虛擬化中存儲(chǔ)性能瓶頸研究

何鵬

摘 要：隨著信息技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的行業(yè)都向信息化、智能化發(fā)展，隨之而來(lái)，業(yè)務(wù)系統(tǒng)也不斷增多，那么就需要更多的服務(wù)器，更多的存儲(chǔ)空間來(lái)滿(mǎn)足業(yè)務(wù)系統(tǒng)日益增多的需求，傳統(tǒng)的增加物理服務(wù)器方式難以滿(mǎn)足日益擴(kuò)增的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)也逐漸由單一的硬盤(pán)管理向數(shù)據(jù)中心發(fā)展，虛擬化技術(shù)的誕生對(duì)IT行業(yè)產(chǎn)生了重大的影響，也對(duì)存儲(chǔ)性能提出了更高的要求，尤其是大量并發(fā)用戶(hù)在同時(shí)訪問(wèn)數(shù)據(jù)中心時(shí)，更是要求存儲(chǔ)具有較高性能，虛擬環(huán)境下面臨著各種各樣的難題，其中最主要的就是存儲(chǔ)性能瓶頸。

關(guān)鍵詞：虛擬化；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；性能瓶頸；數(shù)據(jù)中心

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

Abstract：With the development of information technology，more and more industries are developing towards information and intelligence.As a result，more servers and storage space are needed to satisfy the requirements of the increasing business systems.However，the traditional way of adding physical servers is difficult to meet the ever-increasing demand for data storage.Data storage has gradually evolved from a single hard disk management to a data center.The birth of virtualization technology has had a major impact on the IT industry，imposing higher requirements for storage performance.Especially，when a large number of concurrent users access the data center at the same time，the storage is required to have higher performance，and the virtual environment is faced with various problems，the most important of which is the storage performance bottleneck.

Keywords：virtualization；storage；performance bottleneck；data center

1 引言（Introduction）

近年來(lái)，虛擬化技術(shù)得到普遍應(yīng)用，由此也開(kāi)啟了存儲(chǔ)的任意門(mén)，面對(duì)不斷增長(zhǎng)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)和龐大的數(shù)據(jù)量，普通的單塊或多塊物理硬盤(pán)，已經(jīng)不再能滿(mǎn)足需求，由此必須不斷擴(kuò)充存儲(chǔ)空間，但同時(shí)還需要兼顧不影響業(yè)務(wù)的正常運(yùn)作，尤其是大量并發(fā)用戶(hù)在同時(shí)訪問(wèn)數(shù)據(jù)中心時(shí)，對(duì)存儲(chǔ)性能更是提出了新的挑戰(zhàn)。因此存儲(chǔ)架構(gòu)也需要隨機(jī)應(yīng)變，存儲(chǔ)虛擬化技術(shù)中，有多種架構(gòu)，每種架構(gòu)都有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但也存在一定的局限性。

本文的研究?jī)?nèi)容主要基于VMware vSphere虛擬化方式，首先簡(jiǎn)要介紹了虛擬化和存儲(chǔ)虛擬化的基本概念，研究了虛擬化中數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)方式，其次分別剖析了虛擬化技術(shù)在服務(wù)器虛擬化、桌面虛擬化，以及應(yīng)用虛擬化幾種虛擬化壞境下，遇到的存儲(chǔ)性能方面的瓶頸，最后得出結(jié)論，要想突破此性能瓶頸，必須同時(shí)滿(mǎn)足高讀、寫(xiě)IOPS，高吞吐量，低延遲，以及更快部署和簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

2 虛擬化簡(jiǎn)介（Virtualization profile）

什么是虛擬化，通俗的講，虛擬化就是將一臺(tái)物理計(jì)算機(jī)分割成多臺(tái)邏輯計(jì)算機(jī)。實(shí)質(zhì)上虛擬化是指計(jì)算機(jī)元件在虛擬的基礎(chǔ)上而不是真實(shí)的基礎(chǔ)上運(yùn)行，它是一個(gè)為了簡(jiǎn)化管理，優(yōu)化資源的解決方案[1]。CPU的虛擬化技術(shù)可以單CPU模擬多CPU并行，允許一個(gè)平臺(tái)同時(shí)運(yùn)行多個(gè)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，從而顯著提高計(jì)算機(jī)的工作效率。虛擬化技術(shù)可以擴(kuò)大硬件的容量，簡(jiǎn)化軟件的重新配置過(guò)程。計(jì)算機(jī)中，Virtualization是一種資源管理技術(shù)，是將計(jì)算機(jī)的各種實(shí)體資源，如服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)、內(nèi)存及存儲(chǔ)等，予以抽象、轉(zhuǎn)換后呈現(xiàn)出來(lái)，打破實(shí)體結(jié)構(gòu)間的不可切割的障礙，使用戶(hù)可以比原本的組態(tài)更好的方式來(lái)應(yīng)用這些資源。這些資源的新虛擬部分是不受現(xiàn)有資源的架設(shè)方式，地域或物理組態(tài)所限制。一般所指的虛擬化資源包括計(jì)算能力和資料存儲(chǔ)。

實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中，虛擬化技術(shù)主要用來(lái)解決高性能的物理硬件產(chǎn)能過(guò)剩的老的舊的硬件產(chǎn)能過(guò)低的重組重用，透明化底層物理硬件，從而最大化的利用物理硬件。

虛擬化技術(shù)中，可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)操作系統(tǒng)，而且每一個(gè)操作系統(tǒng)中都有多個(gè)程序運(yùn)行，每一個(gè)操作系統(tǒng)都運(yùn)行在一個(gè)虛擬的CPU或者是虛擬主機(jī)上。

虛擬化技術(shù)也與VMware Workstation等同樣能達(dá)到虛擬效果的軟件不同，是一個(gè)巨大的技術(shù)進(jìn)步，具體表現(xiàn)在減少軟件虛擬機(jī)相關(guān)開(kāi)銷(xiāo)和支持更廣泛的操作系統(tǒng)方面。

3 存儲(chǔ)虛擬化（Storage virtualization）

存儲(chǔ)虛擬化[2]是通過(guò)虛擬卷映射、流數(shù)據(jù)定位、數(shù)據(jù)快照、虛擬機(jī)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)異構(gòu)存儲(chǔ)設(shè)備的統(tǒng)一管理，以及存儲(chǔ)位置無(wú)關(guān)性而提出的，目的在于屏蔽存儲(chǔ)管理中的一系列復(fù)雜問(wèn)題而向用戶(hù)提供簡(jiǎn)單透明統(tǒng)一的存儲(chǔ)訪問(wèn)模式。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是對(duì)物理硬盤(pán)等存儲(chǔ)資源進(jìn)行抽象化表示，即將實(shí)體存儲(chǔ)空間（如硬盤(pán)）分隔成多個(gè)不同的邏輯存儲(chǔ)空間。具體來(lái)講，就是將可用的物理硬盤(pán)等存儲(chǔ)空間分成幾個(gè)或若干個(gè)虛擬的卷，使得這些磁盤(pán)卷不再受磁盤(pán)陣列，磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器等實(shí)際存儲(chǔ)元件的物理布局或拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的限制。通常情況下，虛擬的磁盤(pán)卷展現(xiàn)在操作系統(tǒng)面前的是一種物理磁盤(pán)的抽象，使操作系統(tǒng)像使用硬盤(pán)一樣使用。圖1就是存儲(chǔ)虛擬化示意圖。不同的應(yīng)用系統(tǒng)使用邏輯上不同的存儲(chǔ)空間（虛擬磁盤(pán)），但是實(shí)質(zhì)上都是使用的一個(gè)物理存儲(chǔ)空間，即一塊或多塊物理硬盤(pán)構(gòu)成的同一存儲(chǔ)池。

虛擬化連接存儲(chǔ)方式[3]多種多樣，實(shí)現(xiàn)方式不同，性能也不盡相同，比如有基于iscsi的，有基于NFS的，有基于NAS網(wǎng)絡(luò)的，有基于光纖通道（FC）的等，如圖2存儲(chǔ)虛擬化實(shí)現(xiàn)方式所示。

雖然隨著計(jì)算機(jī)的普及，虛擬化技術(shù)的出現(xiàn)，顛覆了IT的傳統(tǒng)架構(gòu)，使得桌面、應(yīng)用、數(shù)據(jù)快速的轉(zhuǎn)移到數(shù)據(jù)中心，讓IT變得更加高效、便捷、可擴(kuò)展、易維護(hù)，同時(shí)降低了IT建設(shè)的成本。然而，在虛擬化技術(shù)大幅提升服務(wù)器CPU利用率的同時(shí)，傳統(tǒng)服務(wù)器存儲(chǔ)受其機(jī)械原理的局限，無(wú)法滿(mǎn)足虛擬化環(huán)境下的共享存儲(chǔ)資源的性能要求。存儲(chǔ)成為制約服務(wù)器整體效率的瓶頸。傳統(tǒng)改善的方式，依靠擴(kuò)展SAN、NAS等網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)，一方面部署成本高昂，另一方面使得IT架構(gòu)和維護(hù)變得更加復(fù)雜，且最終也無(wú)法較好的解決性能瓶頸問(wèn)題。

4 服務(wù)器虛擬化的困境（The plight of server

virtualization）

服務(wù)器虛擬化[4]是將服務(wù)器物理資源抽象成一種邏輯資源，使得傳統(tǒng)的服務(wù)器變成幾個(gè)或者是幾十個(gè)邏輯上相互隔離的虛擬服務(wù)器，使得系統(tǒng)資源不再受到服務(wù)器物理上的限制。把CPU、內(nèi)存、硬盤(pán)、I/O等硬件集中起來(lái)變成可以動(dòng)態(tài)調(diào)配和管理的統(tǒng)一資源，并將“資源池”中的資源動(dòng)態(tài)分配給需要工作的負(fù)載，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器的整合，達(dá)到充分利用服務(wù)器硬件資源，提升其利用率的目的。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展和學(xué)校信息化建設(shè)的步伐，我校已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)服務(wù)器虛擬化。服務(wù)器虛擬化的部署大大提升了服務(wù)器CPU、內(nèi)存等核心資源的利用率，Windows Server或者Linux Server等虛擬機(jī)可以動(dòng)態(tài)的共享服務(wù)器的核心資源，確保資源利用最大化的同時(shí)，減少服務(wù)器的采購(gòu)、維護(hù)及各種電力開(kāi)銷(xiāo)等成本。服務(wù)器虛擬化將服務(wù)器CPU的平均利用率從15%提升到75%左右，而存儲(chǔ)性能的低下及用戶(hù)并發(fā)、業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)的爆發(fā)增長(zhǎng)，不得不使用RAID或網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)的方式來(lái)緩解，這使得服務(wù)器虛擬化整體擁有成本（TCO）依舊保留在一個(gè)較高的水平。運(yùn)行在服務(wù)器上的虛擬機(jī)，部署著企業(yè)的眾多關(guān)鍵應(yīng)用或服務(wù)，如數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、郵件系統(tǒng)、網(wǎng)站系統(tǒng)、共享下載業(yè)務(wù)等。這些應(yīng)用與服務(wù)大部分都是用戶(hù)并發(fā)量多的IO密集型業(yè)務(wù)，因此在小塊數(shù)據(jù)隨機(jī)寫(xiě)、大塊順序讀，或者混合讀寫(xiě)等方面，對(duì)存儲(chǔ)性能提出了更高的要求，而存儲(chǔ)系統(tǒng)本身在虛擬化前僅能夠滿(mǎn)足單系統(tǒng)應(yīng)用的小并發(fā)需求。在虛擬化后，不同虛擬機(jī)及虛擬機(jī)上應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)存儲(chǔ)的性能爭(zhēng)用，當(dāng)前業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)并發(fā)的爆發(fā)性增長(zhǎng)，都使得原有的存儲(chǔ)系統(tǒng)無(wú)法滿(mǎn)足服務(wù)器虛擬化對(duì)存儲(chǔ)性能的需求。

而簡(jiǎn)單的磁盤(pán)陣列方式的本地存儲(chǔ)擴(kuò)展，或者NAS、SAN的網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)擴(kuò)展，在耗費(fèi)大量的IT成本支出的同時(shí)，只能很有限的緩解服務(wù)器虛擬化對(duì)存儲(chǔ)性能帶來(lái)的挑戰(zhàn)，無(wú)法從根本上解決虛擬化后存儲(chǔ)的性能瓶頸，也無(wú)法全面提升服務(wù)器虛擬化的整體效率。

5 桌面虛擬化的挑戰(zhàn)（Desktop virtualization

challenges）

VDI[5]英文全稱(chēng)Virtual Desktop Infrastructure，即虛擬桌面基礎(chǔ)架構(gòu)，是近年來(lái)虛擬化技術(shù)由服務(wù)器虛擬化向桌面虛擬化延伸的一個(gè)技術(shù)名稱(chēng)。虛擬桌面基礎(chǔ)架構(gòu)采用“集中計(jì)算，分布顯示”的原則，通過(guò)虛擬化技術(shù)，將所有客戶(hù)端的運(yùn)算合為一體，在企業(yè)數(shù)據(jù)中心內(nèi)進(jìn)行集中處理，而桌面用戶(hù)僅負(fù)責(zé)輸入輸出與界面顯示，不參與任何計(jì)算和應(yīng)用。VDI（虛擬桌面基礎(chǔ)架構(gòu)），帶來(lái)了IT桌面交付的巨大變革，在降低IT成本的同時(shí)，帶來(lái)了更大的靈活性，然而也帶來(lái)了全新的挑戰(zhàn)，它依托于服務(wù)器虛擬化技術(shù)，將用戶(hù)桌面遷移到數(shù)據(jù)中心，提升了服務(wù)器的利用率，降低終端設(shè)備成本，同時(shí)在IT管控（桌面及應(yīng)用管理、病毒防護(hù)、補(bǔ)丁升級(jí)、數(shù)據(jù)安全等）及IT維護(hù)（終端采購(gòu)、故障處理、系統(tǒng)部署等）方面，帶來(lái)突破性的變革，在企業(yè)桌面、應(yīng)用快速增長(zhǎng)時(shí)，確保IT可以高速及高效的運(yùn)轉(zhuǎn)。

VDI（虛擬桌面基礎(chǔ)架構(gòu)）雖然存在巨大的優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也引入全新的挑戰(zhàn)，除了對(duì)網(wǎng)絡(luò)的依賴(lài)及遠(yuǎn)程顯示協(xié)議固有缺陷之外，還有其他問(wèn)題：如啟動(dòng)、關(guān)閉風(fēng)暴，當(dāng)有大量并發(fā)用戶(hù)同時(shí)登錄、啟動(dòng)或者關(guān)閉虛擬桌面時(shí)，對(duì)存儲(chǔ)性能進(jìn)行爭(zhēng)搶?zhuān)直热鐨⒍撅L(fēng)暴，當(dāng)多個(gè)虛擬機(jī)桌面用戶(hù)同時(shí)間進(jìn)行并發(fā)殺毒或者掃描漏洞等，也會(huì)造成存儲(chǔ)性能的爭(zhēng)搶?zhuān)€有一種最常見(jiàn)的就是更新風(fēng)暴，Windows系統(tǒng)補(bǔ)丁集中進(jìn)行更新等，這些問(wèn)題都會(huì)給部分用戶(hù)帶來(lái)啟動(dòng)桌面數(shù)分鐘，甚至幾十分鐘的延遲，桌面操作卡頓，極大的降低了用戶(hù)體驗(yàn)，原因說(shuō)到底就是我們的存儲(chǔ)性能低下，讀、寫(xiě)速度低所致。虛擬桌面通過(guò)部署SAN或NAS來(lái)試圖解決以上問(wèn)題，卻又帶來(lái)新的挑戰(zhàn)，比如IT架構(gòu)改造，無(wú)法利用現(xiàn)有服務(wù)器環(huán)境部虛擬桌面，需要重新架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)，又比如整體成本提升，需要額外眾多光纖或以太存儲(chǔ)及交換設(shè)備。

6 應(yīng)用虛擬化的難題（Problems in applying

virtualization）

至今為止，大家對(duì)應(yīng)用虛擬化[6]的解釋都不盡相同。其中Vmware的解釋是通過(guò)應(yīng)用虛擬化技術(shù)，可以將應(yīng)用軟件的部署、執(zhí)行、升級(jí)等操作均在一個(gè)隔離環(huán)境中進(jìn)行，避免了對(duì)本地操作系統(tǒng)配置的更改，確保了本地操作系統(tǒng)和其他應(yīng)用軟件的完整性。由此應(yīng)用虛擬化帶來(lái)了很多有利的價(jià)值，諸如可以讓用戶(hù)不再需要在本地下載，安裝應(yīng)用，用戶(hù)可以通過(guò)共享應(yīng)用的方式，簡(jiǎn)化應(yīng)用的部署和使用，而企業(yè)也可以更好的來(lái)管控用戶(hù)在企業(yè)內(nèi)部對(duì)應(yīng)用的使用權(quán)限，提升IT安全。

在應(yīng)用虛擬化的場(chǎng)景中，客戶(hù)端無(wú)需部署和安裝應(yīng)用程序，通過(guò)遠(yuǎn)程共享應(yīng)用模式，即眾多的用戶(hù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程共享服務(wù)器上的同一應(yīng)用。這一應(yīng)用虛擬化方式給部署應(yīng)用的服務(wù)器帶來(lái)了極大的IO考驗(yàn)。眾多并發(fā)的應(yīng)用訪問(wèn)使得傳統(tǒng)的存儲(chǔ)IO難以應(yīng)對(duì)，IT不得不拆分并發(fā)量、同時(shí)部署額外的服務(wù)器來(lái)滿(mǎn)足這一需求。

而另一種應(yīng)用虛擬化場(chǎng)景，是通過(guò)沙盒應(yīng)用的模式，將應(yīng)用程序沙盒化，存儲(chǔ)于共享應(yīng)用服務(wù)器，用戶(hù)在有授權(quán)，有需要或者登錄時(shí)刻，前往共享應(yīng)用服務(wù)器下載應(yīng)用，在用戶(hù)終端本地或者虛擬桌面無(wú)需安裝即可使用這些應(yīng)用程序。這一場(chǎng)景對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)的吞吐量或者帶寬提出了更大的需求，不得不增加部署共享服務(wù)器，以滿(mǎn)足峰值或者大并發(fā)時(shí)刻的存儲(chǔ)帶寬需求。

應(yīng)用虛擬化的出現(xiàn)，顛覆了應(yīng)用的使用方式，同時(shí)也給企業(yè)對(duì)提升IT安全管控帶來(lái)了新思路。應(yīng)用虛擬化技術(shù)可有效解決應(yīng)用軟件數(shù)量增多帶來(lái)的管理壓力、應(yīng)用軟件配置沖突、部署困難等問(wèn)題，然而虛擬化應(yīng)用的最終載體—存儲(chǔ)系統(tǒng)如何去滿(mǎn)足大并發(fā)的存儲(chǔ)帶寬及高IOPS需求，卻是一個(gè)很大的難題。

7 結(jié)論（Conclusion）

那么，我們究竟如何解決遇到的這些問(wèn)題呢？各種虛擬化方式及應(yīng)用都給用戶(hù)帶來(lái)了各種便利和價(jià)值，然后存儲(chǔ)性能低下、擴(kuò)展代價(jià)高卻成為制約虛擬化發(fā)展的瓶頸。要想突破各種虛擬化方式和應(yīng)用虛擬化的存儲(chǔ)性能瓶頸，我們就必須要突破虛擬化在存儲(chǔ)系統(tǒng)性能方面的瓶頸，必須同時(shí)滿(mǎn)足高讀、寫(xiě)IOPS，高吞吐量，低延遲，以及更快部署和簡(jiǎn)單的架構(gòu)。在此基礎(chǔ)之上，我們才可以進(jìn)行深層次的虛擬化性能優(yōu)化，全面的提升單虛擬機(jī)/桌面的IOPS和吞吐量，在不改變用戶(hù)當(dāng)前虛擬化架構(gòu)，以及不進(jìn)行存儲(chǔ)的復(fù)雜擴(kuò)展的基礎(chǔ)上，徹底解決虛擬化在存儲(chǔ)方面的性能瓶頸，獲得最佳用戶(hù)體驗(yàn)，同時(shí)整體降低用戶(hù)虛擬化部署的成本。

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作者簡(jiǎn)介：

何 鵬（1986-），男，碩士，助教.研究領(lǐng)域：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，虛擬化方向，大數(shù)據(jù).