云计算中的存储虚拟化技术应用

顾景民　李芳

【摘要】介绍了云计算存储虚拟化的概念和技术原理，对常见的存储虚拟化技术分类进行技术分析及常见应用场景，为企业云计算选择存储虚拟化方式提供帮助。

【关键词】云计算；存储虚拟化；异构存储

1云计算与虚拟化技术

企业在早期建立一套信息化业务系统时不仅需要采购软件系统，而且还需要采购支撑系统运行的服务器、存储等硬件设施，投入大量人力运维保证软硬件系统正常运行。随着企业的发展，会陆续开发建设各种信息化系统，这些信息化系统支撑着企业的生产经营、安全管理、决策分析，由于这些系统建设时间不一致，采用的技术和基础架构也不统一，这种传统的信息化架构已不能满足企业快速发展的业务需求，云计算技术应运而生。云计算（cloud computing）是一种将企业IT基础架构作为一种可计量的服务提供给使用者的，这种模式提供快速、便捷、按需供给的IT基础资源服务，企业可统一将IT基础资源创建可配置的计算资源共享池（包括服务器计算与内存、网络、存储、基础操作平台、中间件服务、数据库服务），根据用户需求提供定制化服务。在云计算架构下由于IT基础资源和平台进行了统一化管理，企业只需投入少量高素质的技术人员保证云计算资源的稳定运行。云计算的基础是虚拟化技术，它的思想是将一台服务器虚拟为多台逻辑服务器，在一台物理服务器上同时运行多个逻辑虚拟服务器，每个逻辑服务器可运行不同的操作系统，并且应用程序都可以在相互独立的空间内运行而互不影响，从而提高物理服务器的利用率。云计算通过虚拟化技术进行了三个方面的虚拟化：计算单位虚拟化、存储虚拟化和网络虚拟化。虚拟化计算资源和存储资源是相互独立的，两者通过虚拟化网络资源连接起来。不论是虚拟化计算资源还是存储资源，都会被配置到一个虚拟化网络中，每个虚拟化网络又包含多个虚拟化计算资源和存储资源。

2传统存储模式分类及面临的问题

在IT基础架构中，传统的存储模式主要由DAS、NAS、SAN三种模式存在，其中DAS模式（Direct Access Storage—直接连接存储）是将存储介质（硬盘）通过SCSI接口或光纤接口直连到一台服务器设备上，这些存储介质由服务器SCSI控制器管理后向服务器提供统一的存储空间，一般情况下这个存储空间只能由这一台服务器独立使用；NAS模式（Network Attached Storage—网络连接存储）是由若干存储介质通过SCSI接口连接在一起内嵌存储管理操作系统进行统一管理，NAS存储实质是一台专用存储服务器，能够通过多种协议（NFS、CIFS、FTP、HTTP）为各种操作系统提供存储空间；SAN模式（Storage Area Network—存储区域网络）是独立于服务器TCP/IP网络之外的存储网络，采用网状FC光纤通道技术建立专用于数据存储的区域网络，以LUN逻辑单元的方式通过FC交换机将存储空间提供给服务器主机使用。

SAN由于其高性能、高速率、与业务网络无关性等独有特性，在企业应用中SAN存储架构是应用最为广泛的存储提供模式，随着SAN技术的发展，SAN存储也细分为FC-SAN、IP-SAN等，传输速率也从2GB发展到16GB，但每个厂家的SAN存储技术并不一致没有形成统一的标准，所以企业在存储管理方面也面临着更严峻的挑战：

1）存储设备来自不同供应商，缺少统一的管理平台，如何能实现对异构存储环境的整合、管理；

2）如何进一步提高存储设备的使用效率从而充分利用存储资源；

3）如何实现不同供应商存储系统之间的数据共享、存储复制，通过统一的途径提供存储服务。

３存储虚拟化技术

在云计算时代，服务器的计算资源、内存资源、以及网络资源都已经进行了虚拟化，传统的存储框架已经不再能够适应云计算时代出现的各种新的需求，存储设备也面临着一场虚拟化的革命。存储虚拟化(Storage Virtualization)是通过采用软件方式对存储硬件资源进行抽象化表现，将一个或多个存储目标设备的服务或功能与其它附加的功能进行集成，通过抽象层统一对使用者提供数据存储服务。它的设计思想是通过一种存储虚拟化软件对下层物理存储设备进行统一管理，无论物理存储是哪家生产的，服务器及应用系统看到的都是存储虚拟化系统提供的逻辑映射，即使物理存储发生变化，这种逻辑映射也不会改变，对于使用者来说，存储变得透明，所有设备将被统一化管理。存储虚拟化屏蔽了物理存储系统的复杂性，增加或集成新的功能，仿真、整合或分解现有的服务功能等，目前存储虚拟化技术随着云计算的到来在企业数据中心有了一定规模的应用。

图1存储虚拟化原理

存储虚拟化技术按照实现的原理可以分为基于主机的存储虚拟化、基于存储设备的存储虚拟化、基于网络的存储虚拟化三种。

1）基于主机的存储虚拟化系统

基于主机的存储虚拟化系统在服务器主机操作系统中安装存储虚拟化管理软件，使服务器的存储空间可以跨越多个异构的磁盘阵列，常用于在不同磁盘阵列之间做数据镜像保护，该方式一般由服务器操作系统中的逻辑卷管理器（LVM）软件完成，不同操作系统的逻辑卷管理器软件也不相同。实现原理是在服务器操作系统的一个卷组(VG)中放入来自于不同存储设备的两个LUN，一个卷组中的两个物理LUN之间进行数据镜像。

图2基于主机的存储虚拟化

基于主机的存储虚拟化系统因为不需要任何附加硬件，这种存储虚拟化是最容易实现、设备成本最低、方案最为成熟的解决方案，部分厂商提供图形化管理界面可以方便地用于SAN的管理和虚拟化，在主机和小型SAN结构中有着良好的负载平衡机制。由于需要在主机操作系统中安装存储虚拟化软件会给操作系统带来一定的开销，占用主机CPU的处理时间，这种方案的可扩充性较差，实际运行的性能不是很好，有可能影响到系统的稳定性和安全性问题，导致不经意间越权访问到受保护的数据。基于主机的存储虚拟化是一种小规模少量服务器存储虚拟化性价比不错的方法，目前AIX、HPUX、SOLARIS及LINUX等操作系统的LVM均可以支持这种存储虚拟化方式。

2）基于存储设备的存储虚拟化

基于存储设备的存储虚拟化系统主要是在企业级存储阵列的控制器主机上增加资源虚拟化功能模块，使存储阵列具有将除自身存储空间以外的其它物理存储资源进行虚拟化管理的功能，近年来，各存储厂商均将这种形式的虚拟化技术应用到各自的企业级存储控制器之中，形成了基于存储设备控制器的存储虚拟化应用平台。

图3基于存储设备的存储虚拟化

这种基于存储阵列的控制器允许其它异构品牌的异构存储阵列直接与自身的控制器进行连接，在具有虚拟化功能的存储控制器中出现了设备自身的内部存储介质和在其基础之上的外部异构设备的存储介质两种资源，并且可以按内部存储介质的相同的方式进行管理。基于存储设备的存储虚拟化系统将内部存储资源和外部存储资源进行统一池化管理，由虚拟化系统统一向外提供LUN映射，不再需要原存储系统对存储资源进行管理，减少了异构存储管理的难度，大大降低了存储网络复杂性。通过存储设备控制器上的虚拟化管理系统可以在存储系统不停机的情况下，可以实现存储资源从一个池迁移到另一个池，并可在不相似和相似存储设备之间进行数据复制，并且可以通过分区技术，将端口、缓存和磁盘池等资源分配给特定的负载，以保证服务质量和安全性，通过存储控制器之间的群集功能，增加存储单元和控制器之间的冗余链路连接，保证在某一个存储或控制器出现故障的情况下，最大程度的保证系统的安全和数据的可用性。由于异构存储设备通过统一的存储虚拟化设备控制器对外提供LUN映射服务，这种统一服务的效率会受到存储控制器性能的限制。这种存储虚拟化模式适用于中型企业数据中心通过采购新型具有虚拟化功能的存储设备来统一池化管理企业异构存储，目前EMC、HITACHI、HP、IBM等厂商均有虚拟化存储设备供用户选择。

3）基于网络的存储虚拟化

随着NAS和SAN存储架构的出现，存储实现了存储介质、存储控制器和服务器的分离，服务器和存储控制器之间通过网络（TCP/IP或FC）进行连接，使用得服务器可以灵活高效的使用共享存储资源，这个网络也成为最佳做存储虚拟化的位置，近年来各家存储厂商都研发了各自的基于网络的存储虚拟化设备。

图4基于网络的存储虚拟化

基于网络的存储虚拟化是在网络层嵌入存储资源智能管理设备，抽象化服务器与存储阵列之间的物理存储资源，将各厂家的异构存储阵列通过FC接口连接到存储层 SAN交换机，汇总后连接到存储虚拟化设备（带内存储虚拟化方式），所有LUN映射和I/O请求连同数据一起通过存储虚拟化设备传送给服务器，服务器只能看到由存储虚拟化设备提供的LUN而不直接与存储设备进行交互。存储虚拟化设备负责分析请求、查阅LUN映射表，并依次执行存储设备 I/O。存储虚拟化设备不仅可以转换存储请求，还能利用自己内存对I/O数据进行缓存，提供数据使用量指标、管理数据复制服务、协调数据迁移服务。基于网络的存储虚拟化可以提供统一的异构存储管理接口、支持异构存储间的同步数据复制和远程异步数据复制、采用带内管理方式还可以提升存储性能，方便的进行横向扩展；但这种方式比其它两种存储虚拟化实施起来复杂很多，它需要中断服务器所有至存储设备的LUN映射重新进行到存储虚拟化设备的LUN映射；实现完成以后所有加入的存储设备不能进行去虚拟化操作，因为存储LUN的所有元数据都保存在存储虚拟化设备上。这种存储虚拟化模式由于加入了独立的存储虚拟化管理设备，提供了其它两种存储虚拟化模式不具有的多种新功能，不仅可以实现本地异构存储的数据复制，而且可以提供具有容灾功能的远程数据复制，是大型企业数据中心进行存储虚拟化和容灾建设的一种高性价比的解决方案，目前IBM、EMC和FalconStor等供应商均可提供基于网络的存储虚拟化解决方案。

４总结

企业在实施云计算的过程中，虚拟化软件平台可以十分方便的完成CPU、内存和网络的虚拟化，作为保存着企业核心数据的磁盘存储阵列的虚拟化脚步走的确没有那么轻松，它不仅受限于存储技术的发展，而且还受到经济性、数据安全性、业务稳定性等诸多因素的影响，在大部分企业的云数据中心中存储虚拟化所占比率明显较小。目前VMWARE也推出了新型的VSAN（VIRTURE SAN）解决方案，采用虚拟化内核技术将服务器本地DAS存储模拟为SAN横向提供服务。相信随着云计算技术的发展存储资源也必将向计算资源一样可以方便灵活提供的提供云化服务。

【参考文献】

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