淺談存儲(chǔ)虛擬化技術(shù)及應(yīng)用

未培,莊彥

（1.安徽工商職業(yè)學(xué)院,安徽合肥230041；2.合肥工業(yè)大學(xué),安徽合肥230002）

隨著各行業(yè)網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化水平的不斷提高,基于信息存儲(chǔ)的業(yè)務(wù)呈現(xiàn)幾何倍數(shù)的增加,同時(shí)產(chǎn)生的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量也呈現(xiàn)驚人的爆炸式增長(zhǎng).這些海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、管理和利用無疑給我們提出了亟待解決的難題.隨著存儲(chǔ)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善,存儲(chǔ)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)已成為解決海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、管理和高效利用的主流平臺(tái).同時(shí),各種應(yīng)用對(duì)平臺(tái)所能提供的存儲(chǔ)容量、數(shù)據(jù)傳輸性能、數(shù)據(jù)訪問性能、數(shù)據(jù)管理能力、存儲(chǔ)擴(kuò)展能力等諸多方面性能也提出了越來越高的要求,甚至應(yīng)用系統(tǒng)的性能直接取決于存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的性能.為了提高存儲(chǔ)環(huán)境,提高整體性能和可用性,存儲(chǔ)虛擬化技術(shù)正越來越受到各行業(yè)的關(guān)注,采用存儲(chǔ)虛擬化技術(shù)的產(chǎn)品也不斷地被各行業(yè)所應(yīng)用.

1 存儲(chǔ)虛擬化的類型

存儲(chǔ)虛擬化就是指通過對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)或存儲(chǔ)服務(wù)的內(nèi)部功能進(jìn)行抽象、隱藏或隔離,使對(duì)存儲(chǔ)或數(shù)據(jù)的管理與對(duì)應(yīng)用、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)資源的管理分離,從而實(shí)現(xiàn)應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)立管理[1].是通過某種技術(shù)將多個(gè)或多種存儲(chǔ)設(shè)備統(tǒng)一起來,形成一個(gè)有機(jī)整體,使之相對(duì)于應(yīng)用系統(tǒng)透明,并為應(yīng)用系統(tǒng)提供大容量、高數(shù)據(jù)訪問和高傳輸性能的存儲(chǔ)系統(tǒng),以協(xié)調(diào)的方式在其支持的應(yīng)用之間實(shí)現(xiàn)更有效的共享.

存儲(chǔ)虛擬化幾乎可以部署在存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的任何位置,從操作系統(tǒng)設(shè)備文件,直至主機(jī)總線適配器、存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)陣列.目前有較為成熟產(chǎn)品的存儲(chǔ)虛擬化技術(shù)大體上可歸納為3類,包括基于主機(jī)的存儲(chǔ)虛擬化、基于存儲(chǔ)設(shè)備的存儲(chǔ)虛擬化以及基于網(wǎng)絡(luò)的存儲(chǔ)虛擬化[2].

1.1 基于主機(jī)的存儲(chǔ)虛擬化

基于主機(jī)的存儲(chǔ)虛擬化是一種通過特定軟件實(shí)現(xiàn)多個(gè)異構(gòu)磁盤陣列的統(tǒng)一管理,并向操作系統(tǒng)呈現(xiàn)統(tǒng)一的邏輯虛擬存儲(chǔ)空間的一種技術(shù),其不需要借助特殊的硬件即可實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)虛擬化的控制和管理.該種技術(shù)又被稱為基于服務(wù)器的虛擬化[3].其代表產(chǎn)品為SymantecVeritas VolumeManager.

基于主機(jī)的存儲(chǔ)虛擬化不需要任何附加硬件,通常由主機(jī)操作系統(tǒng)下的邏輯卷管理軟件來實(shí)現(xiàn),能夠支持異構(gòu)的存儲(chǔ)設(shè)備,最容易實(shí)現(xiàn),其設(shè)備成本最低.但是其缺點(diǎn)也是很明顯的：其一,由于主機(jī)額外需要運(yùn)行虛擬化軟件,占用了主機(jī)大量的處理時(shí)間,導(dǎo)致其實(shí)際運(yùn)行的性能受到較大的影響[4]；其二,由于主機(jī)在整個(gè)系統(tǒng)中的重要地位,一旦主機(jī)出現(xiàn)故障可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)SAN（Storage Area Network）[5]系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的完整性受到破壞；其三,由于不同存儲(chǔ)廠商軟硬件的差異還可能帶來不必要的互操作性開銷,使得這種方法的靈活性較差.用這種方式構(gòu)建的虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng),其主機(jī)端是一性能瓶頸,不大適合多媒體處理業(yè)務(wù),在廣電行業(yè)中已很少采用.

1.2 基于存儲(chǔ)設(shè)備的存儲(chǔ)虛擬化

基于存儲(chǔ)設(shè)備的虛擬化技術(shù)是用于解決多個(gè)異構(gòu)主機(jī)訪問同一個(gè)磁盤陳列的虛擬化技術(shù).該虛擬化的工作是在磁盤陣列控制器上完成,通過內(nèi)建虛擬化軟件的磁盤陣列控制器技術(shù),將一個(gè)陣列上的存儲(chǔ)容量劃分為多個(gè)存儲(chǔ)空間（LUN）,以便供不同的主機(jī)訪問[1].這種在存儲(chǔ)設(shè)備控制器中實(shí)現(xiàn)的虛擬化技術(shù)又被稱為存儲(chǔ)控制器的虛擬化.這類產(chǎn)品本身就是完整的磁盤陣列,但控制器兼有虛擬化功能,可管理異質(zhì)存儲(chǔ)設(shè)備[6].其代表產(chǎn)品為H3C IX/EX系列、HP EVA.

基于存儲(chǔ)設(shè)備的虛擬化,虛擬化功能集成在存儲(chǔ)設(shè)備上,不依賴于某個(gè)特定主機(jī),能夠支持異構(gòu)的主機(jī)系統(tǒng),使得存儲(chǔ)對(duì)于用戶和管理人員都是透明的,易于管理.但是該種方式需解決不同廠家的存儲(chǔ)設(shè)備存在的不兼容性問題,如果無法很好地兼容各種廠商的存儲(chǔ)設(shè)備,那么基于存儲(chǔ)設(shè)備提供的存儲(chǔ)虛擬化解決方案將是不完全的,有缺憾的[7].

1.3 基于網(wǎng)絡(luò)的存儲(chǔ)虛擬化

基于網(wǎng)絡(luò)的存儲(chǔ)虛擬化能夠解決當(dāng)有多個(gè)異構(gòu)主機(jī)需要訪問多個(gè)異構(gòu)存儲(chǔ)設(shè)備的問題[8].作為當(dāng)前主流的存儲(chǔ)虛擬化技術(shù)[9],其虛擬化工作在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上實(shí)現(xiàn),虛擬化軟件可以安裝在SAN上的某些智能交換器上,也可以安裝在SAN上專門連接的一臺(tái)應(yīng)用服務(wù)器上.該技術(shù)由智能交換器或?qū)ｉT的應(yīng)用服務(wù)器提供存儲(chǔ)虛擬化服務(wù).還可由交換器或服務(wù)器監(jiān)控并記錄SAN的存儲(chǔ)動(dòng)作,并為SAN上的數(shù)據(jù)流與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)位置產(chǎn)生元數(shù)據(jù)[7].其代表產(chǎn)品為IBMSVC、HP SVS200.

存儲(chǔ)虛擬化的實(shí)施既不在主機(jī)端,也不在存儲(chǔ)設(shè)備端,可支持異構(gòu)主機(jī)和異構(gòu)存儲(chǔ)設(shè)備,具有較高的開放性和可擴(kuò)展性.雖然目前的產(chǎn)品成熟度不是很高,但是相對(duì)于前兩種類型,這種類型具有更好的發(fā)展前景.

2 存儲(chǔ)虛擬化的實(shí)現(xiàn)方式

存儲(chǔ)虛擬化實(shí)現(xiàn)的核心就是虛擬化引擎的設(shè)計(jì),可通過軟件或硬件的方式實(shí)現(xiàn).為了保證通過存儲(chǔ)虛擬化后,網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)系統(tǒng)可以同時(shí)支持IP SAN、FC SAN、NAS等多種存儲(chǔ)訪問協(xié)議,虛擬化引擎內(nèi)置了多協(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換引擎,將來自前端應(yīng)用服務(wù)器的多種主機(jī)數(shù)據(jù)訪問單元與后端存儲(chǔ)陣列的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)訪問單元進(jìn)行解析和轉(zhuǎn)換,保證數(shù)據(jù)的正確讀寫訪問.

按照實(shí)現(xiàn)虛擬的過程是否與正常的數(shù)據(jù)讀寫過程同時(shí)進(jìn)行,虛擬化又分為“帶內(nèi)”和“帶外”兩種機(jī)制.

帶內(nèi)虛擬技術(shù)虛擬和數(shù)據(jù)讀寫同時(shí)進(jìn)行,其在數(shù)據(jù)讀寫的過程中,在主機(jī)到存儲(chǔ)設(shè)備的路徑上實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)虛擬化,也被稱為“同步虛擬”,其架構(gòu)如圖1所示.

圖1 帶內(nèi)虛擬化

帶內(nèi)虛擬化引擎位于主機(jī)和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通道上,可部署在主機(jī)、存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)或存儲(chǔ)設(shè)備等位置上.因?yàn)槲挥跀?shù)據(jù)讀寫的關(guān)鍵路徑上,當(dāng)數(shù)據(jù)訪問量異常大時(shí)會(huì)成為瓶頸,虛擬化設(shè)備發(fā)生故障時(shí),整個(gè)系統(tǒng)也將中斷.

帶外虛擬化技術(shù)的虛擬工作實(shí)現(xiàn)在數(shù)據(jù)讀寫之前,也就是說其實(shí)現(xiàn)虛擬的部分在主機(jī)到存儲(chǔ)設(shè)備的訪問路徑之外,也被稱為“異步虛擬”.其架構(gòu)如圖2所示.

圖2 帶外虛擬化

采用帶外虛擬化存儲(chǔ)時(shí),存儲(chǔ)的配置和控制信息由虛擬化引擎負(fù)責(zé)完成,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理功能對(duì)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)是透明的,其引擎位置處于主機(jī)和存儲(chǔ)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通道之外,并通過某種網(wǎng)絡(luò)連接方式與主機(jī)系統(tǒng)通信.該種方式要求獲取數(shù)據(jù)的主機(jī)服務(wù)器都必須安裝客戶端軟件或主機(jī)適配卡.當(dāng)主機(jī)層需要訪問存儲(chǔ)時(shí),首先由客戶端軟件向引擎發(fā)出請(qǐng)求,引擎根據(jù)請(qǐng)求返回相關(guān)存儲(chǔ)列表信息,比如邏輯卷結(jié)構(gòu)、屬性、邏輯卷與物理塊之間的映射等信息,然后,主機(jī)客戶端軟件根據(jù)相應(yīng)信息實(shí)現(xiàn)SAN尋址,完成對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的讀取[8].

由于虛擬化模塊位于主機(jī)和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通道之外,通過某種網(wǎng)絡(luò)連接方式與主機(jī)系統(tǒng)通信,因此能夠提供很好的訪問性能,并且無需對(duì)現(xiàn)存的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行改變,相比帶內(nèi)方式,這種方式的系統(tǒng)可擴(kuò)展性很強(qiáng),但數(shù)據(jù)的安全性難以控制,此外,實(shí)施難度大于帶內(nèi)模式.

從帶內(nèi)虛擬和帶外虛擬的實(shí)現(xiàn)方式可以看出,帶內(nèi)虛擬技術(shù)的類型可以是基于主機(jī)的存儲(chǔ)虛擬化,也可能是基于存儲(chǔ)設(shè)備的存儲(chǔ)虛擬化；而帶外虛擬技術(shù)的類型只能是基于存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的,這也是主流的存儲(chǔ)虛擬化技術(shù)[9].

3 存儲(chǔ)虛擬化的應(yīng)用

通過帶內(nèi)或者帶外的存儲(chǔ)虛擬化技術(shù),目前已實(shí)現(xiàn)在主機(jī)端、存儲(chǔ)設(shè)備或者網(wǎng)絡(luò)中將諸如磁帶、磁盤、數(shù)據(jù)塊、文件、文件系統(tǒng)等存儲(chǔ)資源虛擬成虛擬磁帶、虛擬磁盤、虛擬數(shù)據(jù)塊、虛擬文件、虛擬文件系統(tǒng)等.

從發(fā)展趨勢(shì)看,基于主機(jī)和基于存儲(chǔ)設(shè)備的存儲(chǔ)虛擬化相對(duì)于基于網(wǎng)絡(luò)的存儲(chǔ)虛擬化來說,技術(shù)層面已經(jīng)進(jìn)入成熟期,且價(jià)格相對(duì)來說較低,因此,其仍然具有較大的市場(chǎng)應(yīng)用范圍.而基于網(wǎng)絡(luò)的存儲(chǔ)虛擬化由于其對(duì)異構(gòu)主機(jī)和異構(gòu)存儲(chǔ)設(shè)備的支持,具有較高的開放性和可擴(kuò)展性等特點(diǎn),其未來的應(yīng)用空間巨大.

存儲(chǔ)虛擬化已經(jīng)不再是一個(gè)概念,而是一項(xiàng)較為成熟的、可實(shí)施的技術(shù).盡管虛擬存儲(chǔ)技術(shù)在應(yīng)用和推廣中仍存在著一些問題,比如目前還沒有一個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),但是其作為共享存儲(chǔ)管理的主流技術(shù)已在很多領(lǐng)域得到了大量的運(yùn)用,可以預(yù)見,在不久的將來,它必將在海量數(shù)據(jù)處理行業(yè)中扮演更為重要的角色.

4 小結(jié)

存儲(chǔ)虛擬化技術(shù)因其為系統(tǒng)提供的可用性、可靠性、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn),已在海量數(shù)據(jù)處理行業(yè)中得到大量應(yīng)用,并正在成為存儲(chǔ)領(lǐng)域的核心技術(shù).同時(shí),虛擬存儲(chǔ)化技術(shù)仍然存在著一些不能忽視的問題,比如：①存儲(chǔ)虛擬化的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)問題,只有盡快制定出業(yè)界公認(rèn)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),解決各廠商及產(chǎn)品之間的互操作問題,才能推動(dòng)該技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用；②為適應(yīng)不同用戶、不同應(yīng)用環(huán)境的多樣化需求,存儲(chǔ)虛擬化技術(shù)本身還應(yīng)不斷加強(qiáng)數(shù)據(jù)備份、恢復(fù)、容災(zāi)、多重鏡像支持等方面的豐富和完善.

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