虛擬化在IT界已經不是什么新鮮事物,隨著硬件性能的飛速提升,信息業務的不斷增長,企業用戶對部署IT 基礎設施的靈活性和可管理性也提出了更高的要求,傳統的以硬件服務器主機為單位的架構已經無法滿足新的需求,越來越多的企業數據中心已經將核心的信息化系統從原來的機架式服務器或者小機中遷移到X86 架構的服務器虛擬化環境中,既增加了靈活性,又節省了大筆維護費用。服務器虛擬化為數據中帶來了革命性的變革,以此為中心向上衍生出了“云”,向下則催生了軟件定義網絡(Software Defined Network,SDN),并造就了存儲虛擬化的鳳凰涅磐。


    在百度百科中對存儲虛擬化作了定義:“ 存儲虛擬化(Storage Virtualization)最通俗的理解就是對存儲硬件資源進行抽象化表現。通過將一個(或多個)目標(Target)服務或功能與其他附加的功能集成,統一提供有用的全面功能服務。典型的虛擬化包括如下一些情況:屏蔽系統的復雜性,增加或集成新的功能,仿真、整合或分解現有的服務功能等。虛擬化是作用在一個或者多個實體上的,而這些實體則是用來提供存儲資源或/ 及服務的。”這個定義從文字上很難理解,下面讓我們從其產生開始逐步揭開它的面紗。


    1.存儲虛擬化的產生


    最早的存儲虛擬化技術是邏輯卷管理器(LVM),由IBM 開發,在AIX 系統上運行,OS/2 操作系統與HP-UX 也支持這個功能。在1998 年,Heinz Mauelshagen 根據在HP-UX 上的LVM,寫出第一個Linux 版本的LVM.使用LVM 可以抽象主機的存儲空間,并且可以很容易的更改“虛擬分區”.使用LVM 可以比正常的硬盤分區更容易的管理硬盤分區(邏輯卷)。例如:


    1)使用卷組(VG),使眾多硬盤空間看起來像一個大硬盤。


    2)使用邏輯卷(LV),可以創建跨越眾多硬盤空間的分區。


    3)可以根據需要,對分區(LV)和硬盤空間(VG)進行創建、刪除、調整大小等操作。


    雖然沒有明確提出“虛擬化”這個概念,但實際上LVM 已經具備了“虛擬化”的特征,將多個磁盤集成起來,統一提供空間劃分、RAID 以及空間調整等高級的功能。


    早先的存儲廠商并沒有提出存儲虛擬化的概念,因為當時基于RAID 的磁盤陣列柜無論是從容量還是性能上都能夠滿足大多數應用的需求。隨著網絡技術的產生和發展,用戶對存儲設備的需求也不再停滯不前,尤其是在容量和性能方面都對當時的存儲廠商提出了苛刻的要求。于是,存儲領域的“虛擬化”技術出現了,典型的產品是EVA 系列,采用了VDISK 技術,此產品最初由DEC 公司開發,后被Compaq 收購,現在是HP 公司的企業級存儲產品。


    2.存儲虛擬化的分類


    存儲虛擬化有不同的分類方式,這里介紹的是從實現虛擬化的系統層次角度進行的分類。大類分為3種,分別是整合到應用的存儲虛擬化、交換架構虛擬化和磁盤陣列虛擬化。磁盤陣列虛擬化中又分為3 種,分別是基于網關、基于數據塊和混合型虛擬化。它們之間的劃分關系如圖1 所示。

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    圖1 存儲虛擬化技術的關系圖


    2.1 整合到應用的存儲虛擬化


    整合到應用的存儲虛擬化就是由操作系統內置的磁盤空間管理組件對連接到服務器的所有存儲空間進行統一管理和分配,典型的例子是LVM 技術。雖然整合到應用的存儲虛擬化產生的時間最早,但并不代表它已經落伍,相反,在虛擬化和云盛行的今天,反而煥發出新生,最典型的當數分布式文件系統和并發文件系統,其中商用化程度最高的是由vmware 開發的VMFS.VMFS 是vmware 虛擬化架構的核心組件之一,它將底層來自不同存儲LUN 的塊級存儲空間(SAN)整合為可供上層ESX 主機訪問的共享存儲池,不但為動態資源調配提供了可靠的共享存儲資源,而且還能夠實現數據的跨LUN 訪問,大大提高了虛擬化環境的整體可用性和可靠性。


    整合到應用的存儲虛擬化由于需要主機參與空間管理,對于單一節點來說,性能會比較差,而且對主機的資源占用比較高,尤其是在虛擬化環境中處理跨卷的遷移時這個劣勢由顯突出,為了解決這個矛盾,各廠商也采取了開放底層接口的方法,通過存儲管理模塊直接調用底層存儲設備的方式提高性能,減少主機資源占用。在執行跨卷遷移時,存儲管理器會直接調用符合上述協議的存儲設備,后面的操作都有存儲設備自己完成,這樣大大降低了主機的資源占用,提高了遷移性能。同時,還可以直接調用存儲設備的數據保護功能,如快照和恢復等高級功能,也提高了虛擬環境整體的故障恢復能力。


    2.2 交換架構虛擬化


    交換架構虛擬化的目的是不改變上層主機和下層存儲的架構,而在中間SAN 交換機中對存儲卷進行統一管理的虛擬化技術。典型的產品是EMC 的Invista,Invista 利用交換機中增加的專用處理能力,以線速執行虛擬化的基本操作(I/O 重定向)。Invista 是利用SAN 交換機部署基于網絡的存儲虛擬化

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    圖2 EMC Invista 示意圖


    用戶通過Invista 對底層的存儲進行統一管理,包括劃分卷,配置映射等,上層主機看到的是來自Invista 的卷,而非來自存儲設備,Invista 則通過IO 重定向功能對主機的IO 訪問進行智能分配。


    這種方式的優勢是IO 性能高,劣勢是需要重新配置SAN 網絡,當上下兩端設備變更時,需要調整SAN 配置,這個過程一方面復雜性較高,另一方面也增加停機次數。總的來說就是靈活性比較差,因此在面市不久就全面退市了。


    2.3 磁盤陣列虛擬化


    磁盤陣列虛擬化是存儲廠商炒的最熱存儲虛擬化技術,在廠商的全力推動下,市場份額越來越大,開始呈現出全面取代傳統存儲的趨勢。同傳統存儲相比,磁盤陣列虛擬化產品在容量、性能、功能和可用性方面都有了長足的進步,用戶對此也頗為認可。


    磁盤陣列虛擬化是不影響服務器和交換機的架構,在存儲控制器內部運行的虛擬化引擎。物理磁盤的空間首先被池化處理,統一進行管理和維護;在此基礎上,為主機提供一些高級的功能,比如精簡配置、分層和精簡快照等。


    同傳統的存儲設備相比,磁盤陣列的虛擬化有下列特點。


    1)可交付的容量達到PB 級。


    2)IO性能得到提升,通過池化處理,IO 能夠分布到更多的磁盤中,增加并發能力。


    3)提供卷的精簡配置。


    4)提供精簡快照功能,同傳統快照相比,空間和處理器的占用率很低。


    5)內置遠程復制功能,便于實現容災。


    6)管理界面簡潔實用,易于使用。


    磁盤陣列虛擬化有3 種實現方式,分別是基于網關的存儲虛擬化、基于數據塊的存儲虛擬化和基于盤組的存儲虛擬化。這3 種方式各自都有不同的存儲廠商提供產品,也各有優缺點,下面對它們分別討論。

2.3.1 基于網關的存儲虛擬化


    這種方式是在主機層與存儲層之間以帶內(In-Band)方式增加一個存儲網關層,用于接管原先由主機直接訪問的存儲卷(LUN)。存儲設備先將卷映射給存儲網關,存儲網關將這些卷根據性能或其他因素整合為存儲池,然后再根據主機的需要劃分為卷并映射給相應的主機。主機對卷的訪問全部通過存儲網關執行,由于進行了池化處理,并發性會得到一定的提升。基于網關的存儲虛擬化為用戶帶來的好處如下。


    1)整合存儲,將不同型號的存儲通過存儲網關整合到一起,便于統一管理和維護。


    2)增加高級功能,存儲網關在存儲池的基礎上能夠為主機提供一般存儲無法實現的很多高級功能,如精簡配置、精簡快照、遠程復制,甚至應用級容災等。


    由于技術所限,存儲網關也有一些不足之處。


    1)性能瓶頸,在這種架構中,有兩個地方會產生性能瓶頸,一是網關本身,因為所有的IO 都要通過網關才能實現;二是被整合存儲中性能最低的存儲設備,木桶效應告訴我們,如果所有存儲設備的卷都在一個存儲池的話,IO 性能會與性能最低的設備持平,從而降低整體性能指標。


    2)責任劃分不清,出現故障時,由于接入的設備情況比較復雜,會為排除故障造成更多的阻礙,甚至還會發生廠家相互扯皮擺脫責任的情況,不利于迅速解決問題。

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    圖3 基于網關的存儲虛擬化架構圖


    2.3.2 基于盤組的存儲虛擬化


    這種方式是在存儲控制器中先將磁盤組融合為存儲池,然后從存儲池中為服務器分配和映射卷。


    同基于網關的存儲虛擬化相比,這種方法的資源消耗比較少,性能相對較高,也能提供高級功能,可以進行分層存儲。缺點是無法進行存儲整合。


    基于盤組的存儲虛擬化可以用作生產存儲,性能和功能基本滿足一般的存儲需求。

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    圖4 基于盤組的存儲虛擬化架構圖


    2.3.3 基于數據塊的存儲虛擬化


    這種方式是在存儲控制器中,將來自磁盤箱中各個磁盤的物理扇區直接劃分到存儲池中,然后從存儲池中為服務器分配和映射卷。

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    圖5 基于數據塊的存儲虛擬化


    2.3.4 最佳實踐


    在實際應用過程中,虛擬化架構的選擇還需根據實際現狀來確定,選擇適合的,能夠滿足需求的才是最好的。


    實際當中可以參照下面的原則選型。


    1)當規劃中的存儲空間超過50塊硬盤時,就不應購買傳統的或者低端存儲。


    2)如果需要整合很多老存儲設備,比如DAS、低端SAN 等,就需要選擇基于網關的存儲虛擬化產品。


    3)如果需要建立新的生產存儲,應該考慮選擇基于數據塊的存儲虛擬化產品。


    4)如果上面兩個條件都滿足,應該將整合后的老舊存儲用于二線存儲,例如測試、開發環境等。

 

    表1 磁盤虛擬化功能對比

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    3.存儲虛擬化的發展


    技術創造一切,市場則決定其生死。在未來的發展中整合到應用的存儲虛擬化技術將乘著虛擬化的東風破浪前進,而且會更加深入地挖掘和利用底層存儲的功能來提高自身的效率。交換架構虛擬化已經成為歷史,所有供應商都終止了此類產品的供應。


    在磁盤陣列虛擬化中基于盤組的存儲虛擬化基本是由一些傳統的存儲大廠推出的,他們為這個不太先進的架構給予的市場推廣力度大的驚人,但用戶是聰明的,當他們用過并比較了之后,一定會發現這個龐然大物的玄機。雖然它不會迅速落幕,但走下坡路是肯定的。


    基于網關的存儲虛擬化雖然無法提供很高的性能和精細優質的功能,但是其獨有的整合功能卻也是無法替代的。這個架構在未來會在存儲整合與數據保護和容災的道路上走得很遠。基于數據塊的存儲虛擬化由于技術上的先天優勢會在主生產存儲方面大放異彩,優越的磁盤并發性、精細的分層機制、優化的遠程復制能力、高效的存儲集群功能將會引領它走向巔峰。




來源:ciotimes
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