虚拟化—网络存储的基础

虚拟存储的三种类型存储需求增加导致存储系统日益庞大和复杂，治理的难度也随之增加。要想简化存储设备的安装和配置，有效利用异构的存储设备，满足不可预见的存储资源需求，必须采用虚拟化存储技术。虚拟存储是介于物理存储设备和用户之间的一个中间层，它屏蔽了具体物理存储设备的物理特性，呈现给用户的是逻辑设备。它所带来的最大好处是提供了一种简单有效的治理手段：在已经建立好的存储池上，用户可以方便地划分虚拟存储空间，当需要增加新的物理存储设备时，用户无需停止服务来对整个存储系统进行重新配置，只需要对存储系统进行简单的配置更改，就可以使新的存储设备加入到存储系统中。在SAN系统中，一条完整的数据通路包括前端主机、后端存储设备以及连接主机和存储设备的网络。在这条数据通路的任何一个环节上都可以实现虚拟化存储层，因此根据虚拟化层在存储网络体系结构中的位置，虚拟化存储可以分为三种类型：基于服务器的虚拟化、基于存储设备的虚拟化和基于网络的虚拟化。这三种虚拟存储适用于不同的环境，基于服务器的虚拟存储适用于以服务器为中心且前端服务器数目较少的存储环境；基于存储设备的虚拟化针对异构SAN架构，更适用于以存储为核心的环境；基于网络的存储虚拟化适合于开放的存储网络，它独立于主机，同时也独立于存储设备。 1．基于服务器的虚拟化存储基于服务器的虚拟化存储不需要额外的非凡硬件，虚拟化层以软件模块的形式嵌入到应用服务器的中，将虚拟化层作为扩展驱动模块，为连接到存储网络上的各种存储设备提供必须的控制功能。基于服务器的虚拟化存储一般是通过逻辑卷治理实现的。逻辑卷治理为从物理存储映射到逻辑上的卷提供了一个虚拟层，卷治理在系统和应用级上实现多机间的共享存储、存储资源治理、数据复制、数据迁移、远程备份、灾难恢复等任务。由于虚拟化软件运行在服务器上，它就必然要占用服务器的CPU、内存等资源，给服务器带来额外开销。而且基于服务器的虚拟化存储必然与服务器的硬件平台和操作系统紧密相关，这使得软件的移植性较差，难于应用在异构服务器环境中。不过，由于不需要任何硬件的支持，也不影响现有存储系统的基本架构，因此基于服务器的虚拟化存储最轻易实现且成本最低。目前，基于服务器的虚拟化存储已经有成熟的软件产品，这些软件一般提供了便于操作的图形化治理界面，可以方便地用于存储虚拟化治理。从这个意义上看，基于服务器的虚拟化存储是一种性价比较高的方法。 2．基于存储设备的虚拟化存储基于存储设备的虚拟化是将虚拟化层放在存储设备的适配器或控制器上。由于目前国际上还没有统一的国际标准，各存储设备厂商所提供的存储产品虚拟化功能可谓千姿百态。这就意味着不同厂商的存储产品很难在一个存储系统中无缝结合，用户只能锁定某一个厂商的产品，削弱了系统的灵活性。不过，这种方法直接在存储设备上实现虚拟化，实现起来相对轻易，同时它对用户和治理人员都是透明的，因此为用户和治理员的治理提供了很大的方便。 3. 基于网络的虚拟化存储基于网络的存储虚拟化是在主机和存储设备之间的网络设备上实现存储虚拟化功能。按照其实现的位置不同，基于网络的虚拟化又可以细分为以下三种方式。

• 基于交换机的虚拟化 虚拟化层直接嵌入交换机上，通过改造或添加交换机中间件，使其同时具备交换和虚拟化功能，这种结构无需在应用服务器上运行虚拟化软件，减少了应用服务器的负载。
• 基于路由器的虚拟化 虚拟层位于存储网络的路由器上，该路由器不仅具备交换机的交换功能，同时还具有不同协议的转换功能，使得不同协议的存储网络能够连接到一起。这种虚拟化方式能够有效地提高系统性能，减少应用服务器的负载。
• 基于元数据服务器的虚拟化 这是一种带外的虚拟化方法，它在存储网络中连入一台专门的服务器用于实现虚拟化功能，这台专用的服务器称为元数据服务器或者元数据控制器。在这种虚拟化方法中，应用服务器上驻留一个虚拟化代理软件模块用于维护本地的数据视图和I/O重定向。元数据服务器则负责完成存储网络环境中的虚拟化数据治理工作并维护着整个存储网络的虚拟化视图。当应用服务器所需数据不在本地视图中时，它首先通过代理软件模块向元数据服务器发出请求，元数据服务器把相关的数据视图和元数据返回给应用服务器，应用服务器再根据这些元数据去取得相应的数据。

虚拟化的好处虚拟化技术能大大减少存储系统的治理难度，提高存储治理的效率并有效地利用存储资源，其主要好处体现在以下几个方面：

• 简化存储容量治理：用户可以将注重力集中在存储容量和安全模式上，不必关心存储系统的硬件容量、类型或其他物理磁盘特性。治理员可以通过增加物理磁盘来扩大存储系统的容量。
• 简化存储系统配置：用户需要提供的配置参数仅限于存储的容量需求上，他可以随意使用多个不同RAID级别的磁盘容量而不需要进行非凡的配置。
• 简化了存储容量分配:存储系统治理员只需给出什么时候需要多大容量的虚拟磁盘即可。当用户不再需要这些容量时，还可以将虚拟磁盘空间释放。
• 提高存储资源的利用率:虚拟化存储的存储容量分配机制能够在很大程度上提高存储资源的利用率，最大限度地满足用户对存储资源的空间需求。同时，由于虚拟磁盘的存储空间采用了条带化方法进行划分，因而能够有效提高虚拟磁盘的性能。

在未来，虚拟化存储系统将朝着功能增强、操作简单化和接口规范化的方向发展。今后的虚拟化系统将能够治理兼容多种规格的存储产品，并且融合存储系统的容灾功能与数据快速恢复功能。同时，虚拟化系统不仅可以在存储空间上满足用户的需求，而且还能在存储质量上满足用户不同种类的需求，例如，针对某些重要部门和重要数据提供吞吐性能更好的虚拟逻辑卷，而对于哪些不经常使用的数据提供普通性能的逻辑卷，从而使存储资源不仅在空间上，而且在存储的质量上更加合理分配，充分实现现有存储系统的效益。

相关链接：两种虚拟存储结构模型     根据虚拟化存储的拓扑结构，SAN的虚拟化存储可分为对称结构（Symmetric）和非对称结构（Asymmetric）两种实现模型。对称式虚拟存储技术是指虚拟存储控制设备与存储软件、交换设备集成为一个整体，嵌在网络数据传输路径中；非对称式虚拟存储技术是指虚拟存储控制设备独立于数据传输路径之外。因此对称结构模型也称为带内(In-band)模型，而非对称结构模型称为带外（out-of-band）模型，这里的“band”指的就是数据通路。 1．对称虚拟存储     对称结构虚拟存储又叫做带内虚拟化存储，其实现途径是在数据通路中插入虚拟存储层，并由虚拟化治理软件对存储设备和服务器主机进行配置和治理，存储数据和控制信息使用同一条通路（下图）。     对称虚拟存储结构由于控制命令和存储数据共用一条通路，因此虚拟存储层轻易造成网络拥塞而形成系统瓶颈，降低系统性能。此外，这种结构的虚拟存储系统轻易出现服务器到存储设备的单点故障，因此对称虚拟存储结构在实际使用中往往要做冗余配置。 2.非对称虚拟存储     非对称结构虚拟存储也叫做带外（out-of-band）虚拟存储，其实现途径是把装有虚拟化治理软件的主机或控制器从数据通路的外部接入存储网络，对网络进行治理。而网络存储系统除数据通路之外，还存在另外一条控制通路，存储数据和控制命令分别走这两条不同的通路。应用服务器节点的I/O请求先通过控制通路传送到专用的元数据服务器或控制器，获得元数据和数据视图后通过数据通路获得需要的数据（下图）。      在非对称性虚拟存储结构中，存储数据在专用的数据通道上传输，减少了网络延迟，增加了带宽的可用性，从而提高了系统性能，同时这种结构还避免了系统的单点故障和瓶颈。其不足是在一定程度上增加了用户的投资。