I/O的虚拟世界

对于很多厂商的私有产品来说，服务器、存储和网络虚拟都不是什么新概念了，它们的历史就算没有几十年，也有几年之久了。虚拟可以模拟、抽象或者聚合服务器、存储和网络等物理资源。新鲜的是，基于开放系统的技术正在逐渐普及，这些技术能够帮助解决开放服务器、存储和网络蔓延的问题，帮助控制成本、解决能耗和制冷瓶颈，提高资源利用效率，并且加强基础架构资源的管理。

随着人们对服务器虚拟的了解越来越多（VMware、Xen、Virtual Iron和微软），更不用说传统的服务器平台厂商的系统管理程序和分区管理器和存储虚拟化的普及，虚拟I/O（virtual I/O，VIO）和I/O虚拟化（I/O virtualization，IOV）已经成为解决各种虚拟造成的I/O瓶颈问题的时髦方法。IOV和VIO是服务器方面的话题、网络方面的话题，还是一个存储方面的话题？答案是：和服务器虚拟化一样，IOV包含了服务器、存储、网络、操作系统和其他基础架构资源管理技术。

你说VIO，我说IOV

一点也不奇怪，既然网格和集群这两个词可以彼此替换、混合和调整，以满足不同的要求和产品需求，IOV和VIO也用于描述不同的事物。它们被用于描述一系列功能：从减少I/O延迟、提高性能到虚拟服务器和存储I/O间的连接都涵盖在其中。

虚拟I/O加速可以提高性能，缩短响应时间和延迟，让I/O操作对于用户和应用来说仿佛是虚拟的一样。I/O加速技术的使用范例，除了英特尔（Intel）基于处理器的技术之外，还有内存和基于服务器的RAM磁盘，以及FusionIO之类的公司提供的基于PCIe卡的FLASH/NAND内存SSD（solid state disk，固态盘）设备，除非通过NFS或者在基于微软Windows Storage Server（WSS）的iSCSI对象或NAS设备上，否则这些设备只能够供本地服务器访问。另一些例子包括诸如TMS（Texas Memory Systems）、SolidData或者Curtis提供的共享外部闪存或DDR/RAM SSD、还有针对基于块或者文件数据的高速缓存设备，这些数据来自Gear6，Gear6是用于加速EMC、Network Appliance（NetApp）或者其他厂商的NFS存储系统的。

另一种I/O虚拟的形式是虚拟服务器到服务器和服务器到存储的I/O连接。解决服务器和存储I/O连接的IOV包括以下组成部分：虚拟适配器、交换机、网桥或路由器，也被称为I/O导向器，以及物理网络传送器、接口和线缆。 

图1：传统的LAN和SAN的独立连接

虚拟N_Port和虚拟HBA

顾名思义，虚拟主机总线适配器（HBA）或者虚拟网络接口卡（NIC）是物理HBA（如图1所示）或者NIC的虚拟代表（如图2所示），这和虚拟机将一台物理机器表示或虚拟成虚拟服务器一样。有了虚拟HBA或NIC，真正的或物理的NIC资源就可以被划分开，并像虚拟机一样被分配，但是不用使用诸如Windows、UNIX或者Linux之类的客户端操作系统，呈现出来的是光纤通道（FC）HBA或者以太网NIC。

在一台传统的物理服务器上，操作系统可以看到一个或多个光纤通道，即使PCI或PCIe插槽中只插了一个物理适配器，例如基于InfiniBand的HCA。在VMware ESX之类的虚拟服务器上，系统管理程序可以看到并且分享单一的物理适配器，如果出于冗余或性能的原因使用了多个物理适配器的话，系统管理程序就可以看到多个物理适配器，对于客户端操作系统来说，将会看到一个使用即插即用驱动器的标准光纤通道和以太网适配器，或者是NIC。

不要和虚拟HBA混淆，N_Port ID Virtualization（NPIV，N_Port ID虚拟化）本质上是一种输出机制，它允许分享一个适配器的带宽。博科（Brocade）、思科（Cisco）、Emulex和QLogic NPIV的适配器和交换机可以支持NPIV，允许LUN或卷被映射到唯一的虚拟服务器，如果使用共享物理适配齐的话，则是虚拟机（VM）initiator上。NPIV展现多个虚拟N_Port和一个唯一的ID，这样不同的虚拟机（initiator）在共享光纤通道适配器上物理N_Port的时候就可以访问存储目标，或者进行路径控制。

聚合I/O网络和虚拟I/O在商业和技术上的价值与服务器同存储虚拟的价值类似。IOV的价值和好处包括以下几个方面：

•  （人力和技术）做更多的事，或者降低成本
•  让网络和存储I/O使用同一连接（如果为了确保高可用性，可能是一对连接）
•  降低能耗、制冷成本，减少设备占地，带来其他“绿色”友好的便利
•  简化布线，降低从服务器到网络或存储之间连接的复杂程度
•  提高集群或虚拟服务器的性能，将PCI或中间I/O槽性能最大化
•  能够根据工作负载调整和虚拟服务器I/O的调整需求，快速地重新部署
•  扩展I/O的容量，以满足高性能和集群服务器或存储应用的需要
•  使用公用的线缆架构和物理网络设备

图2：统一或聚合数据中心构造或网络的范例

在图2中，你看到了一个HBA和NIC连接到交换机或I/O导向器的示例，它们依次和基于以太网的LAN及光纤通道SAN连接，供网络和存储访问使用。图3显示了不同I/O连接、传输和协议之间的比较，这个图可以帮助你了解不同的技术使用于什么场合。

数据中心以太网和FCoE

DCE（Data center Ethernet，数据中心以太网）是在现有的以太网的基础上发展起来的，该技术可以解决数据中心对高性能和低延迟I/O的需求，网络和存储通信都可以将DCE作为统一的连接使用。DCE的一个实例是Fibre Channel over Ethernet（FCoE），该技术在传统以太网技术的基础上，降低了延迟时间，引入了QoS（quality of service，服务质量）、优先组等其他的增强功能，FCoE目前被作为一种强壮的存储连接使用。

图4显示了在传统用法中，彼此独立的专用光纤连接光纤通道SAN和以太网或者基于IP的网络。有了FCoE（图5），缺少最低物理层的光纤通道可以映射到以太网上，和其他的通信及协议（也包括TCP/IP）共存。注意，FCoE针对的是数据中心而不是长距离传输，长距离传输还是继续依赖FCIP（Fibre Channel over IP），而基于WDM的MAN则适合于短距离传输。

图4：今天独立的物理数据中心I/O网络（接口和协议）

图5: 基于以太网、统一的聚合数据中心结构或I/O网络

服务器、存储和网络I/O虚拟分类中的另一个组成部分是虚拟配线架，它掩盖了传统物理配线架复杂的添加、去除、移动和变动。例如，一家新公司进行了大规模的安装，把成熟的技术引向未来，OptiPath技术最早是由Intellipath。对于有着复杂线缆需求、需要安全的物理访问的大型动态环境来说，虚拟配线架是IOV交换机和虚拟适配器技术的一个很好补充。

DCE对垒IB：谁将是赢家？

我不认为InfiniBand（IB）将在短时间内消亡，但是IB所有的技术功能和容量随着时间的推移，将处于不利的位置，因为以太网已经形成了巨大的经济规模，即使是高价的以太网版本也是如此。今天，对于想统一线缆或者把线缆聚合在一起的人来说，基于InfiniBand的解决方案是一个可行的选择，它能够把现有的以太网LAN或WAN和基于光纤通道的SAN连接在一起。显然，对于使用InfiniBand技术的人来说，聚合或者今天的数据中心正在等待着数据中心以太网和相关系统（适配器、驱动器、交换机、存储系统）的发展，你的投资应该得到保护。

以太网对于通用网络来说是一种非常流行的选择，它目前已经发展到可以支持FCoE和增强的低延迟数据中心以太网了，因此不必将存储I/O活动堆栈到IP之上，让IP变成了非常好的一个远程解决方案，或者让NAS或低成本iSCSI块访问共存在同一个以太网中。不管你喜不喜欢，把光纤通道映射到普通以太网聚合或统一网络上如果不是一种妥协的话，就是一个跳板，让不同的存储和网络接口、日用网络、经验和技能能够和性能或确定性的行为结合起来。如果没有其他的问题，一个聚合的以太网可以从不同的适宜范围和路径进行迁移，而对IP使用的网络限制则非常少。

短期内，不管喜欢IP或网络的传统存储专业人士，或者转而喜欢IP的存储专业人士的评价如何，FCoE确实前进了一步。除了市场宣传和技术上的吹嘘，InfiniBand目前已经赢得了一些立足点，但是如果考虑到业务、经济、目前的采用率和其他的一些因素，聚合数据中心级的以太网则会是赢家。IP从长期看，将是有力的竞争者，它不会永远屈居于现在的位置上，支持iSCSI、NAS和跨越远距离的光纤通道（FCIP）。

值得关注的厂商行动

一些厂商已经开始采取行动了，显示出这一技术理念正在落到实处，厂商们开始真正地提供IOV技术了。例如，博科（Brocade）就公布了该公司的DCF（Data Center Fabric）行动计划。同时，QLogic、NetApp以及新兴公司Nuova今年秋天，在达拉斯举办的2007 SNW大会上展示了聚合网络架构。思科（Cisco）继续保持着自己的领先地位，该公司使用收购Topspin得到的技术增强了公司的InfiniBand产品线中的交换机和路由器。QLogic也通过收购Silverstorm充实了自己的InfiniBand阵营，并且在最近的Supercomputing 2007大会上做了新的发布。

新兴公司Woven推出了一款低延迟、高性能的以太网交换机，该交换机可以支持数据中心级的以太网部署。另一家新兴公司Xsigo提供的IOV解决方案能够针对任意点到任意点的以太网访问（包括基于IP的存储和光纤通道的SAN）提供虚拟HBA和虚拟NIC。新的营销意味着你将会听到更多CAN（converged network adapter，聚合网络适配器）、CNI（converged network interface，聚合网络接口）、SONA（service-oriented network architecture，面向服务的网络架构）和统一fabric等技术的消息。

存储和I/O适配器、NIC、交换机和网络芯片厂商密切关注着博科、Chelsio、思科、Emulex、英特尔（Intel）、Mellanox、Neterion、NetXen、Nuova、OptiPath、QLogic、Voltaire、Woven、Xsigo以及操作系统、服务器和存储系统厂商，还有其他一些厂商的动态。它们还关注着行业贸易组织和标准机构的动态，例如ANSI T11、FCIA、FCoE、IBTA（InfiniBand商业协会）和PCIsig的动态。

现在请全神贯注

虚拟环境仍然依赖于物理资源和架构资源管理而存在。了解虚拟I/O操作和虚拟I/O连接的各种方法之间的差异，以及它们能够给你所在的机构带来哪些价值。和其他虚拟技术和工艺一样，你应该仔细考虑这些解决方案，了解它们能够解决你的什么问题或者满足什么需求，同时还应该小心地避免增加系统的复杂性。