云計(jì)算中的存儲(chǔ)虛擬化技術(shù)應(yīng)用

顧景民　李芳

【摘要】介紹了云計(jì)算存儲(chǔ)虛擬化的概念和技術(shù)原理，對(duì)常見的存儲(chǔ)虛擬化技術(shù)分類進(jìn)行技術(shù)分析及常見應(yīng)用場(chǎng)景，為企業(yè)云計(jì)算選擇存儲(chǔ)虛擬化方式提供幫助。

【關(guān)鍵詞】云計(jì)算；存儲(chǔ)虛擬化；異構(gòu)存儲(chǔ)

1云計(jì)算與虛擬化技術(shù)

企業(yè)在早期建立一套信息化業(yè)務(wù)系統(tǒng)時(shí)不僅需要采購(gòu)軟件系統(tǒng)，而且還需要采購(gòu)支撐系統(tǒng)運(yùn)行的服務(wù)器、存儲(chǔ)等硬件設(shè)施，投入大量人力運(yùn)維保證軟硬件系統(tǒng)正常運(yùn)行。隨著企業(yè)的發(fā)展，會(huì)陸續(xù)開發(fā)建設(shè)各種信息化系統(tǒng)，這些信息化系統(tǒng)支撐著企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)、安全管理、決策分析，由于這些系統(tǒng)建設(shè)時(shí)間不一致，采用的技術(shù)和基礎(chǔ)架構(gòu)也不統(tǒng)一，這種傳統(tǒng)的信息化架構(gòu)已不能滿足企業(yè)快速發(fā)展的業(yè)務(wù)需求，云計(jì)算技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。云計(jì)算（cloud computing）是一種將企業(yè)IT基礎(chǔ)架構(gòu)作為一種可計(jì)量的服務(wù)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(chǔ)資源服務(wù)，企業(yè)可統(tǒng)一將IT基礎(chǔ)資源創(chuàng)建可配置的計(jì)算資源共享池（包括服務(wù)器計(jì)算與內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)、基礎(chǔ)操作平臺(tái)、中間件服務(wù)、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)），根據(jù)用戶需求提供定制化服務(wù)。在云計(jì)算架構(gòu)下由于IT基礎(chǔ)資源和平臺(tái)進(jìn)行了統(tǒng)一化管理，企業(yè)只需投入少量高素質(zhì)的技術(shù)人員保證云計(jì)算資源的穩(wěn)定運(yùn)行。云計(jì)算的基礎(chǔ)是虛擬化技術(shù)，它的思想是將一臺(tái)服務(wù)器虛擬為多臺(tái)邏輯服務(wù)器，在一臺(tái)物理服務(wù)器上同時(shí)運(yùn)行多個(gè)邏輯虛擬服務(wù)器，每個(gè)邏輯服務(wù)器可運(yùn)行不同的操作系統(tǒng)，并且應(yīng)用程序都可以在相互獨(dú)立的空間內(nèi)運(yùn)行而互不影響，從而提高物理服務(wù)器的利用率。云計(jì)算通過虛擬化技術(shù)進(jìn)行了三個(gè)方面的虛擬化：計(jì)算單位虛擬化、存儲(chǔ)虛擬化和網(wǎng)絡(luò)虛擬化。虛擬化計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源是相互獨(dú)立的，兩者通過虛擬化網(wǎng)絡(luò)資源連接起來。不論是虛擬化計(jì)算資源還是存儲(chǔ)資源，都會(huì)被配置到一個(gè)虛擬化網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)虛擬化網(wǎng)絡(luò)又包含多個(gè)虛擬化計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源。

2傳統(tǒng)存儲(chǔ)模式分類及面臨的問題

在IT基礎(chǔ)架構(gòu)中，傳統(tǒng)的存儲(chǔ)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(chǔ)）是將存儲(chǔ)介質(zhì)（硬盤）通過SCSI接口或光纖接口直連到一臺(tái)服務(wù)器設(shè)備上，這些存儲(chǔ)介質(zhì)由服務(wù)器SCSI控制器管理后向服務(wù)器提供統(tǒng)一的存儲(chǔ)空間，一般情況下這個(gè)存儲(chǔ)空間只能由這一臺(tái)服務(wù)器獨(dú)立使用；NAS模式（Network Attached Storage—網(wǎng)絡(luò)連接存儲(chǔ)）是由若干存儲(chǔ)介質(zhì)通過SCSI接口連接在一起內(nèi)嵌存儲(chǔ)管理操作系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理，NAS存儲(chǔ)實(shí)質(zhì)是一臺(tái)專用存儲(chǔ)服務(wù)器，能夠通過多種協(xié)議（NFS、CIFS、FTP、HTTP）為各種操作系統(tǒng)提供存儲(chǔ)空間；SAN模式（Storage Area Network—存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)）是獨(dú)立于服務(wù)器TCP/IP網(wǎng)絡(luò)之外的存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，采用網(wǎng)狀FC光纖通道技術(shù)建立專用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，以LUN邏輯單元的方式通過FC交換機(jī)將存儲(chǔ)空間提供給服務(wù)器主機(jī)使用。

SAN由于其高性能、高速率、與業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)無關(guān)性等獨(dú)有特性，在企業(yè)應(yīng)用中SAN存儲(chǔ)架構(gòu)是應(yīng)用最為廣泛的存儲(chǔ)提供模式，隨著SAN技術(shù)的發(fā)展，SAN存儲(chǔ)也細(xì)分為FC-SAN、IP-SAN等，傳輸速率也從2GB發(fā)展到16GB，但每個(gè)廠家的SAN存儲(chǔ)技術(shù)并不一致沒有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，所以企業(yè)在存儲(chǔ)管理方面也面臨著更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)：

1）存儲(chǔ)設(shè)備來自不同供應(yīng)商，缺少統(tǒng)一的管理平臺(tái)，如何能實(shí)現(xiàn)對(duì)異構(gòu)存儲(chǔ)環(huán)境的整合、管理；

2）如何進(jìn)一步提高存儲(chǔ)設(shè)備的使用效率從而充分利用存儲(chǔ)資源；

3）如何實(shí)現(xiàn)不同供應(yīng)商存儲(chǔ)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享、存儲(chǔ)復(fù)制，通過統(tǒng)一的途徑提供存儲(chǔ)服務(wù)。

３存儲(chǔ)虛擬化技術(shù)

在云計(jì)算時(shí)代，服務(wù)器的計(jì)算資源、內(nèi)存資源、以及網(wǎng)絡(luò)資源都已經(jīng)進(jìn)行了虛擬化，傳統(tǒng)的存儲(chǔ)框架已經(jīng)不再能夠適應(yīng)云計(jì)算時(shí)代出現(xiàn)的各種新的需求，存儲(chǔ)設(shè)備也面臨著一場(chǎng)虛擬化的革命。存儲(chǔ)虛擬化(Storage Virtualization)是通過采用軟件方式對(duì)存儲(chǔ)硬件資源進(jìn)行抽象化表現(xiàn)，將一個(gè)或多個(gè)存儲(chǔ)目標(biāo)設(shè)備的服務(wù)或功能與其它附加的功能進(jìn)行集成，通過抽象層統(tǒng)一對(duì)使用者提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)。它的設(shè)計(jì)思想是通過一種存儲(chǔ)虛擬化軟件對(duì)下層物理存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理，無論物理存儲(chǔ)是哪家生產(chǎn)的，服務(wù)器及應(yīng)用系統(tǒng)看到的都是存儲(chǔ)虛擬化系統(tǒng)提供的邏輯映射，即使物理存儲(chǔ)發(fā)生變化，這種邏輯映射也不會(huì)改變，對(duì)于使用者來說，存儲(chǔ)變得透明，所有設(shè)備將被統(tǒng)一化管理。存儲(chǔ)虛擬化屏蔽了物理存儲(chǔ)系統(tǒng)的復(fù)雜性，增加或集成新的功能，仿真、整合或分解現(xiàn)有的服務(wù)功能等，目前存儲(chǔ)虛擬化技術(shù)隨著云計(jì)算的到來在企業(yè)數(shù)據(jù)中心有了一定規(guī)模的應(yīng)用。

圖1存儲(chǔ)虛擬化原理

存儲(chǔ)虛擬化技術(shù)按照實(shí)現(xiàn)的原理可以分為基于主機(jī)的存儲(chǔ)虛擬化、基于存儲(chǔ)設(shè)備的存儲(chǔ)虛擬化、基于網(wǎng)絡(luò)的存儲(chǔ)虛擬化三種。

1）基于主機(jī)的存儲(chǔ)虛擬化系統(tǒng)

基于主機(jī)的存儲(chǔ)虛擬化系統(tǒng)在服務(wù)器主機(jī)操作系統(tǒng)中安裝存儲(chǔ)虛擬化管理軟件，使服務(wù)器的存儲(chǔ)空間可以跨越多個(gè)異構(gòu)的磁盤陣列，常用于在不同磁盤陣列之間做數(shù)據(jù)鏡像保護(hù)，該方式一般由服務(wù)器操作系統(tǒng)中的邏輯卷管理器（LVM）軟件完成，不同操作系統(tǒng)的邏輯卷管理器軟件也不相同。實(shí)現(xiàn)原理是在服務(wù)器操作系統(tǒng)的一個(gè)卷組(VG)中放入來自于不同存儲(chǔ)設(shè)備的兩個(gè)LUN，一個(gè)卷組中的兩個(gè)物理LUN之間進(jìn)行數(shù)據(jù)鏡像。

圖2基于主機(jī)的存儲(chǔ)虛擬化

基于主機(jī)的存儲(chǔ)虛擬化系統(tǒng)因?yàn)椴恍枰魏胃郊佑布@種存儲(chǔ)虛擬化是最容易實(shí)現(xiàn)、設(shè)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(jī)和小型SAN結(jié)構(gòu)中有著良好的負(fù)載平衡機(jī)制。由于需要在主機(jī)操作系統(tǒng)中安裝存儲(chǔ)虛擬化軟件會(huì)給操作系統(tǒng)帶來一定的開銷，占用主機(jī)CPU的處理時(shí)間，這種方案的可擴(kuò)充性較差，實(shí)際運(yùn)行的性能不是很好，有可能影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性問題，導(dǎo)致不經(jīng)意間越權(quán)訪問到受保護(hù)的數(shù)據(jù)?；谥鳈C(jī)的存儲(chǔ)虛擬化是一種小規(guī)模少量服務(wù)器存儲(chǔ)虛擬化性價(jià)比不錯(cuò)的方法，目前AIX、HPUX、SOLARIS及LINUX等操作系統(tǒng)的LVM均可以支持這種存儲(chǔ)虛擬化方式。

2）基于存儲(chǔ)設(shè)備的存儲(chǔ)虛擬化

基于存儲(chǔ)設(shè)備的存儲(chǔ)虛擬化系統(tǒng)主要是在企業(yè)級(jí)存儲(chǔ)陣列的控制器主機(jī)上增加資源虛擬化功能模塊，使存儲(chǔ)陣列具有將除自身存儲(chǔ)空間以外的其它物理存儲(chǔ)資源進(jìn)行虛擬化管理的功能，近年來，各存儲(chǔ)廠商均將這種形式的虛擬化技術(shù)應(yīng)用到各自的企業(yè)級(jí)存儲(chǔ)控制器之中，形成了基于存儲(chǔ)設(shè)備控制器的存儲(chǔ)虛擬化應(yīng)用平臺(tái)。

圖3基于存儲(chǔ)設(shè)備的存儲(chǔ)虛擬化

這種基于存儲(chǔ)陣列的控制器允許其它異構(gòu)品牌的異構(gòu)存儲(chǔ)陣列直接與自身的控制器進(jìn)行連接，在具有虛擬化功能的存儲(chǔ)控制器中出現(xiàn)了設(shè)備自身的內(nèi)部存儲(chǔ)介質(zhì)和在其基礎(chǔ)之上的外部異構(gòu)設(shè)備的存儲(chǔ)介質(zhì)兩種資源，并且可以按內(nèi)部存儲(chǔ)介質(zhì)的相同的方式進(jìn)行管理。基于存儲(chǔ)設(shè)備的存儲(chǔ)虛擬化系統(tǒng)將內(nèi)部存儲(chǔ)資源和外部存儲(chǔ)資源進(jìn)行統(tǒng)一池化管理，由虛擬化系統(tǒng)統(tǒng)一向外提供LUN映射，不再需要原存儲(chǔ)系統(tǒng)對(duì)存儲(chǔ)資源進(jìn)行管理，減少了異構(gòu)存儲(chǔ)管理的難度，大大降低了存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性。通過存儲(chǔ)設(shè)備控制器上的虛擬化管理系統(tǒng)可以在存儲(chǔ)系統(tǒng)不停機(jī)的情況下，可以實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)資源從一個(gè)池遷移到另一個(gè)池，并可在不相似和相似存儲(chǔ)設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)復(fù)制，并且可以通過分區(qū)技術(shù)，將端口、緩存和磁盤池等資源分配給特定的負(fù)載，以保證服務(wù)質(zhì)量和安全性，通過存儲(chǔ)控制器之間的群集功能，增加存儲(chǔ)單元和控制器之間的冗余鏈路連接，保證在某一個(gè)存儲(chǔ)或控制器出現(xiàn)故障的情況下，最大程度的保證系統(tǒng)的安全和數(shù)據(jù)的可用性。由于異構(gòu)存儲(chǔ)設(shè)備通過統(tǒng)一的存儲(chǔ)虛擬化設(shè)備控制器對(duì)外提供LUN映射服務(wù)，這種統(tǒng)一服務(wù)的效率會(huì)受到存儲(chǔ)控制器性能的限制。這種存儲(chǔ)虛擬化模式適用于中型企業(yè)數(shù)據(jù)中心通過采購(gòu)新型具有虛擬化功能的存儲(chǔ)設(shè)備來統(tǒng)一池化管理企業(yè)異構(gòu)存儲(chǔ)，目前EMC、HITACHI、HP、IBM等廠商均有虛擬化存儲(chǔ)設(shè)備供用戶選擇。

3）基于網(wǎng)絡(luò)的存儲(chǔ)虛擬化

隨著NAS和SAN存儲(chǔ)架構(gòu)的出現(xiàn)，存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)了存儲(chǔ)介質(zhì)、存儲(chǔ)控制器和服務(wù)器的分離，服務(wù)器和存儲(chǔ)控制器之間通過網(wǎng)絡(luò)（TCP/IP或FC）進(jìn)行連接，使用得服務(wù)器可以靈活高效的使用共享存儲(chǔ)資源，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)也成為最佳做存儲(chǔ)虛擬化的位置，近年來各家存儲(chǔ)廠商都研發(fā)了各自的基于網(wǎng)絡(luò)的存儲(chǔ)虛擬化設(shè)備。

圖4基于網(wǎng)絡(luò)的存儲(chǔ)虛擬化

基于網(wǎng)絡(luò)的存儲(chǔ)虛擬化是在網(wǎng)絡(luò)層嵌入存儲(chǔ)資源智能管理設(shè)備，抽象化服務(wù)器與存儲(chǔ)陣列之間的物理存儲(chǔ)資源，將各廠家的異構(gòu)存儲(chǔ)陣列通過FC接口連接到存儲(chǔ)層 SAN交換機(jī)，匯總后連接到存儲(chǔ)虛擬化設(shè)備（帶內(nèi)存儲(chǔ)虛擬化方式），所有LUN映射和I/O請(qǐng)求連同數(shù)據(jù)一起通過存儲(chǔ)虛擬化設(shè)備傳送給服務(wù)器，服務(wù)器只能看到由存儲(chǔ)虛擬化設(shè)備提供的LUN而不直接與存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行交互。存儲(chǔ)虛擬化設(shè)備負(fù)責(zé)分析請(qǐng)求、查閱LUN映射表，并依次執(zhí)行存儲(chǔ)設(shè)備 I/O。存儲(chǔ)虛擬化設(shè)備不僅可以轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)請(qǐng)求，還能利用自己內(nèi)存對(duì)I/O數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，提供數(shù)據(jù)使用量指標(biāo)、管理數(shù)據(jù)復(fù)制服務(wù)、協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)遷移服務(wù)?；诰W(wǎng)絡(luò)的存儲(chǔ)虛擬化可以提供統(tǒng)一的異構(gòu)存儲(chǔ)管理接口、支持異構(gòu)存儲(chǔ)間的同步數(shù)據(jù)復(fù)制和遠(yuǎn)程異步數(shù)據(jù)復(fù)制、采用帶內(nèi)管理方式還可以提升存儲(chǔ)性能，方便的進(jìn)行橫向擴(kuò)展；但這種方式比其它兩種存儲(chǔ)虛擬化實(shí)施起來復(fù)雜很多，它需要中斷服務(wù)器所有至存儲(chǔ)設(shè)備的LUN映射重新進(jìn)行到存儲(chǔ)虛擬化設(shè)備的LUN映射；實(shí)現(xiàn)完成以后所有加入的存儲(chǔ)設(shè)備不能進(jìn)行去虛擬化操作，因?yàn)榇鎯?chǔ)LUN的所有元數(shù)據(jù)都保存在存儲(chǔ)虛擬化設(shè)備上。這種存儲(chǔ)虛擬化模式由于加入了獨(dú)立的存儲(chǔ)虛擬化管理設(shè)備，提供了其它兩種存儲(chǔ)虛擬化模式不具有的多種新功能，不僅可以實(shí)現(xiàn)本地異構(gòu)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)復(fù)制，而且可以提供具有容災(zāi)功能的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)復(fù)制，是大型企業(yè)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行存儲(chǔ)虛擬化和容災(zāi)建設(shè)的一種高性價(jià)比的解決方案，目前IBM、EMC和FalconStor等供應(yīng)商均可提供基于網(wǎng)絡(luò)的存儲(chǔ)虛擬化解決方案。

４總結(jié)

企業(yè)在實(shí)施云計(jì)算的過程中，虛擬化軟件平臺(tái)可以十分方便的完成CPU、內(nèi)存和網(wǎng)絡(luò)的虛擬化，作為保存著企業(yè)核心數(shù)據(jù)的磁盤存儲(chǔ)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(chǔ)技術(shù)的發(fā)展，而且還受到經(jīng)濟(jì)性、數(shù)據(jù)安全性、業(yè)務(wù)穩(wěn)定性等諸多因素的影響，在大部分企業(yè)的云數(shù)據(jù)中心中存儲(chǔ)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(nèi)核技術(shù)將服務(wù)器本地DAS存儲(chǔ)模擬為SAN橫向提供服務(wù)。相信隨著云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展存儲(chǔ)資源也必將向計(jì)算資源一樣可以方便靈活提供的提供云化服務(wù)。

【參考文獻(xiàn)】

［１］朱光磊.云存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用趨勢(shì)探析[J].電腦知識(shí)與技術(shù),2011,102(28):108-112.

［２］舒繼武.存儲(chǔ)虛擬化[J].中國(guó)教育網(wǎng)絡(luò),2007(4):67-70.

［３］謝長(zhǎng)生,金偉.計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究[J].2004,21(4):191-193.