存储虚拟化技术

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

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。

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，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