)塊（熱塊）被動態(tài)地移至固態(tài)存儲，實現(xiàn)最高效率地訪問；二是降低成本，管理員不需要采購帶RAID控制器的磁盤陣列，轉(zhuǎn)而使用價格低得多的商用JBOD存儲，還可以部分實現(xiàn)類似昂貴的SAN的功能。

2.4回寫緩存（Write Back Cache）

回寫緩存是Windows Server 2012 R2提供的與存儲分層密切相關(guān)的新功能，目的在于改進虛擬磁盤的寫入性能。存儲空間可以使用存儲池中現(xiàn)有的固態(tài)硬盤（隨機訪問時具有優(yōu)越的性能）來創(chuàng)建回寫緩存，該緩存針對電源故障提供容錯能力，并且可以先在固態(tài)硬盤中緩沖小規(guī)模隨機寫入操作，然后將這些操作讀入硬盤驅(qū)動器。這樣存儲空間可以減少隨機寫入的延遲，同時大大降低對其他數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅苡绊憽?/p>

3使用Windows Server 2012 R2構(gòu)建一種高效廉價的存儲方案

與以往的存儲解決方案不同，Windows Server 2012 R2提供了一個從小到大的非常廣泛、靈活的存儲構(gòu)架，用戶可根據(jù)需求從單個服務(wù)器開始逐步擴展到非常大的存儲集群。雖然在性能上與SAN解決方案相比還有相當(dāng)大的差距，但就中小企業(yè)需要兼顧高性能和低投入的需求來講，微軟特有的Hyper-Vover SMB存儲解決方案，是一個合適的選擇。

3.1存儲方案的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

Hyper-V over SMB存儲方案的網(wǎng)絡(luò)拓撲如圖1所示。與SAN解決方案相比，多了一級文件服務(wù)器集群作為共享存儲的提供者。

3.2存儲方案的優(yōu)勢

1）有效降低成本。根據(jù)企業(yè)需求，可以最大限度地重用原有資產(chǎn)，如果不考慮文件服務(wù)器的高可用性，那么任何一臺連接存儲設(shè)備的PC都可以充當(dāng)Hyper-V集群的共享存儲的提供者，文件服務(wù)器的存儲可以采用任何形式的存儲模式（DAS、NAS和SAN），甚至可以是PC中的本地磁盤。如果實現(xiàn)文件服務(wù)器的高可以性，通過共享SAS連接JBOD，配合存儲空間特性，可以在文件服務(wù)器集群中實現(xiàn)高可用性和擴展性，而JBOD機柜比傳統(tǒng)的RAID存儲陣列便宜。另外，Windows Server2012 R2學(xué)習(xí)難度低，使用簡單，也使得培訓(xùn)和管理的成本進一步降低。

2）擴展性好。文件服務(wù)器集群的節(jié)點可根據(jù)需求進行擴展；每個文件服務(wù)器節(jié)點可連接2個以上JBOD，配合存儲空間特性實現(xiàn)大容量虛擬磁盤，從而方便的擴展了存儲空間。

3）兼容性好。文件服務(wù)器集群作為中間層，上層應(yīng)用只需訪問文件服務(wù)器而不必關(guān)心底層存儲的實現(xiàn)細節(jié)，因而可以兼容不同型號的產(chǎn)品。

3.3存儲方案主要配置步驟和方法

3.3.1部署基于SMB的Hyper-V

1）配置文件服務(wù)器集群

在兩臺服務(wù)器上安裝Windows Server 2012 R2或Win—dows Server 2012之后，使用Windows PowerShell emdlet命令在每臺服務(wù)器上添加文件和存儲服務(wù)角色及故障轉(zhuǎn)移群集功能，如下：

Install-WindowsFeature File-Services，F(xiàn)S-FileServer，F(xiàn)ailover-Clustering

Install-WindowsFeature RSAT-Clustering-IneludeAllSub-Feature

如果使用SMB多通道，需確保安裝2個具有相同類型和速度的網(wǎng)絡(luò)適配器；

使用這兩臺服務(wù)器創(chuàng)建故障轉(zhuǎn)移集群；

New-Cluster -Name ClusterName-Node FileServerl，F(xiàn)ile-Serve2

通過向外擴展文件服務(wù)器配置故障轉(zhuǎn)移集群——在故障集群中創(chuàng)建外向擴展的服務(wù)器以用來持續(xù)托管SMB文件共享，其中，F(xiàn)SO是外向擴展的文件服務(wù)器集群名稱，ClusterDisk 2是存儲器名稱

Add-ClusterSharedVolume“Cluster Disk 2”

Add-ClusterSealeOutFileServerRole-Name FSO

2）安裝Hyper-V

要安裝Hyper-V角色和Hyper-V Windows PowerShellcmdlets及工具，使用以下命令：

Install-WindowsFeature Hyper-V，Hyper-V-PowerShell，hy-per-V-Tools

3）創(chuàng)建SMB文件共享

Hyper-V用來存儲虛擬機數(shù)數(shù)據(jù)的文件夾據(jù)要求訪問SMB文件共享系統(tǒng)所需的特定權(quán)限。你需要確保Hyper-V計算機帳戶、系統(tǒng)帳戶、任何Hyper-V群集的群集計算機帳戶和所有Hyper-V管理員均具有完全控制權(quán)限。

對于外向擴展文件服務(wù)器集群而言，鍵入下列內(nèi)容來配置SMB文件共享（其中，HV1和HV2是運行Hyper-V的服務(wù)器，HVadmin是Hyper-V管理員賬戶）：

#Createfolder

MDX：WMS

#Create file share

New-SmbShare-Name VMS1-Path X：WMS-FullAeeessDomain＼HVAdmin，Domain＼HV 1$，Domain＼HV2$，DomainkHVC$

apply permissions

#Set NTFS permissions from the file share permissions

Set-SmbPathAcl-Name VMS1

4）在文件共享上創(chuàng)建虛擬機和虛擬硬盤文件

針對名稱為FS1的文件服務(wù)器和名稱為VMS文件共享系統(tǒng)創(chuàng)建名稱為VM1的虛擬機：

New-VHD-Path＼＼FSIWMS＼VM1.VHDX-VHDType Dy-namie-SizeBytes 127GB

New-VM-Name VM1-Path＼＼FS1WMS-Memou 1GB-VH-DPath＼＼FSlWMSWM1.VHDX

5）將虛擬機存儲遷移至SMB文件共享

將虛擬機存儲器遷移至SMB文件共享系統(tǒng)：

Move-VMStorage-VMName VM1-DesfinationStorage-Path＼＼FSTWMS

確認虛擬機是否正在使用SMB文件共享系統(tǒng)及工作負載是否未中斷

Get-VM VM1 I FT Name.Path.State

Get-VMHardDiskDrive VM1 |FT VMName，Path

6）啟動虛擬機向另一個群集節(jié)點的實時遷移

執(zhí)行虛擬機向另一個集群節(jié)點的動態(tài)遷移

Move-ClusterVirtualMaehineRole-Name VM1-Node HV2 VmMigrationType Live

確認虛擬機是否已遷移至另一個集群節(jié)點且工作負載是否未中斷

Get-ClusterGroup VM1 | FT Name.OwnerNode.State

7）將虛擬機移至另一臺Hyper-V主機并遷移虛擬機存儲

虛擬機向另一臺Hyper-V主機的動態(tài)遷移

Move-VM-Name VM1-DestinationHost HV2

同時遷移虛擬機與直接相連的存儲器，并將虛擬機存儲器遷移至SMB文件共享系統(tǒng)

Move-VM-Name VM1-DestinationHost HV2-Destina-tionStoragePath＼＼FSTWMS

確定虛擬機是否已遷移至另一臺Hyper-V主機，并正在使用SMB文件共享系統(tǒng)，且工作負載未中斷

Get-VM VM1 | FT Name.Path.State

Get-VMHardDiskDrive VM1 | FT VMName.Path

3.3.2配置存儲空間

1）創(chuàng)建存儲空間

獲取空閑物理磁盤

創(chuàng)建存儲池

創(chuàng)建虛擬磁盤

基于虛擬磁盤創(chuàng)建卷

2）存儲分層管理

在Windows Server 2012 R2中只能創(chuàng)建兩個存儲層，分別對應(yīng)固態(tài)硬盤（SSD）和傳統(tǒng)的硬盤驅(qū)動器（HDD），前者用于存儲經(jīng)常訪問的數(shù)據(jù)，后者用于存儲不經(jīng)常訪問的數(shù)據(jù)。

創(chuàng)建SSD存儲池

$SSDTier=New-StorageTier-StoragePoolFriendlyName“TestPool”-FreindlyNmae SSD_Tier-MediaType SSD

創(chuàng)建HDD存儲池

駐HDDTier=New-StorageTier-StoragePoolFriendlyName“TestPool”-FreindlyNmae HDD_Tier-MediaType HDD

新建一個虛擬磁盤并將其綁定到存儲層

New-VirtualDisk-StoragePoolFriendlyName“TestPool”FreindlyNmae Tiered_VD -StorageTiers@（$SSDTier，$HDDTi-er） -StorageTierSizes@（IOGB，40GB） -ResiliencySettingNmaeSimple

選項StorageTiers@（$sSDTier，$HDDTier）指定所使用的存儲層。

選項StorageTierSizes@（10GB，40GB）指定每個層的容量大小，順序與前一選項保持一致。

基于該虛擬磁盤創(chuàng)建卷

Get-VirtualDisk I Get-Disk INew-Partion -Size 20GB -As-signDriveLetter IFormat-Volume -Force -confirin：$false

配置回寫緩存

只要高速存儲層的容量大于1GB，回寫緩存在任何使用存儲層的VHD上被自動地創(chuàng)建并使用?；貙懢彺娴娜魏胃膭佣急仨氃赩HD創(chuàng)建的時候做出（而且VHD必須通過PowerShell創(chuàng)建），無法事后對回寫緩存進行改動。創(chuàng)建虛擬磁盤時加上選項-WriteCacheSize，下例增加一個大小為1GB的回寫緩存。

New-VirtualDisk -StoragePoolFriendlyName“TestPool”FreindlyNmae Tiered_VD -StorageTiers@（$SSDTier，$HDDTi-er） -StorageTierSizes@（10GB，40GB） -ResiliencySettingNmaeSimple -WriteCacheSize 1GB

4結(jié)束語

在存儲需求迅猛增長的今天，Windows Server 2012 R2特有的Hyper-V over SMB存儲方案為中小企業(yè)提供了一種高效廉價的存儲選擇。在這一選擇面前，如何根據(jù)企業(yè)自身條件，預(yù)見性的把握存儲需求，在性能和投入之間找到最適合自身的平衡點，進一步細化和優(yōu)化方案，挖掘和利用好各項功能，提高企業(yè)存儲管理水平，是更需要深入研究的課題。