基于VMware技術(shù)的軟件定義的存儲(chǔ)方案研究

袁瑛++沈平

摘 要：隨著服務(wù)器虛擬化技術(shù)的廣泛應(yīng)用，服務(wù)器提供的存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)卻未能同步，不能應(yīng)對(duì)虛擬化應(yīng)用和新型工作負(fù)載過高的狀況，云端服務(wù)的出現(xiàn)以及新應(yīng)用的快速開發(fā)和部署使終端用戶對(duì)容量、性能和敏捷性的期望越來越高。本文介紹了虛擬化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀、VMware技術(shù)的相關(guān)知識(shí)，闡述了基于VMware技術(shù)的虛擬化系統(tǒng)構(gòu)建的想法。并針對(duì)傳統(tǒng)存儲(chǔ)的缺點(diǎn)和不足，建議使用VMware[1，2]技術(shù)中的Virtual SAN[3]構(gòu)建的軟件定義的存儲(chǔ)系統(tǒng)，使存儲(chǔ)方式更高速、敏捷、經(jīng)濟(jì)。

關(guān)鍵詞：虛擬化；VMware技術(shù)；存儲(chǔ)定義

中圖分類號(hào)：TP399 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：With the wide application of server virtualization technology，storage architecture provided by the server failed to synchronize，unable to cope with the virtualization application and new work load too high，and the rapid development of cloud services appear new application and deployment of the end user expectations of performance and capacity，more and more high agility.This paper introduces the development of virtualization technology，VMware technology，and describes the idea of building a virtual system based on VMware technology.In view of the shortcomings and deficiencies of the traditional storage，it is recommended to use the software defined storage system of Virtual SAN in the VMware technology，which can make the storage way more rapid，agile and economical.The software defined storage system constructed by Virtual SAN in VMware technology can not solve the problems of the traditional storage and virtualization，the storage expansion is expensive，and the application efficiency is not high.

Keywords：virtualization；VMware technology；storage definition

1 引言（Introduction）

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)已成為學(xué)校IT部門需要應(yīng)對(duì)的最棘手的難題之一。隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算的推廣應(yīng)用，存儲(chǔ)容量將以每年41%的速度不斷增長(zhǎng)，IT管理員將無(wú)法存儲(chǔ)、編目并隨時(shí)提供此類數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面，盡管傳統(tǒng)的外部網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)系統(tǒng)較為成熟，但其中仍存在不少難題：資金開銷較高、擴(kuò)展方面面臨著挑戰(zhàn)、運(yùn)維復(fù)雜性較高，且難以滿足SLA要求；IDC的數(shù)據(jù)顯示，最后一項(xiàng)是目前最為緊迫的問題。

2 傳統(tǒng)存儲(chǔ)的缺點(diǎn)與不足（Shortcomings and

deficiencies of traditional storage）

當(dāng)下的數(shù)據(jù)中心存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)在很大程度上均由硬件驅(qū)動(dòng)和定義，無(wú)法滿足這些新型的存儲(chǔ)需求。傳統(tǒng)的存儲(chǔ)資源調(diào)配和維護(hù)方式已不足以實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)目標(biāo)。雖然我們可以進(jìn)一步增加傳統(tǒng)存儲(chǔ)系統(tǒng)的容量，也可以引入性能更高的新系統(tǒng)，但以硬件為中心的方法仍然面臨著一些本質(zhì)上的挑戰(zhàn)，這種方法非常復(fù)雜、極不靈活且效率低下。

雖然新式存儲(chǔ)陣列可以提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、管理和保護(hù)功能，但它們并未考慮到不斷變化的應(yīng)用要求，往往無(wú)法快速應(yīng)對(duì)變化。

（1）滿足存儲(chǔ)SLA要求并根據(jù)業(yè)務(wù)需求進(jìn)行調(diào)整的過程非常繁瑣。

傳統(tǒng)存儲(chǔ)的調(diào)配和日常管理流程極不靈活，很難支持不斷變化的應(yīng)用服務(wù)級(jí)別。我們需要進(jìn)行大量前期規(guī)劃，才能創(chuàng)建具有預(yù)定義性能設(shè)置和特定數(shù)據(jù)服務(wù)集且獨(dú)立于應(yīng)用的預(yù)配置靜態(tài)容量池。這種自下而上、以硬件為中心的方法會(huì)導(dǎo)致調(diào)配效率低下。應(yīng)用需要映射到這些固定的容量池，以便確定“最符合”要求的容量。當(dāng)應(yīng)用發(fā)生變化時(shí)，存儲(chǔ)要求會(huì)隨之改變，這時(shí)，虛擬機(jī)需要遷移到新的LUN或卷中。此外，性能的擴(kuò)展不夠細(xì)致，這就需要我們費(fèi)時(shí)費(fèi)力開展規(guī)劃工作并投入大量的資金。由于從虛擬層到存儲(chǔ)層缺乏端到端可見性，因此，我們很難對(duì)每臺(tái)虛擬機(jī)進(jìn)行故障排除并監(jiān)控性能問題?？傊捎诖鎯?chǔ)系統(tǒng)無(wú)法支持應(yīng)用，目前的運(yùn)維模式也無(wú)法快速適應(yīng)變化。

（2）CAPEX過高，擴(kuò)展很昂貴

現(xiàn)有的存儲(chǔ)環(huán)境極不靈活，同時(shí)復(fù)雜性較高，會(huì)導(dǎo)致存儲(chǔ)利用率和ROI較低。為降低存儲(chǔ)調(diào)配的復(fù)雜性并減少延遲，各個(gè)組織通常會(huì)部署超出實(shí)際需要的存儲(chǔ)量。這種超額配置會(huì)導(dǎo)致實(shí)際分配的存儲(chǔ)資源得不到充分的使用。同時(shí)，由于存儲(chǔ)資源未經(jīng)過虛擬化，閑置的存儲(chǔ)無(wú)法輕松進(jìn)行重新分配或共享，因此，組織需要更頻繁地購(gòu)買存儲(chǔ)。最終，存儲(chǔ)系統(tǒng)會(huì)占用很大一部分IT預(yù)算。同時(shí)，組織還必須大規(guī)模擴(kuò)展存儲(chǔ)資源，要么是支付昂貴的升級(jí)費(fèi)用，要么是徹底更換現(xiàn)有硬件，其結(jié)果就是在不斷重復(fù)購(gòu)買高昂的新存儲(chǔ)基礎(chǔ)設(shè)施。

3 VMware技術(shù)的軟件存儲(chǔ)定義的工作（VMware

software defined storage work）

基于VMware技術(shù)的存儲(chǔ)模式將存儲(chǔ)領(lǐng)域帶來服務(wù)器虛擬化[4]之于計(jì)算領(lǐng)域的同等高效的運(yùn)維模式。這種全新的模式將改變存儲(chǔ)的調(diào)配和管理方式，它由軟件（而非硬件）定義。而且，此模式應(yīng)從應(yīng)用入手，而非存儲(chǔ)陣列。軟件定義的存儲(chǔ)和軟件定義的數(shù)據(jù)中心可實(shí)現(xiàn)更加敏捷高效的環(huán)境，并提供高速度、簡(jiǎn)便性以及經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。

軟件定義的工作原理，就是軟件定義的存儲(chǔ)依賴虛擬化管理程序，以及兩種新的體系結(jié)構(gòu)元素，即虛擬數(shù)據(jù)層和策略驅(qū)動(dòng)的控制層。

虛擬數(shù)據(jù)層，對(duì)物理資源進(jìn)行虛擬化，將其抽象化為以虛擬機(jī)為中心、可靈活使用和管理的邏輯容量池。VMware在這方面的實(shí)施包括基于SAN/NAS設(shè)備的vSphere Virtual VolumesTM，以及基于x86服務(wù)器存儲(chǔ)的VMware Virtual SANTM[5]。

策略驅(qū)動(dòng)的控制層，充當(dāng)應(yīng)用與基礎(chǔ)架構(gòu)之間的橋梁，通過策略驅(qū)動(dòng)且以虛擬機(jī)為中心的自動(dòng)化功能，可跨不同的存儲(chǔ)層進(jìn)行通用管理，并對(duì)存儲(chǔ)服務(wù)級(jí)別進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制。VMware在這方面的實(shí)施是基于存儲(chǔ)策略的管理[6]。

（1）虛擬數(shù)據(jù)層

這是一個(gè)全新的抽象層，用于將存儲(chǔ)池化為以虛擬機(jī)為中心的靈活虛擬數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，在這里，虛擬磁盤均以原生形式呈現(xiàn)在底層物理基礎(chǔ)架構(gòu)上。借助Virtual Volumes和Virtual SAN，存儲(chǔ)基礎(chǔ)架構(gòu)可在虛擬數(shù)據(jù)層提供可用的功能（性能和數(shù)據(jù)服務(wù)），從而通過編程API自動(dòng)調(diào)配并動(dòng)態(tài)控制存儲(chǔ)服務(wù)級(jí)別。

與此相對(duì)，傳統(tǒng)存儲(chǔ)環(huán)境基于極不靈活且以基礎(chǔ)架構(gòu)為中心的LUN（邏輯單元）或存儲(chǔ)卷，它們本質(zhì)上都會(huì)采用靜態(tài)方式分配存儲(chǔ)服務(wù)級(jí)別（容量、性能和數(shù)據(jù)服務(wù)）。在這種情況下，存儲(chǔ)資源的調(diào)配取決于可用的硬件，而資源將根據(jù)“最適合”的方案嚴(yán)格分配給應(yīng)用，極度缺乏靈活性或變化空間。

（2）策略驅(qū)動(dòng)的控制層

這個(gè)全新的管理層可在外部陣列、x86服務(wù)器或云端存儲(chǔ)的所有存儲(chǔ)層之間提供通用的編排和自動(dòng)化功能。與傳統(tǒng)的控制層不同，這個(gè)策略驅(qū)動(dòng)的控制層使用策略來定義不同的存儲(chǔ)類別，并自動(dòng)組合大量存儲(chǔ)服務(wù)，同時(shí)支持在虛擬機(jī)級(jí)別進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)應(yīng)用要求發(fā)生變化時(shí)，策略會(huì)隨之更新，虛擬化管理程序會(huì)利用虛擬數(shù)據(jù)層和虛擬數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以無(wú)中斷的方式自動(dòng)調(diào)配新的存儲(chǔ)資源。可通過公共API（用于通過腳本編寫工具和云計(jì)算自動(dòng)化工具使用并控制策略）對(duì)控制層進(jìn)行編程，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)以自助方式使用存儲(chǔ)[7]。具體的軟件定義的存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（3）虛擬化管理程序的作用

作為位于應(yīng)用和基礎(chǔ)架構(gòu)交匯處的抽象層，虛擬化管理程序在IT體系中占據(jù)首要位置，它可平衡應(yīng)用所需的全部IT資源，包含計(jì)算、內(nèi)存、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)連接。虛擬化管理程序本身就支持應(yīng)用，能夠直接了解各個(gè)應(yīng)用（如虛擬機(jī)和虛擬磁盤）及其要求?，F(xiàn)在，有了虛擬數(shù)據(jù)層和基于策略的管理，虛擬化管理程序就能以與計(jì)算資源類似的方式調(diào)配存儲(chǔ)資源，具體而言，它可提供以下功能：

a.通過全新的控制層向應(yīng)用自動(dòng)交付存儲(chǔ)級(jí)別（容量、性能）和數(shù)據(jù)服務(wù)。

b.將存儲(chǔ)基礎(chǔ)架構(gòu)抽象化為靈活的容量池，在這里，存儲(chǔ)級(jí)別和數(shù)據(jù)服務(wù)可交付至單獨(dú)的虛擬機(jī)。

c.通過基于存儲(chǔ)策略的管理模板，可以更加精確、高效地對(duì)存儲(chǔ)進(jìn)行管理和動(dòng)態(tài)調(diào)配。

4 讓軟件定義的存儲(chǔ)的實(shí)現(xiàn)途徑（Ways to enable

software defined storage）

VMware軟件定義的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)變了存儲(chǔ)的運(yùn)維模式：從當(dāng)前自下而上、以陣列為中心的存儲(chǔ)方法轉(zhuǎn)變?yōu)樽陨隙?、以虛擬機(jī)為中心的模式。因此，存儲(chǔ)服務(wù)可自動(dòng)根據(jù)應(yīng)用的要求進(jìn)行調(diào)整，從而幫助您節(jié)省時(shí)間和資金。

VMware Virtual SAN，要實(shí)施軟件定義的存儲(chǔ)，首先需要部署VMware Virtual SAN，它可以為虛擬環(huán)境提供融合了虛擬化管理程序的極其簡(jiǎn)單的存儲(chǔ)[8]。Virtual SAN能夠?yàn)樗刑摂M化應(yīng)用（包括關(guān)鍵業(yè)務(wù)應(yīng)用）提供企業(yè)級(jí)高性能存儲(chǔ)。這種獨(dú)立于硬件的橫向擴(kuò)展體系結(jié)構(gòu)采用了x86服務(wù)器，可顯著降低存儲(chǔ)的總體擁有成本，同時(shí)支持以可預(yù)測(cè)的方式靈活進(jìn)行線性擴(kuò)展。通過池化與服務(wù)器連接的基于閃存的存儲(chǔ)（位于全閃存或混合SSD/HDD體系結(jié)構(gòu)中），Virtual SAN可以確保較高的性能和可預(yù)測(cè)的響應(yīng)時(shí)間。它采用以虛擬機(jī)為中心的管理方法，并且與VMware vSphere和整個(gè)VMware產(chǎn)品體系無(wú)縫集成，因此是最簡(jiǎn)單的虛擬機(jī)存儲(chǔ)平臺(tái)。

Virtual SAN可配置為混合存儲(chǔ)，也可配置為全閃存存儲(chǔ)。在混合存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)中，Virtual SAN會(huì)池化與服務(wù)器連接的HDD和SSD，以創(chuàng)建一個(gè)分布式共享數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，用于對(duì)存儲(chǔ)硬件進(jìn)行抽象化，并為虛擬機(jī)提供軟件定義的存儲(chǔ)層。閃存將用作讀緩存/寫緩沖區(qū)，從而提高性能；磁盤用于提供數(shù)據(jù)持久性存儲(chǔ)。另外，Virtual SAN還可部署為全閃存存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)，其中，閃存僅以智能方式用作寫緩存，而SSD則用于提供具有較高耐久性的數(shù)據(jù)持久性存儲(chǔ)[9]。

VMware vSphere Virtual Volumes，通過將軟件定義的存儲(chǔ)模式延展到現(xiàn)有存儲(chǔ)投資上，IT經(jīng)理能夠體驗(yàn)到在整個(gè)數(shù)據(jù)中心內(nèi)部署靈活的存儲(chǔ)基礎(chǔ)架構(gòu)的各種優(yōu)勢(shì)。vSphere Virtual Volumes是VMware提供的集成框架，用于將現(xiàn)有SAN和NAS系統(tǒng)抽象化和池化為虛擬數(shù)據(jù)層。Virtual Volumes定義了一種獨(dú)立于底層物理存儲(chǔ)表示形式（LUN、文件系統(tǒng)、對(duì)象等）的全新虛擬磁盤容器（虛擬卷）。借助Virtual Volumes，虛擬磁盤可成為陣列級(jí)別數(shù)據(jù)管理的主要單元。這會(huì)將虛擬數(shù)據(jù)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換為以虛擬機(jī)為中心的容量池，它支持由特定于應(yīng)用的要求來推動(dòng)存儲(chǔ)調(diào)配決策的制定，并能利用現(xiàn)有存儲(chǔ)陣列提供的各項(xiàng)功能。借助Virtual Volumes，IT經(jīng)理能夠繼續(xù)從當(dāng)前的存儲(chǔ)系統(tǒng)中獲得好處，同時(shí)還可采用軟件定義的存儲(chǔ)這一全新的運(yùn)維模式。

基于存儲(chǔ)策略的管理，Virtual Volumes和Virtual SAN均依靠VMware基于存儲(chǔ)策略的管理（SPBM）運(yùn)維模式[10，11]。SPBM是一種通用的存儲(chǔ)策略框架，可跨Virtual SAN控制并自動(dòng)執(zhí)行以虛擬機(jī)為中心的存儲(chǔ)策略，并通過Virtual Volumes管理外部存儲(chǔ)。

SPBM采用與虛擬機(jī)相關(guān)的邏輯模板（策略）形式捕獲存儲(chǔ)服務(wù)級(jí)別的要求（容量、性能和可用性等）。

SPBM能夠通過確定符合策略要求的可用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)來自動(dòng)放置虛擬機(jī)，并支持虛擬化管理程序以動(dòng)態(tài)方式對(duì)所需的數(shù)據(jù)服務(wù)進(jìn)行實(shí)例化。通過實(shí)施策略，SPBM還能夠在虛擬機(jī)的整個(gè)生命周期內(nèi)自動(dòng)監(jiān)控服務(wù)級(jí)別和合規(guī)狀態(tài)。當(dāng)應(yīng)用的存儲(chǔ)要求發(fā)生變化時(shí)，策略會(huì)隨之更新，并且這些更改會(huì)立即自動(dòng)部署[12]。

5 結(jié)論（Conclusion）

軟件定義的存儲(chǔ)提供了高速、敏捷、經(jīng)濟(jì)有效的存儲(chǔ)解決方案。軟件定義的存儲(chǔ)，是將存儲(chǔ)的演變服務(wù)器虛擬化得到了廣泛的采用，但提供支持的存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)卻未能保持同樣的步調(diào)。這是因?yàn)榉?wù)器虛擬化對(duì)存儲(chǔ)提出了新的要求，也就是提高了對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)的要求，即能夠應(yīng)對(duì)虛擬化應(yīng)用和新型工作負(fù)載（如VDI）的I/O極其缺乏規(guī)則且始終處于峰值的狀況。

目前，在虛擬化領(lǐng)域內(nèi)，存儲(chǔ)基礎(chǔ)架構(gòu)面臨的壓力與日俱增，要從容應(yīng)對(duì)這種壓力，我們有必要采用一種全新的存儲(chǔ)方法是軟件定義的存儲(chǔ)，它可實(shí)現(xiàn)從根本上解決虛擬化帶來對(duì)存儲(chǔ)最根本的挑戰(zhàn)。借助軟件定義的存儲(chǔ)，可以提供當(dāng)下的虛擬環(huán)境需要的敏捷性、高速度，以及經(jīng)濟(jì)高效的存儲(chǔ)解決方案。

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作者簡(jiǎn)介：

袁 瑛（1977-），女，碩士，講師.研究領(lǐng)域：軟件工程，數(shù)據(jù)分析與處理，信息系統(tǒng).

沈 平（1974-），男，碩士，副教授.研究領(lǐng)域：網(wǎng)絡(luò)安全，數(shù)據(jù)挖掘.