2022年存储虚拟化技术 2.pdf

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1、存储虚拟化技术何谓存储虚拟化随着企业对存储需求的不断增长与存储系统的不断扩大，存储设备多种多样，存储网络系统与环境也越来越庞大与复杂，那么，如何简化存储设备的安装和配置？如何有效地管理和利用数目众多的异构性存储设备？如何充分地利用众多存储资源而提高利用率？如何使得存储资源的分配更加合理化？如何满足不可预见的存储资源需求在网络存储系统中，虚拟化存储就是要解决管理人员所面临的一系列复杂问题。所谓存储虚拟化是将实际的物理存储实体与存储的逻辑表示分离开来，应用服务器只与分配给它们的逻辑卷（或称虚卷）打交道，而不用关心其数据是在哪个物理存储实体上。从专业的角度来看，虚拟存储是介于物理存储设备和用户之间的

2、一个中间层。这个中间层屏蔽了具体物理存储设备（磁盘、磁带）的物理特性，呈现给用户的是逻辑设备。用户对逻辑设备的管理和使用是经过虚拟存储层映射，来对具体物理设备进行管理和使用的。从用户的角度来看，用户所看到的是存储空间不是具体的物理存储设备，用户所管理的存储空间也不是具体的物理存储设备。用户可随意使用存储空间而不用关注物理存储硬件（磁盘、磁带），即不必关心底层物理设备的容量、类型和特性等，而只需要把注意力集中在其存储容量及安全模式的需求上。特点虚拟存储具有如下几个方面的特点：简化存储容量的管理、配置和分配工作虚拟存储提供了一个简单而有效的存储系统管理。用户可方便地划分、扩展、缩小虚拟存储空间，只

3、需要简单地更改配置就可在线增加新的物理存储设备。用户将注意力集中在存储系统的容量和安全模式的需求上，而不必关心存储系统的硬件容量、类型或者其他物理磁盘的特性，提高存储资源的利用率，最大程度满足用户对存储资源的空间需求。有效整合异构的存储设备名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 7 页 - - - - - - - - - 虚拟存储屏蔽了具体物理设备，能把不同类型、不同特性的异构存储资源整合成一个统一的存储空间加以利用，从而实现了对存储资源的充分利用和有效规划。提高

4、网络存储系统整体的访问速度在存储层上可以较好地进行I/O 负载平衡，将用户的I/O 请求合理地分配到各个具体的物理设备上，这样就提高了系统的整体访问带宽。由于虚拟磁盘的存储空间采用了条带化方法进行划分，虚拟化技术能够有效提高虚拟磁盘的性能。提供一些更高级的功能例如用户能够很容易对逻辑卷的数据进行复制、镜像以及数据交互，在虚拟设备级别上实现了快照（Snapshot）功能等。因此，存储虚拟化不仅仅简化了存储管理的复杂性，降低了存储管理和运行成本，还提高了存储效率，降低了存储投资的费用。两种结构模型对称式虚拟存储技术对称结构（ Symmetric）虚拟存储，又称为带内（In-Band）虚拟化存储，如

5、图1 所示，它是在数据通路中插入虚拟存储层，即在主机服务器节点和存储设备之间插入运行有虚拟化管理软件的虚拟化控制器。虚拟化管理软件对存储设备和服务器主机进行配置和管理，存储数据和控制信息使用同一条通路。虚拟化存储控制器位于主机与存储设备之间，在二者数据交换过程中起核心作用。由虚拟化存储控制器内嵌的存储管理系统将存储池中的物理硬盘虚拟为逻辑存储单元（LUN ），并进行端口映射（指定某一个LUN 能被哪些端口所见），主机将各自可见的存储单元映射为操作系统可识别的盘符。当主机向存储设备写入数据时，用户只需要将数据写入位置指定为自己映射的盘符（LUN ），数据经过虚拟化存储控制器的高速并行端口， 由存

6、储管理系统自动完成目标位置由LUN 到实际物理硬盘的转换。在此过程中主机见到的只是虚拟逻辑单元，而不关心每个LUN 的具体物理组织结构。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 7 页 - - - - - - - - - 在对称式虚拟存储中，所有的数据流都将经过虚拟化存储控制器，因此可以在虚拟化存储控制器上采用各种技术提高数据传输的速度。如采用大容量高速缓存，对写入数据进行缓存，对读出数据进行预取，合并小块命令减少磁盘寻道时间等等技术。对称式虚拟存储内嵌在数据通路上

7、实现，因此可以在数据通路的各种层次上实现。根据虚拟化层在存储网络体系结构中的实现位置，对称式虚拟化存储可以分为三种：基于主机的虚拟化、基于存储设备的虚拟化和基于网络的虚拟化，这三种虚拟化的实现各有优缺点。非对称式虚拟存储技术非对称结构（ Asymmetric ）虚拟存储，又称带外（out-of-band ）虚拟存储，如图2 所示，其方法是：将装有虚拟化存储软件的主机或控制器独立地接入存储网络，对网络进行管理，存储数据和控制命令分别走两个不同通路。应用服务器节点的I/O 请求先通过控制通路访问专用的元数据服务器或控制器，获得元数据和数据视图后再直接通过数据通路获得需要的数据。在非对称式虚拟存储中

8、，每一台主机和元数据服务器（虚拟化存储控制器）均连接到磁盘阵列，其中主机的数据路径通过存储网络直接到达磁盘阵列；虚拟化存储控制器对存储网络上连接的磁盘阵列进行虚拟化操作， 将各存储阵列中的LUN 虚拟为逻辑卷， 并为存储网络上的每一台主机指定对每一个逻辑卷的访问权限（可写、可读、禁止访问）。当主机要访问某个逻辑卷时，首先要访问虚拟化存储控制器，读取逻辑卷信息和访问权限，然后再通过存储网络访问实际的存储设备中的数据。在此过程中，主机只会识别到逻辑卷，而不会直接识别到物理硬盘。非对称存储技术通过把数据和控制信息路径分隔开来，不会在原有的数据通路上增加多余设备，因此不会影响数据的读写速度，同时使得管

9、理变得简单，对应用和操作系统都是透明的，可以提供并发访问的串行化，是目前存储行业中功能丰富且完善的SAN 虚拟存储的实施技术。两种结构的比较对称虚拟存储结构的控制流和数据流都要经过虚拟化服务器的处理，由于所有数据都流经虚拟存储的控制交换设备，导致命令的读写延迟大大增加，性能损失较大。而且，控制虚拟存储控制设备很容易成为系统的 I/O 瓶颈；如使用多个设备，则设备间的管理和通信也会比较复杂。而且，因为一个设备仅控制与它所连接的存储系统，采用带内虚拟化无法跨设备虚拟化。因此对称虚拟存储结构容易造成网络拥塞而形成名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - -

10、 - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 7 页 - - - - - - - - - 系统瓶颈，降低系统性能。另外，这种结构的虚拟存储系统容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。但是，对称虚拟存储结构可方便采用各种优化技术（如大容量高速缓存、数据分布、命令合并、命令分级处理等等）来提高访问速度、消除热点数据分布、增加系统稳定性、延长磁盘使用寿命等，同时对称虚拟存储提供对前端主机完全透明的服务，对异构平台具有良好的适应能力。而非对称式虚拟存储结构在异构环境下需要为不同主机实现不同的代理，增加了系统的复杂性和用

11、户投资。但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，因此减少了网络延迟，增加了带宽的可升级性，从而提高了系统性，另外，其虚拟化的开销较小，扩展性强等。同时这种结构还避免了系统单点故障和瓶颈。不同层次的实现基于主机的虚拟化基于主机（或服务器）的虚拟化，也称基于系统卷管理器的虚拟化，其实现一般是通过逻辑卷管理（Volume Manager）。逻辑卷管理为从物理存储映射到逻辑上的卷提供了一个虚拟层。卷管理在系统和应用级上实现多机间的共享存储、存储资源管理、数据复制和数据迁移、远程备份和灾难恢复等任务。目前主流操作系统都有自己的卷管理器，如单机版的虚拟化管理软件有Linux 平台下的

12、LVM 、LVM2 、EVMS ，以及支持HP-UX Solaris 平台的 Veritas Volume Manager (VxVM)和支持 FreeBSD平台的 Vinum 。有些平台还拥有支持集群的卷管理器，如Linux 平台下的 CLVM （Cluster LVM ）， Cluster EVMS 和 SUN的 SVM 等, 它们采用的是对称结构的构架，机群中的任何一个节点都可以进行存储资源的虚拟化管理操作。基于主机的虚拟化存储不需要额外的特殊硬件，虚拟化层以软件模块的形式嵌入到应用服务器的操作系统中，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如磁盘、磁盘阵列等提供必须

13、的控制功能，主机的操作系统在运行应用程序的时候就好像与一个单一的存储设备直接通信一样。既然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。而且基于主机的虚拟化存储必然和服务器的硬件平台和操作系统紧密相关，这使得基于虚拟化软件的移植性比较差，难于应用在异构服务器环境上。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 7 页 - - - - - - - - - 由于基于主机的虚拟化是在操作系统级别上完成虚拟化工作，因而不需要任何硬件

14、支持，也不影响现有存储系统的基本架构，该方法最容易实现，成本最低。因此一般来说，卷管理器级别的虚拟化具有容易实现，开销低，性能好等特点，并且也给用户提供了一定的便利。目前已经有成熟的基于主机的虚拟化软件产品，这些软件一般提供了便于操作的图形化管理界面，可以方便地用于存储虚拟化管理。从这个意义上看，基于服务器的存储虚拟化是一种性价比较高的方法，但是这种级别的虚拟化方案往往具有扩展性差，不支持异构平台等特点。对于支持集群的虚拟化方案来说，为了保证元数据的一致性和完整性，各主机间往往需要频繁通信以及采用锁机制，导致性能下降，可扩展性也较差。而且，由于其往往采用对称结构，使其很难支持异构平台，例如 C

15、LVM只能支持特定版本的Linux平台。基于存储设备的虚拟化基于存储设备的虚拟化，也称为基于存储控制器的虚拟化。它是在存储设备的适配器、控制器上实现虚拟化功能。目前很多存储设备（如磁盘阵列等）内部都有功能较强的处理器，并带有专门的嵌入式系统，可以在存储子系统内部进行存储虚拟化的工作，对外提供的磁盘已经是虚拟化过的磁盘，常见的如支持RAID 的磁盘阵列等。这类存储子系统与前端主机基本无关，对系统性能的影响很小，容易管理，同时它对用户或管理人员都是透明的。由于受特定厂商的限制，客户的选择权往往受到一定的局限。正是由于这个致命的缺陷，使得基于存储控制器的虚拟化方案往往不被认为是完整的虚拟化技术实现。

16、基于存储设备的存储虚拟化方法依赖于提供相关功能的存储模块。如果没有第三方的虚拟软件，基于存储设备的虚拟化经常只能提供一种不完全的存储虚拟化解决方案。对于包含多厂商存储设备的SAN 存储系统，这种方法的运行效果不是很好，并且这种设备的规模往往是有限的且无法进行级联，这使得具有特定配置的虚拟存储设备的扩展性往往较差。这种方法直接在存储设备上实现虚拟化，实现相对比较简单，对用户或管理人员都是透明，管理方便。基于网络的虚拟化基于网络的存储虚拟化方法是在主机和存储之间的网络设备上实现存储虚拟化功能，按照其实现位置的名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - -

17、- - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 7 页 - - - - - - - - - 不同，又可以具体分为以下几种方式：.基于交换机的虚拟化基于交换机的虚拟化是将虚拟化层直接嵌入交换机上。通过改造或添加交换机的中间件，使其同时具备交换功能和虚拟化功能。基于交换机的虚拟化将存储网络中的交换功能和虚拟化功能放在同一个设备上实现，这能够改善系统性能，同时，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。另外，这种结构使得系统的可扩展性大大提高了。2.基于路由器的虚拟化基于路由器的虚拟化是将虚拟层放在存储网络的路由器上。路由器具备交换机的交换功

18、能，同时它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。基于路由器的虚拟化通过改造存储路由器的中间件，使其具备虚拟化功能。与基于交换机的虚拟化类似，这种结构的虚拟化能够有效提高系统性能，减少应用服务器的负载，可扩展性更好。在存储网络环境中，采用多个路由器，分布式的存放元数据和全局逻辑视图，还解决了单点失效和瓶颈问题。3.基于元数据服务器的虚拟化基于元数据服务器的虚拟化方法是一种带外的虚拟化方法。这种虚拟化方法在存储网络中连入一台专用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小的虚拟化代理软件模块用于维护

19、本地的数据视图和I/O 重定向。元数据服务器则负责管理存储网络环境中的虚拟化数据管理工作。元数据服务器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，它将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。目前基于存储区域网络的虚拟化根据其数据通路和管理通路的耦合情况可分为带内虚拟化技术（对称结构）和带外虚拟化（非对称结构）。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6

20、页，共 7 页 - - - - - - - - - 小结从实现的层次来看，基于主机的虚拟化、基于存储设备的虚拟化和基于网络的存储虚拟化这三种层次的虚拟存储适用于不同的环境。目前已经有多个成熟的虚拟化存储系统在市场上销售，而各大网络存储系统的提供商均有其专门的虚拟化系统软件。例如EMC 公司、 IBM 公司、 INTEL 公司等，虚拟化系统从单个服务器上的虚拟化软件到专门用于海量网络存储系统的虚拟化管理软件都有实现。他们的功能大多相当，都具备了上述的一些功能。目前，虚拟化存储系统的发展朝着功能增强，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管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，虚拟化系统不仅在存储空间上满足顾客的需求，而且在存储质量上满足用户的不同种类需求，例如针对某些重要的部门和重要的数据提供吞吐性能更好的虚拟逻辑卷，而对于一些不是经常使用的数据提供普通性能的逻辑卷进行存储，使得存储资源不仅在空间上，而且在存储质量上更加合理分配，使得现有的存储系统能够发挥最大的效益。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 7 页 - - - - - - - - -