云計算中的存儲虛擬化技術應用

顧景民　李芳

【摘要】介紹了云計算存儲虛擬化的概念和技術原理，對常見的存儲虛擬化技術分類進行技術分析及常見應用場景，為企業云計算選擇存儲虛擬化方式提供幫助。

【關鍵詞】云計算；存儲虛擬化；異構存儲

1云計算與虛擬化技術

企業在早期建立一套信息化業務系統時不僅需要采購軟件系統，而且還需要采購支撐系統運行的服務器、存儲等硬件設施，投入大量人力運維保證軟硬件系統正常運行。隨著企業的發展，會陸續開發建設各種信息化系統，這些信息化系統支撐著企業的生產經營、安全管理、決策分析，由于這些系統建設時間不一致，采用的技術和基礎架構也不統一，這種傳統的信息化架構已不能滿足企業快速發展的業務需求，云計算技術應運而生。云計算（cloud computing）是一種將企業IT基礎架構作為一種可計量的服務提供給使用者的，這種模式提供快速、便捷、按需供給的IT基礎資源服務，企業可統一將IT基礎資源創建可配置的計算資源共享池（包括服務器計算與內存、網絡、存儲、基礎操作平臺、中間件服務、數據庫服務），根據用戶需求提供定制化服務。在云計算架構下由于IT基礎資源和平臺進行了統一化管理，企業只需投入少量高素質的技術人員保證云計算資源的穩定運行。云計算的基礎是虛擬化技術，它的思想是將一臺服務器虛擬為多臺邏輯服務器，在一臺物理服務器上同時運行多個邏輯虛擬服務器，每個邏輯服務器可運行不同的操作系統，并且應用程序都可以在相互獨立的空間內運行而互不影響，從而提高物理服務器的利用率。云計算通過虛擬化技術進行了三個方面的虛擬化：計算單位虛擬化、存儲虛擬化和網絡虛擬化。虛擬化計算資源和存儲資源是相互獨立的，兩者通過虛擬化網絡資源連接起來。不論是虛擬化計算資源還是存儲資源，都會被配置到一個虛擬化網絡中，每個虛擬化網絡又包含多個虛擬化計算資源和存儲資源。

2傳統存儲模式分類及面臨的問題

在IT基礎架構中，傳統的存儲模式主要由DAS、NAS、SAN三種模式存在，其中DAS模式（Direct Access Storage—直接連接存儲）是將存儲介質（硬盤）通過SCSI接口或光纖接口直連到一臺服務器設備上，這些存儲介質由服務器SCSI控制器管理后向服務器提供統一的存儲空間，一般情況下這個存儲空間只能由這一臺服務器獨立使用；NAS模式（Network Attached Storage—網絡連接存儲）是由若干存儲介質通過SCSI接口連接在一起內嵌存儲管理操作系統進行統一管理，NAS存儲實質是一臺專用存儲服務器，能夠通過多種協議（NFS、CIFS、FTP、HTTP）為各種操作系統提供存儲空間；SAN模式（Storage Area Network—存儲區域網絡）是獨立于服務器TCP/IP網絡之外的存儲網絡，采用網狀FC光纖通道技術建立專用于數據存儲的區域網絡，以LUN邏輯單元的方式通過FC交換機將存儲空間提供給服務器主機使用。

SAN由于其高性能、高速率、與業務網絡無關性等獨有特性，在企業應用中SAN存儲架構是應用最為廣泛的存儲提供模式，隨著SAN技術的發展，SAN存儲也細分為FC-SAN、IP-SAN等，傳輸速率也從2GB發展到16GB，但每個廠家的SAN存儲技術并不一致沒有形成統一的標準，所以企業在存儲管理方面也面臨著更嚴峻的挑戰：

1）存儲設備來自不同供應商，缺少統一的管理平臺，如何能實現對異構存儲環境的整合、管理；

2）如何進一步提高存儲設備的使用效率從而充分利用存儲資源；

3）如何實現不同供應商存儲系統之間的數據共享、存儲復制，通過統一的途徑提供存儲服務。

３存儲虛擬化技術

在云計算時代，服務器的計算資源、內存資源、以及網絡資源都已經進行了虛擬化，傳統的存儲框架已經不再能夠適應云計算時代出現的各種新的需求，存儲設備也面臨著一場虛擬化的革命。存儲虛擬化(Storage Virtualization)是通過采用軟件方式對存儲硬件資源進行抽象化表現，將一個或多個存儲目標設備的服務或功能與其它附加的功能進行集成，通過抽象層統一對使用者提供數據存儲服務。它的設計思想是通過一種存儲虛擬化軟件對下層物理存儲設備進行統一管理，無論物理存儲是哪家生產的，服務器及應用系統看到的都是存儲虛擬化系統提供的邏輯映射，即使物理存儲發生變化，這種邏輯映射也不會改變，對于使用者來說，存儲變得透明，所有設備將被統一化管理。存儲虛擬化屏蔽了物理存儲系統的復雜性，增加或集成新的功能，仿真、整合或分解現有的服務功能等，目前存儲虛擬化技術隨著云計算的到來在企業數據中心有了一定規模的應用。

圖1存儲虛擬化原理

存儲虛擬化技術按照實現的原理可以分為基于主機的存儲虛擬化、基于存儲設備的存儲虛擬化、基于網絡的存儲虛擬化三種。

1）基于主機的存儲虛擬化系統

基于主機的存儲虛擬化系統在服務器主機操作系統中安裝存儲虛擬化管理軟件，使服務器的存儲空間可以跨越多個異構的磁盤陣列，常用于在不同磁盤陣列之間做數據鏡像保護，該方式一般由服務器操作系統中的邏輯卷管理器（LVM）軟件完成，不同操作系統的邏輯卷管理器軟件也不相同。實現原理是在服務器操作系統的一個卷組(VG)中放入來自于不同存儲設備的兩個LUN，一個卷組中的兩個物理LUN之間進行數據鏡像。

圖2基于主機的存儲虛擬化

基于主機的存儲虛擬化系統因為不需要任何附加硬件，這種存儲虛擬化是最容易實現、設備成本最低、方案最為成熟的解決方案，部分廠商提供圖形化管理界面可以方便地用于SAN的管理和虛擬化，在主機和小型SAN結構中有著良好的負載平衡機制。由于需要在主機操作系統中安裝存儲虛擬化軟件會給操作系統帶來一定的開銷，占用主機CPU的處理時間，這種方案的可擴充性較差，實際運行的性能不是很好，有可能影響到系統的穩定性和安全性問題，導致不經意間越權訪問到受保護的數據?；谥鳈C的存儲虛擬化是一種小規模少量服務器存儲虛擬化性價比不錯的方法，目前AIX、HPUX、SOLARIS及LINUX等操作系統的LVM均可以支持這種存儲虛擬化方式。

2）基于存儲設備的存儲虛擬化

基于存儲設備的存儲虛擬化系統主要是在企業級存儲陣列的控制器主機上增加資源虛擬化功能模塊，使存儲陣列具有將除自身存儲空間以外的其它物理存儲資源進行虛擬化管理的功能，近年來，各存儲廠商均將這種形式的虛擬化技術應用到各自的企業級存儲控制器之中，形成了基于存儲設備控制器的存儲虛擬化應用平臺。

圖3基于存儲設備的存儲虛擬化

這種基于存儲陣列的控制器允許其它異構品牌的異構存儲陣列直接與自身的控制器進行連接，在具有虛擬化功能的存儲控制器中出現了設備自身的內部存儲介質和在其基礎之上的外部異構設備的存儲介質兩種資源，并且可以按內部存儲介質的相同的方式進行管理?；诖鎯υO備的存儲虛擬化系統將內部存儲資源和外部存儲資源進行統一池化管理，由虛擬化系統統一向外提供LUN映射，不再需要原存儲系統對存儲資源進行管理，減少了異構存儲管理的難度，大大降低了存儲網絡復雜性。通過存儲設備控制器上的虛擬化管理系統可以在存儲系統不停機的情況下，可以實現存儲資源從一個池遷移到另一個池，并可在不相似和相似存儲設備之間進行數據復制，并且可以通過分區技術，將端口、緩存和磁盤池等資源分配給特定的負載，以保證服務質量和安全性，通過存儲控制器之間的群集功能，增加存儲單元和控制器之間的冗余鏈路連接，保證在某一個存儲或控制器出現故障的情況下，最大程度的保證系統的安全和數據的可用性。由于異構存儲設備通過統一的存儲虛擬化設備控制器對外提供LUN映射服務，這種統一服務的效率會受到存儲控制器性能的限制。這種存儲虛擬化模式適用于中型企業數據中心通過采購新型具有虛擬化功能的存儲設備來統一池化管理企業異構存儲，目前EMC、HITACHI、HP、IBM等廠商均有虛擬化存儲設備供用戶選擇。

3）基于網絡的存儲虛擬化

隨著NAS和SAN存儲架構的出現，存儲實現了存儲介質、存儲控制器和服務器的分離，服務器和存儲控制器之間通過網絡（TCP/IP或FC）進行連接，使用得服務器可以靈活高效的使用共享存儲資源，這個網絡也成為最佳做存儲虛擬化的位置，近年來各家存儲廠商都研發了各自的基于網絡的存儲虛擬化設備。

圖4基于網絡的存儲虛擬化

基于網絡的存儲虛擬化是在網絡層嵌入存儲資源智能管理設備，抽象化服務器與存儲陣列之間的物理存儲資源，將各廠家的異構存儲陣列通過FC接口連接到存儲層 SAN交換機，匯總后連接到存儲虛擬化設備（帶內存儲虛擬化方式），所有LUN映射和I/O請求連同數據一起通過存儲虛擬化設備傳送給服務器，服務器只能看到由存儲虛擬化設備提供的LUN而不直接與存儲設備進行交互。存儲虛擬化設備負責分析請求、查閱LUN映射表，并依次執行存儲設備 I/O。存儲虛擬化設備不僅可以轉換存儲請求，還能利用自己內存對I/O數據進行緩存，提供數據使用量指標、管理數據復制服務、協調數據遷移服務?；诰W絡的存儲虛擬化可以提供統一的異構存儲管理接口、支持異構存儲間的同步數據復制和遠程異步數據復制、采用帶內管理方式還可以提升存儲性能，方便的進行橫向擴展；但這種方式比其它兩種存儲虛擬化實施起來復雜很多，它需要中斷服務器所有至存儲設備的LUN映射重新進行到存儲虛擬化設備的LUN映射；實現完成以后所有加入的存儲設備不能進行去虛擬化操作，因為存儲LUN的所有元數據都保存在存儲虛擬化設備上。這種存儲虛擬化模式由于加入了獨立的存儲虛擬化管理設備，提供了其它兩種存儲虛擬化模式不具有的多種新功能，不僅可以實現本地異構存儲的數據復制，而且可以提供具有容災功能的遠程數據復制，是大型企業數據中心進行存儲虛擬化和容災建設的一種高性價比的解決方案，目前IBM、EMC和FalconStor等供應商均可提供基于網絡的存儲虛擬化解決方案。

４總結

企業在實施云計算的過程中，虛擬化軟件平臺可以十分方便的完成CPU、內存和網絡的虛擬化，作為保存著企業核心數據的磁盤存儲陣列的虛擬化腳步走的確沒有那么輕松，它不僅受限于存儲技術的發展，而且還受到經濟性、數據安全性、業務穩定性等諸多因素的影響，在大部分企業的云數據中心中存儲虛擬化所占比率明顯較小。目前VMWARE也推出了新型的VSAN（VIRTURE SAN）解決方案，采用虛擬化內核技術將服務器本地DAS存儲模擬為SAN橫向提供服務。相信隨著云計算技術的發展存儲資源也必將向計算資源一樣可以方便靈活提供的提供云化服務。

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