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)倉庫、網(wǎng)絡(luò)娛樂等網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的蓬勃興起和廣泛使用,積極地推動了計算機技術(shù)的進步,對現(xiàn)有的計算機技術(shù)提出了更高的要求。尤其在存儲方面,不光容量呈指數(shù)增加,并且對存儲性能、存儲安全性、穩(wěn)定性、易管理性等諸方面有了進一步的要求。目前,國際上存儲技術(shù)的發(fā)展十分迅速,存儲技術(shù)被認為是繼處理技術(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)新的存儲技術(shù)推向市場時,必須要與現(xiàn)有的存儲兼容。假如新的存儲設(shè)備的接口和管理改變很多,不僅技術(shù)本身的實現(xiàn)難度很大,而且也很難在市場上立足。幾乎所有的計算機存儲技術(shù),無論是文件服務(wù)器的NAS類型的存儲網(wǎng)絡(luò),還是光纖通道SAN 類型的存儲網(wǎng)絡(luò)都遵從這個規(guī)律。而虛擬化是最常見的提供這種兼容性的技術(shù),它能夠提供存儲、I / O 產(chǎn)品和過程的兼容性。
2 存儲區(qū)域網(wǎng)(SAN)技術(shù)分析
按照SNIA(存儲網(wǎng)絡(luò)工業(yè)協(xié)會)定義,SAN 是一種利用FC 等互連協(xié)議連接起來的,可以在服務(wù)器與存儲設(shè)備之間以及存儲設(shè)備與存儲設(shè)備之間直接傳送數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)。獨特的體系結(jié)構(gòu)和構(gòu)建技術(shù)使SAN 具有很多優(yōu)點:如高性能、高可用性、高可擴展性;便于集中存儲和管理;實現(xiàn)LAN-free Backup,數(shù)據(jù)備份不占用LAN 帶寬;支持更遠的距離等。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,對于不同的制造商,光纖通道協(xié)議的具體實現(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)盟來保證他們的產(chǎn)品互操作,但因為具體實現(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SAN 需要有豐富經(jīng)驗的,并受過專門訓(xùn)練的專業(yè)人員,這大大增加了構(gòu)建和維護費用。
③在異構(gòu)環(huán)境下的文件共享方面,SAN 中存儲資源的共享一般指的是不同平臺下的存儲空間的共享,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 研究的一個熱點就是SAN 的存儲虛擬化技術(shù),通過SAN 的存儲虛擬化來根據(jù)需要分配存儲資源,整合不同設(shè)備商提供的存儲產(chǎn)品,提供可選擇性的配置功能來獲得更高的可用性和減少用戶總成本。
3 存儲虛擬化技術(shù)分析
(1)存儲設(shè)備的虛擬化。這種虛擬化在設(shè)備層實現(xiàn),最常見的虛擬存儲設(shè)備是RAID。它將多個物理磁盤按不同的分塊級別組織在一起,屏蔽了具體的物理磁盤,為用戶提供了一個統(tǒng)一的邏輯磁盤,用戶對RAID 的操作就像對普通磁盤一樣。RAID 的虛擬化是由RAID控制器實現(xiàn)的,它解釋用戶的I / 0 指令并將它們發(fā)給物理磁盤執(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 的虛擬化是存儲系統(tǒng)的發(fā)展趨勢,它在文件系統(tǒng)層實現(xiàn)。SAN 虛擬化的目的就是讓用戶和應(yīng)用系統(tǒng)把SAN 作為一個單一的、同構(gòu)的資源池來存取和控制。其中包括根據(jù)不同應(yīng)用系統(tǒng)的需要對SAN 中的數(shù)據(jù)進行管理、保護、使用和操作,對設(shè)備進行監(jiān)控,從而充分利用SAN 的存儲能力。SAN 的虛擬化需要在原有體系結(jié)構(gòu)中加入一個新結(jié)構(gòu)層,即虛擬化層,這個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,SAN 是一個結(jié)構(gòu)相對簡單的、具有統(tǒng)一界面的虛擬存儲池。存儲池中邏輯存儲單元的具體情況只是系統(tǒng)管理員關(guān)心的問題,對用戶和應(yīng)用程序則是完全透明的。
(3)多個SAN 之間的虛擬化。隨著IP 存儲的興起,F(xiàn)C SAN 和IP 存儲結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系越來越緊密,IP 存儲可以作為FC SAN 的重要補充,F(xiàn)在,多個SAN 之間可以通過FCIP 協(xié)議實現(xiàn)互連,即多個獨立的SAN 可以通過IP 網(wǎng)絡(luò)連接成一個統(tǒng)一的SAN。如何實現(xiàn)多個SAN之間的虛擬化,這個問題已經(jīng)擺在人們面前。
(4)廣域的存儲資源虛擬化。廣域的存儲虛擬化是存儲資源最高的抽象形式,它將全球范圍的存儲資源統(tǒng)一成一個巨大的邏輯存儲池。它的出現(xiàn)將使大規(guī)模存儲和計算徹底分離,導(dǎo)致存儲服務(wù)提供商(SSP)和存儲服務(wù)代理(SSA)的誕生。實現(xiàn)了廣域的存儲虛擬化,用戶的計算機將只需要計算功能和傳輸功能,當(dāng)需要使用大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲時,可以向存儲服務(wù)代理提出請求;后者將從廣域的虛擬存儲池中選擇合適的存儲資源,并向相應(yīng)的存儲服務(wù)提供商提出具體的存儲需求;存儲服務(wù)提供商將按需分配相應(yīng)存儲資源給用戶,并提供各種功能服務(wù)。廣域的存儲資源虛擬化是數(shù)據(jù)網(wǎng)格研究的主要內(nèi)容。
4 SAN虛擬化的實現(xiàn)
在SAN 的范圍內(nèi),通常存儲虛擬化是指將具體的物理存儲設(shè)備和服務(wù)器操作系統(tǒng)分隔開來,為存儲用戶提供統(tǒng)一的邏輯視圖,它是具體存儲系統(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)存儲操作和具體的存儲控制分離;另一方面,它將各個磁盤、陣列等物理存儲設(shè)備映像成一個邏輯存儲池。存儲虛擬化要完成三個任務(wù):
①在多個物理存儲設(shè)備上創(chuàng)建一個抽象層;②屏蔽存儲系統(tǒng)的復(fù)雜性,簡化管理,尤其是在異構(gòu)環(huán)境中;③對存儲資源進行優(yōu)化。
SAN 的虛擬化是通過虛擬化層來實現(xiàn)的。它將可用的存儲空間分成虛擬磁盤或虛擬卷,而無須考慮實際存儲設(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)一種物理磁盤的抽象,使操作系統(tǒng)像使用磁盤一樣使用。整個SAN 內(nèi)的虛擬卷提供實現(xiàn)重要數(shù)據(jù)傳輸功能的SAN 服務(wù),包括遠程映像、虛擬磁帶等。SAN 的虛擬化層將會取代傳統(tǒng)的服務(wù)器受限的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu),并且將進一步影響存儲器硬件的結(jié)構(gòu)。某些SAN 虛擬化層提供RAID 的功能,它允許按照以單個磁盤為單位擴充存儲系統(tǒng),將RAID 的功能從存儲子系統(tǒng)中抽取出來在SAN 中實現(xiàn)。虛擬化SAN 有多種實現(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現(xiàn)方式:
(1)多主機陣列。它通常采用RAID 控制器硬件在存儲子系統(tǒng)級別構(gòu)建虛擬化層,對SAN 系統(tǒng)進行響應(yīng)。這種實現(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,但你只能購買與陣列一致的磁盤。最大的缺點是存儲池的大小和構(gòu)成的組件受限于陣列的封閉性,需要增加存儲空間就意味著要運行多個存儲池與失去分配和集中管理的自由。所以這種方式對不同廠商的產(chǎn)品支持不夠。
(2)邏輯單元號掩碼。這種虛擬化方式是在每個主機安裝特殊的設(shè)備驅(qū)動程序來防止主機存取不屬于它的存儲資源。這些邏輯單元號掩碼驅(qū)動程序通常是一個基于主機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SAN環(huán)境中會帶來意想不到的復(fù)雜性和額外開銷:!要為潛在的每種服務(wù)器平臺提供支持和維護,對驅(qū)動程序開發(fā)商是一個巨大挑戰(zhàn);"每個主機都要安裝驅(qū)動程序會對主機和網(wǎng)絡(luò)性能有影響;#要在大量的主機上改變管理設(shè)置是讓人厭煩、緩慢和開銷很大的一項工作。值得注意的是存在潛在的安全性問題:沒有安裝驅(qū)動軟件的“欺詐”主機可能突破共享資源的安全性控制來盜取存儲池中屬于他人的數(shù)據(jù)。
(3)文件重定向器。這種虛擬化方式是通過一個外部的元數(shù)據(jù)控制器或者文件系統(tǒng)管理器,將SAN 中的每個主機需要的文件名映射到磁盤的塊地址上。這些元數(shù)據(jù)服務(wù)器的目的除了虛擬化存儲池空間,還試圖降低網(wǎng)絡(luò)上的磁盤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)具有一定的實用價值,但是和邏輯單元號掩碼方式(LUN Masking)存在同樣的問題: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,要在每臺主機上安裝相應(yīng)的組件。
(4)專用帶內(nèi)虛擬化引擎。這種方式通過位于主機與物理存儲之間的專用平臺的整合管理、存儲分配和安全功能來提供虛擬化的存儲池空間。虛擬化引擎可以支持各種流行的開放系統(tǒng)的服務(wù)器,而且不需要在主機上附加軟件;它還可以方便地組合進大量的組件和功能:從存儲池到硬件地址嚴格對應(yīng)映像的、需要交換機和存儲設(shè)備硬件支持的、簡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。一般認為帶內(nèi)引擎會降低數(shù)據(jù)流量,所以虛擬化平臺的失敗會降低可用性和存在單點失敗。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冗余來避免單點失敗,而且可以利用內(nèi)置在磁盤陣列內(nèi)中的Cache,提供相應(yīng)的讀寫Cache 算法來提高物理磁盤的性能。
(5)存儲域服務(wù)器。該方式是將一個商業(yè)服務(wù)器平臺專用于磁盤存儲池到主機的虛擬化和分配。在專用服務(wù)器平臺的本地操作系統(tǒng)上構(gòu)建一個網(wǎng)絡(luò)存儲控制層實現(xiàn)SAN 虛擬化,虛擬化的功能由軟件實現(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)性能帶來顯著的提高,存儲域服務(wù)器也能為SAN 的存儲虛擬化帶來一樣的好處。一些存儲域服務(wù)器被設(shè)計成可在SAN 中互相協(xié)調(diào)合作,在維護一個巨大的存儲池的中央管理功能的同時分擔(dān)負載和管理工作。因此可根據(jù)需要優(yōu)化存儲域服務(wù)器的數(shù)量和硬件性能。
存儲域服務(wù)器可以通過一些方法增加I / O 性能,比如增加獨立于主機和存儲設(shè)備的Cache、對帶內(nèi)性能和負載監(jiān)控、快照和遠程鏡像服務(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 的整個存儲池上構(gòu)建與網(wǎng)絡(luò)無關(guān)、與服務(wù)器無關(guān)的支持、災(zāi)難恢復(fù)系統(tǒng)和決策支持系統(tǒng)。存儲域服務(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)軟硬件插件的簡單的存儲域服務(wù)器,雖然失去一些存儲域服務(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存儲虛擬化的實現(xiàn)
在USN(統(tǒng)一存儲網(wǎng))項目中,為了實現(xiàn)SAN 和NAS的結(jié)合,我們設(shè)計了一種以網(wǎng)絡(luò)為中心的SAN 存儲虛擬化的實現(xiàn)方案。圖1 為該方案的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖1 SAN 存儲虛擬化的結(jié)構(gòu)示意圖
這種方案在SAN 互連這一級增加一臺元數(shù)據(jù)服務(wù)器專用于提供存儲虛擬化。使用非對稱結(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)器中存放整個虛擬存儲池的全局數(shù)據(jù)視圖,處理元數(shù)據(jù)的訪問。應(yīng)用服務(wù)器和元數(shù)據(jù)服務(wù)器既可以通過SAN 以帶內(nèi)方式連接,也可以通過帶外方式連接,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,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)的實現(xiàn)比較復(fù)雜,但是因為它具有存儲性能和可擴展性方面的優(yōu)勢,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,我們使用兩臺專用服務(wù)器,一臺用于塊級的卷管理,另一臺專用于文件服務(wù)。
6 小結(jié)
隨著存儲虛擬化技術(shù)和存儲管理軟件的高速發(fā)展,存儲子系統(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)計算的系統(tǒng)核心將圍繞網(wǎng)絡(luò)存儲展開。同時,存儲管理在存儲網(wǎng)絡(luò)中所占的成本越來越高,已經(jīng)成為困擾IT 管理人員的最大問題。存儲虛擬化軟件可以應(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;采用圖形化界面管理方式,可以自動識別新裝入的存儲設(shè)備,并自動使其可用;可以按照用戶需求進行基于策略和基于OoS 的管理,同時減少了系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的暴露幾率,增加了系統(tǒng)的安全性。因此,隨著存儲網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,存儲虛擬化技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。
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本文標(biāo)題:存儲區(qū)域網(wǎng)(SAN)中存儲虛擬化的研究與實現(xiàn)
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