存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)（SAN）中存儲(chǔ)虛擬化的研究與實(shí)現(xiàn)

1 引言

    隨著Internet 的迅猛發(fā)展，特別是以電子商務(wù)、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)娛樂(lè)等網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的蓬勃興起和廣泛使用，積極地推動(dòng)了計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)技術(shù)提出了更高的要求。尤其在存儲(chǔ)方面，不光容量呈指數(shù)增加，并且對(duì)存儲(chǔ)性能、存儲(chǔ)安全性、穩(wěn)定性、易管理性等諸方面有了進(jìn)一步的要求。目前，國(guó)際上存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展十分迅速，存儲(chǔ)技術(shù)被認(rèn)為是繼處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之后，IT 行業(yè)的第三次技術(shù)浪潮。

    當(dāng)新的存儲(chǔ)技術(shù)推向市場(chǎng)時(shí)，必須要與現(xiàn)有的存儲(chǔ)兼容。假如新的存儲(chǔ)設(shè)備的接口和管理改變很多，不僅技術(shù)本身的實(shí)現(xiàn)難度很大，而且也很難在市場(chǎng)上立足。幾乎所有的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)技術(shù)，無(wú)論是文件服務(wù)器的NAS類型的存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，還是光纖通道SAN 類型的存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)都遵從這個(gè)規(guī)律。而虛擬化是最常見(jiàn)的提供這種兼容性的技術(shù)，它能夠提供存儲(chǔ)、I / O 產(chǎn)品和過(guò)程的兼容性。

2 存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)（SAN）技術(shù)分析

    按照SNIA（存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)工業(yè)協(xié)會(huì)）定義，SAN 是一種利用FC 等互連協(xié)議連接起來(lái)的，可以在服務(wù)器與存儲(chǔ)設(shè)備之間以及存儲(chǔ)設(shè)備與存儲(chǔ)設(shè)備之間直接傳送數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)。獨(dú)特的體系結(jié)構(gòu)和構(gòu)建技術(shù)使SAN 具有很多優(yōu)點(diǎn)：如高性能、高可用性、高可擴(kuò)展性；便于集中存儲(chǔ)和管理；實(shí)現(xiàn)LAN-free Backup，數(shù)據(jù)備份不占用LAN 帶寬；支持更遠(yuǎn)的距離等。但具體應(yīng)用中，SAN 有著自身的一些缺陷：

    ①設(shè)備的互操作性較差。目前采用的最早和最多的SAN 互連技術(shù)還是Fibre Channei，對(duì)于不同的制造商，光纖通道協(xié)議的具體實(shí)現(xiàn)是不同的，這在客觀上造成不同廠商的產(chǎn)品之間難以互相操作。目前雖然有些廠商組成了聯(lián)盟來(lái)保證他們的產(chǎn)品互操作，但因?yàn)榫唧w實(shí)現(xiàn)的不同以及聯(lián)盟范圍的有限，這樣做的效果也很有限。

    ②構(gòu)建和維護(hù)SAN 需要有豐富經(jīng)驗(yàn)的，并受過(guò)專門(mén)訓(xùn)練的專業(yè)人員，這大大增加了構(gòu)建和維護(hù)費(fèi)用。

    ③在異構(gòu)環(huán)境下的文件共享方面，SAN 中存儲(chǔ)資源的共享一般指的是不同平臺(tái)下的存儲(chǔ)空間的共享，而非數(shù)據(jù)文件的共享。這些都阻礙了SAN 技術(shù)的普及應(yīng)用和推廣。目前SAN 研究的一個(gè)熱點(diǎn)就是SAN 的存儲(chǔ)虛擬化技術(shù)，通過(guò)SAN 的存儲(chǔ)虛擬化來(lái)根據(jù)需要分配存儲(chǔ)資源，整合不同設(shè)備商提供的存儲(chǔ)產(chǎn)品，提供可選擇性的配置功能來(lái)獲得更高的可用性和減少用戶總成本。

3 存儲(chǔ)虛擬化技術(shù)分析

    （1）存儲(chǔ)設(shè)備的虛擬化。這種虛擬化在設(shè)備層實(shí)現(xiàn)，最常見(jiàn)的虛擬存儲(chǔ)設(shè)備是RAID。它將多個(gè)物理磁盤(pán)按不同的分塊級(jí)別組織在一起，屏蔽了具體的物理磁盤(pán)，為用戶提供了一個(gè)統(tǒng)一的邏輯磁盤(pán)，用戶對(duì)RAID 的操作就像對(duì)普通磁盤(pán)一樣。RAID 的虛擬化是由RAID控制器實(shí)現(xiàn)的，它解釋用戶的I / 0 指令并將它們發(fā)給物理磁盤(pán)執(zhí)行。由于使用數(shù)據(jù)分塊技術(shù)，RAID 提供給用戶的是具有容錯(cuò)能力的高性能虛擬設(shè)備。

    （2）SAN 內(nèi)部的虛擬化。SAN 的虛擬化是存儲(chǔ)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，它在文件系統(tǒng)層實(shí)現(xiàn)。SAN 虛擬化的目的就是讓用戶和應(yīng)用系統(tǒng)把SAN 作為一個(gè)單一的、同構(gòu)的資源池來(lái)存取和控制。其中包括根據(jù)不同應(yīng)用系統(tǒng)的需要對(duì)SAN 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理、保護(hù)、使用和操作，對(duì)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，從而充分利用SAN 的存儲(chǔ)能力。SAN 的虛擬化需要在原有體系結(jié)構(gòu)中加入一個(gè)新結(jié)構(gòu)層，即虛擬化層，這個(gè)新的層次將為用戶和應(yīng)用系統(tǒng)提供SAN 的虛擬化視圖。在用戶和應(yīng)用程序看來(lái)，SAN 是一個(gè)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的、具有統(tǒng)一界面的虛擬存儲(chǔ)池。存儲(chǔ)池中邏輯存儲(chǔ)單元的具體情況只是系統(tǒng)管理員關(guān)心的問(wèn)題，對(duì)用戶和應(yīng)用程序則是完全透明的。

    （3）多個(gè)SAN 之間的虛擬化。隨著IP 存儲(chǔ)的興起，F(xiàn)C SAN 和IP 存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系越來(lái)越緊密，IP 存儲(chǔ)可以作為FC SAN 的重要補(bǔ)充。現(xiàn)在，多個(gè)SAN 之間可以通過(guò)FCIP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)互連，即多個(gè)獨(dú)立的SAN 可以通過(guò)IP 網(wǎng)絡(luò)連接成一個(gè)統(tǒng)一的SAN。如何實(shí)現(xiàn)多個(gè)SAN之間的虛擬化，這個(gè)問(wèn)題已經(jīng)擺在人們面前。

    （4）廣域的存儲(chǔ)資源虛擬化。廣域的存儲(chǔ)虛擬化是存儲(chǔ)資源最高的抽象形式，它將全球范圍的存儲(chǔ)資源統(tǒng)一成一個(gè)巨大的邏輯存儲(chǔ)池。它的出現(xiàn)將使大規(guī)模存儲(chǔ)和計(jì)算徹底分離，導(dǎo)致存儲(chǔ)服務(wù)提供商（SSP）和存儲(chǔ)服務(wù)代理（SSA）的誕生。實(shí)現(xiàn)了廣域的存儲(chǔ)虛擬化，用戶的計(jì)算機(jī)將只需要計(jì)算功能和傳輸功能，當(dāng)需要使用大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)，可以向存儲(chǔ)服務(wù)代理提出請(qǐng)求；后者將從廣域的虛擬存儲(chǔ)池中選擇合適的存儲(chǔ)資源，并向相應(yīng)的存儲(chǔ)服務(wù)提供商提出具體的存儲(chǔ)需求；存儲(chǔ)服務(wù)提供商將按需分配相應(yīng)存儲(chǔ)資源給用戶，并提供各種功能服務(wù)。廣域的存儲(chǔ)資源虛擬化是數(shù)據(jù)網(wǎng)格研究的主要內(nèi)容。

4 SAN虛擬化的實(shí)現(xiàn)

    在SAN 的范圍內(nèi)，通常存儲(chǔ)虛擬化是指將具體的物理存儲(chǔ)設(shè)備和服務(wù)器操作系統(tǒng)分隔開(kāi)來(lái)，為存儲(chǔ)用戶提供統(tǒng)一的邏輯視圖，它是具體存儲(chǔ)系統(tǒng)的抽象。一方面，它將應(yīng)用程序和用戶所需要的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)操作和具體的存儲(chǔ)控制分離；另一方面，它將各個(gè)磁盤(pán)、陣列等物理存儲(chǔ)設(shè)備映像成一個(gè)邏輯存儲(chǔ)池。存儲(chǔ)虛擬化要完成三個(gè)任務(wù)：

    ①在多個(gè)物理存儲(chǔ)設(shè)備上創(chuàng)建一個(gè)抽象層；②屏蔽存儲(chǔ)系統(tǒng)的復(fù)雜性，簡(jiǎn)化管理，尤其是在異構(gòu)環(huán)境中；③對(duì)存儲(chǔ)資源進(jìn)行優(yōu)化。

    SAN 的虛擬化是通過(guò)虛擬化層來(lái)實(shí)現(xiàn)的。它將可用的存儲(chǔ)空間分成虛擬磁盤(pán)或虛擬卷，而無(wú)須考慮實(shí)際存儲(chǔ)設(shè)備的物理布局和結(jié)構(gòu)。通常情況下，虛擬卷呈現(xiàn)給服務(wù)器操作系統(tǒng)一種物理磁盤(pán)的抽象，使操作系統(tǒng)像使用磁盤(pán)一樣使用。整個(gè)SAN 內(nèi)的虛擬卷提供實(shí)現(xiàn)重要數(shù)據(jù)傳輸功能的SAN 服務(wù)，包括遠(yuǎn)程映像、虛擬磁帶等。SAN 的虛擬化層將會(huì)取代傳統(tǒng)的服務(wù)器受限的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并且將進(jìn)一步影響存儲(chǔ)器硬件的結(jié)構(gòu)。某些SAN 虛擬化層提供RAID 的功能，它允許按照以單個(gè)磁盤(pán)為單位擴(kuò)充存儲(chǔ)系統(tǒng)，將RAID 的功能從存儲(chǔ)子系統(tǒng)中抽取出來(lái)在SAN 中實(shí)現(xiàn)。虛擬化SAN 有多種實(shí)現(xiàn)方式，根據(jù)虛擬化層在體系結(jié)構(gòu)中的位置，可以劃分為以下五種虛擬化實(shí)現(xiàn)方式：

    （1）多主機(jī)陣列。它通常采用RAID 控制器硬件在存儲(chǔ)子系統(tǒng)級(jí)別構(gòu)建虛擬化層，對(duì)SAN 系統(tǒng)進(jìn)行響應(yīng)。這種實(shí)現(xiàn)通常提供很好的性能，高可用性，可以支持不同類型的主機(jī)，但你只能購(gòu)買(mǎi)與陣列一致的磁盤(pán)。最大的缺點(diǎn)是存儲(chǔ)池的大小和構(gòu)成的組件受限于陣列的封閉性，需要增加存儲(chǔ)空間就意味著要運(yùn)行多個(gè)存儲(chǔ)池與失去分配和集中管理的自由。所以這種方式對(duì)不同廠商的產(chǎn)品支持不夠。

    （2）邏輯單元號(hào)掩碼。這種虛擬化方式是在每個(gè)主機(jī)安裝特殊的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序來(lái)防止主機(jī)存取不屬于它的存儲(chǔ)資源。這些邏輯單元號(hào)掩碼驅(qū)動(dòng)程序通常是一個(gè)基于主機(jī)或者外置的中央管理程序。這種方法適合小型配置的SAN 環(huán)境，而在大型數(shù)據(jù)中心和企業(yè)級(jí)SAN環(huán)境中會(huì)帶來(lái)意想不到的復(fù)雜性和額外開(kāi)銷(xiāo)：!要為潛在的每種服務(wù)器平臺(tái)提供支持和維護(hù)，對(duì)驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)商是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)；"每個(gè)主機(jī)都要安裝驅(qū)動(dòng)程序會(huì)對(duì)主機(jī)和網(wǎng)絡(luò)性能有影響；#要在大量的主機(jī)上改變管理設(shè)置是讓人厭煩、緩慢和開(kāi)銷(xiāo)很大的一項(xiàng)工作。值得注意的是存在潛在的安全性問(wèn)題：沒(méi)有安裝驅(qū)動(dòng)軟件的“欺詐”主機(jī)可能突破共享資源的安全性控制來(lái)盜取存儲(chǔ)池中屬于他人的數(shù)據(jù)。

    （3）文件重定向器。這種虛擬化方式是通過(guò)一個(gè)外部的元數(shù)據(jù)控制器或者文件系統(tǒng)管理器，將SAN 中的每個(gè)主機(jī)需要的文件名映射到磁盤(pán)的塊地址上。這些元數(shù)據(jù)服務(wù)器的目的除了虛擬化存儲(chǔ)池空間，還試圖降低網(wǎng)絡(luò)上的磁盤(pán)I / 0 傳輸。雖然這種虛擬化方式能夠提供的文件共享服務(wù)具有一定的實(shí)用價(jià)值，但是和邏輯單元號(hào)掩碼方式（LUN Masking）存在同樣的問(wèn)題：文件系統(tǒng)重定向是與特定的操作系統(tǒng)環(huán)境聯(lián)系在一起的，要在每臺(tái)主機(jī)上安裝相應(yīng)的組件。

    （4）專用帶內(nèi)虛擬化引擎。這種方式通過(guò)位于主機(jī)與物理存儲(chǔ)之間的專用平臺(tái)的整合管理、存儲(chǔ)分配和安全功能來(lái)提供虛擬化的存儲(chǔ)池空間。虛擬化引擎可以支持各種流行的開(kāi)放系統(tǒng)的服務(wù)器，而且不需要在主機(jī)上附加軟件；它還可以方便地組合進(jìn)大量的組件和功能：從存儲(chǔ)池到硬件地址嚴(yán)格對(duì)應(yīng)映像的、需要交換機(jī)和存儲(chǔ)設(shè)備硬件支持的、簡(jiǎn)單交換到可選擇的支持嵌入式交換功能的應(yīng)用軟件程序包。一般認(rèn)為帶內(nèi)引擎會(huì)降低數(shù)據(jù)流量，所以虛擬化平臺(tái)的失敗會(huì)降低可用性和存在單點(diǎn)失敗。但是智能化的引擎可以使用在局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)已經(jīng)證明了的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，提供交換路徑和多點(diǎn)冗余來(lái)避免單點(diǎn)失敗，而且可以利用內(nèi)置在磁盤(pán)陣列內(nèi)中的Cache，提供相應(yīng)的讀寫(xiě)Cache 算法來(lái)提高物理磁盤(pán)的性能。

    （5）存儲(chǔ)域服務(wù)器。該方式是將一個(gè)商業(yè)服務(wù)器平臺(tái)專用于磁盤(pán)存儲(chǔ)池到主機(jī)的虛擬化和分配。在專用服務(wù)器平臺(tái)的本地操作系統(tǒng)上構(gòu)建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)控制層實(shí)現(xiàn)SAN 虛擬化，虛擬化的功能由軟件實(shí)現(xiàn)。這使它可方便地利用很多操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)功能、卷管理功能、設(shè)備互操作特性和安全特性，就像網(wǎng)絡(luò)域服務(wù)器給網(wǎng)絡(luò)性能帶來(lái)顯著的提高，存儲(chǔ)域服務(wù)器也能為SAN 的存儲(chǔ)虛擬化帶來(lái)一樣的好處。一些存儲(chǔ)域服務(wù)器被設(shè)計(jì)成可在SAN 中互相協(xié)調(diào)合作，在維護(hù)一個(gè)巨大的存儲(chǔ)池的中央管理功能的同時(shí)分擔(dān)負(fù)載和管理工作。因此可根據(jù)需要優(yōu)化存儲(chǔ)域服務(wù)器的數(shù)量和硬件性能。

    存儲(chǔ)域服務(wù)器可以通過(guò)一些方法增加I / O 性能，比如增加獨(dú)立于主機(jī)和存儲(chǔ)設(shè)備的Cache、對(duì)帶內(nèi)性能和負(fù)載監(jiān)控、快照和遠(yuǎn)程鏡像服務(wù)。隨著這些功能的增加，可以不需要考慮SAN 物理設(shè)備供應(yīng)商的因素而很容易地在SAN 的整個(gè)存儲(chǔ)池上構(gòu)建與網(wǎng)絡(luò)無(wú)關(guān)、與服務(wù)器無(wú)關(guān)的支持、災(zāi)難恢復(fù)系統(tǒng)和決策支持系統(tǒng)。存儲(chǔ)域服務(wù)器與專用虛擬化引擎有些相似，很多專用虛擬化引擎就是有相應(yīng)軟硬件插件的簡(jiǎn)單的存儲(chǔ)域服務(wù)器，雖然失去一些存儲(chǔ)域服務(wù)器的性能，但是可以即插即用并且提供必要的虛擬化功能。表1 列出了以上五種虛擬化方式的各種特性的比較。

表1 各種虛擬化方式特性比較

5 一種以網(wǎng)絡(luò)為中心的SAN存儲(chǔ)虛擬化的實(shí)現(xiàn)

    在USN（統(tǒng)一存儲(chǔ)網(wǎng)）項(xiàng)目中，為了實(shí)現(xiàn)SAN 和NAS的結(jié)合，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種以網(wǎng)絡(luò)為中心的SAN 存儲(chǔ)虛擬化的實(shí)現(xiàn)方案。圖1 為該方案的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 SAN 存儲(chǔ)虛擬化的結(jié)構(gòu)示意圖

    這種方案在SAN 互連這一級(jí)增加一臺(tái)元數(shù)據(jù)服務(wù)器專用于提供存儲(chǔ)虛擬化。使用非對(duì)稱結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)和命令使用不同的通路，應(yīng)用服務(wù)器的I / O 命令先通過(guò)專用的命令通路傳送至專用的控制服務(wù)器，獲得元數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)視圖后，再通過(guò)數(shù)據(jù)通路得到所需要的數(shù)據(jù)。在專用的元數(shù)據(jù)服務(wù)器中存放整個(gè)虛擬存儲(chǔ)池的全局?jǐn)?shù)據(jù)視圖，處理元數(shù)據(jù)的訪問(wèn)。應(yīng)用服務(wù)器和元數(shù)據(jù)服務(wù)器既可以通過(guò)SAN 以帶內(nèi)方式連接，也可以通過(guò)帶外方式連接，如以太網(wǎng)。虛擬化軟件模塊一部分位于元數(shù)據(jù)服務(wù)器，另一部分位于應(yīng)用服務(wù)器。位于應(yīng)用服務(wù)器的虛擬化軟件模塊稱為虛擬代理，它的作用是I / O 重定向。當(dāng)應(yīng)用服務(wù)器所需要的數(shù)據(jù)不在本地的數(shù)據(jù)視圖中時(shí)，虛擬代理將把I / O 命令發(fā)往元數(shù)據(jù)服務(wù)器，后者則把所需的數(shù)據(jù)視圖和元數(shù)據(jù)返回給應(yīng)用服務(wù)器。這種結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，但是因?yàn)樗�具有存�?chǔ)性能和可擴(kuò)展性方面的優(yōu)勢(shì)，因而成為我們虛擬化SAN 的首選。

    為了能夠?qū)崿F(xiàn)USN 中NAS 設(shè)備與SAN 設(shè)備的結(jié)合，我們使用兩臺(tái)專用服務(wù)器，一臺(tái)用于塊級(jí)的卷管理，另一臺(tái)專用于文件服務(wù)。

6 小結(jié)

    隨著存儲(chǔ)虛擬化技術(shù)和存儲(chǔ)管理軟件的高速發(fā)展，存儲(chǔ)子系統(tǒng)將升格為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的核心，服務(wù)器將很快降格為應(yīng)用器具（Appliance），網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的系統(tǒng)核心將圍繞網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)展開(kāi)。同時(shí)，存儲(chǔ)管理在存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)中所占的成本越來(lái)越高，已經(jīng)成為困擾IT 管理人員的最大問(wèn)題。存儲(chǔ)虛擬化軟件可以應(yīng)用于各類SAN 系統(tǒng)中，使用戶可以在系統(tǒng)中采用單一的控制平臺(tái)；采用圖形化界面管理方式，可以自動(dòng)識(shí)別新裝入的存儲(chǔ)設(shè)備，并自動(dòng)使其可用；可以按照用戶需求進(jìn)行基于策略和基于OoS 的管理，同時(shí)減少了系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的暴露幾率，增加了系統(tǒng)的安全性。因此，隨著存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，存儲(chǔ)虛擬化技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。

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本文標(biāo)題：存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)（SAN）中存儲(chǔ)虛擬化的研究與實(shí)現(xiàn)

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