第8章 存储虚拟化技术

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一般地，虚拟存储所虚拟的对象是一些存储资源， 如磁盘、磁带、文件、文件系统、数据块等等。其 虚拟的结果往往是虚拟磁盘、虚拟磁带、虚拟文件、 虚拟文件系统、虚拟数据块等等。 存储虚拟化的核心工作是实现物理存储设备到单一 逻辑资源池的映射。通过虚拟化技术，为用户和应 用程序提供了虚拟磁盘或虚拟卷，并且可以根据用 户需求对它进行任意分割、合并、重新组合等操作， 并分配给特定的主机或应用程序，为用户隐藏或屏 蔽了具体的物理设备的各种物理特性。
2、 实现描述 在实验环境中，分别用三台高性能PC机模拟应用 及服务、虚拟存储管理控制和SCSI磁盘，搭建 成一个简化的存储模型： • 首先，把Target上的两块SCSI盘用两个iSCSI 连接映射到Manager上。 • 接着，在Manager上对这两块iSCSI盘做逻辑 卷管理。考虑到存储虚拟化用于数据备份的实 用性，我们选择了RAID1的逻辑管理方式，即 将两块盘做成镜像，形成一块逻辑盘提供给 Host使用。 • 最后，用Host连接Manager上的RAID1逻辑盘。
8.1.3 若干关键问题 1、可用性 2、可管理性 3、可扩充性
8.2 存储虚拟化的实施
8.2.1 软硬件需求 1. 硬件
一般而言，存储虚拟化技术实现应该是与硬件无关的，可 以管理从JBODs、磁盘阵列、虚拟磁盘阵列、到磁带和带库等 各种设备。但作为技术实现，首先需要建立SAN环境，其中应 包括用于连网的交换机/集线器以及服务器内置的HBA等。对于 带外实现而言，可能用到的元数据服务器(Metadata Server)往往 采用专门的硬件实现，使用的物理Cache和HBA等都可能有所 不同。另一方面，带内实现中的存储管理器也会面临同样的问 题。
8.3 存储虚拟化中的管理问题
• 存储虚拟化中的管理问题涉及SAN管理、 数据管理以及相关安全问题等内容。
8.3.1 SAN管理
在存储虚拟化环境中的SAN管理提供如下功能： • SAN拓朴映射 为管理好SAN，首要任务是要识别出SAN的拓朴结构：连接的物 理设备、可用的存储路径、地址信息以及连接的服务器等。存储 虚拟化实现中关键是提供物理视图到逻辑视图的映射关系，因此， SAN拓朴映射应以图形化界面形式及时反映SAN中各组成部分的 相关变化，为应用服务提供存储的动态配置信息。 • 事件监控 SAN 通过事先设定的阀值，启动监控服务，对SAN中可能出现状态改变 和错误情况进行跟踪，并在错误发生后的最短时间内提出警告并 进行错误隔离和相应处理。 • 性能分析 在SAN环境中对存储端口的吞吐量进行统计和报告，以调整相关部 件，平衡网络流量。 • 容量分析 通过对每日/每小时的数据传输量的统计，得出SAN的使用情况报告， 以便做出SAN的扩展规划。 • 日志功能 提供必要的系统成员的日志信息。
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8.1.2 实现模式 • 存储虚拟化的基本概念是将实际的物理 存储实体与存储的逻辑表示分离开来， 使得应用服务器只与分配给它们的逻辑 卷（或称虚卷）打交道，而不必关心其 数据是在哪个物理存储实体上。 • 下图是SNIA对存储虚拟化技术的经典分 类描述。
SNIA的观点认为：
• 存储虚拟化可以创建于数据块级、磁盘、磁带以及带 库级、文件系统级以及文件/记录级等。 • 其实现层次可位于主机/服务器端、网络架构中以及存 储设备/子系统里。 • 实施方法包括带内虚拟化以及带外虚拟化两种。所谓 带外（Out-of-Band）方式，或称为非对称存储池 （Asymmetrical pooling）方式，是指实现虚拟的功能 部件（软件和/或硬件）并不在主机到存储设备的访问 路径上；而带内（In-Band）方式，或称为对称存储池 （Symmetrical pooling）方式，是指在数据读写的过程 中，在主机到存储设备的路径上实现虚拟存储。
8.2.3 存储服务
在存储虚拟化解决方案中所指的存储服务包括： • 高速缓存； • 实时拷贝，包括本地/远程镜像、远程数据复制等； • 快照/闪存拷贝； • 数据压缩。 通过实施全局带内/带外虚拟化和借助IFS技术，可以 达到文件级和块级的存储服务。
8.2.4 性能考虑 对于存在大量的关键数据应用场合， 传统的客户/服务器模式在分布式环境下 很难保证高性能，采用存储虚拟化技术， 通过在应用服务器与存储资源之间建立 的专用高速网络（FC或Gb-Ethernet）， 为关键数据应用提供性能支持。 一般而言，带内方式在性能保障方 面不及带外方式优越。
8.4.3 基于iSCSI的存储虚拟化实现 基于iSCSI的网络级存储虚拟化是用 iSCSI协议作为网络级存储虚拟化的传输 协议,实现方式可分为带内和带外两类。
带内实现 1、工作模型
• 基于iSCSI的网络级带内存储虚拟化的思想是：带SCSI 磁盘的存储服务器作为模型中的Target，虚拟存储管理 控制器作为模型中的Manager，应用和服务程序运行在 Host上，它们之间都以iSCSI作为传输协议。Target上 的SCSI磁盘映射到Manager上，成为Manager的iSCSI盘， 在Manager上对所有的iSCSI盘进行统一管理，生成若 干逻辑卷，并把这些逻辑卷分配给不同的Host使用。 • Manager位于数据通道的内部。Host发出的对逻辑盘的 读写信息，先到达Manager，再由Manager把这些对逻 辑卷的读写操作，转化为对实际物理盘的读写操作， 转发给相应的物理盘所在的Target。而操作过程中形成 的状态信息由Target反馈给Manager，经由Manager整理 后转发给相对应的Host。也可由Target向Manager和 Host同时发送状态信息。
2.
软件
在存储虚拟化实现中，软件将起到至关重要的作用。除 了存储虚拟化软件本身之外，SAN管理功能、可能用到的应用 服务器代理软件（可装载文件系统IFS等）等都应适当配置。此 外，由于采用集中化的虚拟存储管理手段，存储管理工作流程 也将做适当调整。
8.2.2 设备发现
在存储虚拟化网络环境中，每当出现新设备或服 务器时，都应及时发现和识别，这给管理软件提出新 要求，不管是带内或是带外方式，都应实现基于远程 代理或简单网管协议（SNMP）的设备/服务器的动态 配置功能。 除此以外，错误发现机制也是必备功能。存储设 备错误、应用客户端错误、服务器错误以及网络故障 等，都应及时加以发现和正确处理，以保证数据一致 性和可用性。与此对应的设备服务包括克隆 （Cloning）、远程镜像等。 另外访问控制功能对存储设备而言也是十分有益的， 因为目前的存储设备自身并不具备身份认证能力。
SANRAD公司的iSCSI V系列交换机是业界颇具特色 的基于iSCSI协议的网络设备，通过将可升级、灵活性、 可靠性、安全性及高性能等因素综合在一起，提供了 标准化、简捷和高性价比的存储管理优化结构，从而 将各种优势综合为单一平台，协助系统管理员应对存 储管理的难题。
其特性是： • iSCSI V 交换机是以网络为中心的存储设备虚拟化管理的解决方案， 提供基于浏览器的图形用户界面（GUI）； • iSCSI V 交换机支持全新的、基于标准的iSCSI、 TCP/IP存储协议。 它为以iSCSI 协议连网的主机，提供对存储逻辑卷安全可靠的存 取访问； • iSCSI V 交换机在存储网络的数据路径上运行，是一种高性能的网 络部件。它为负责管理从小型至企业级存储资源的IT专业人士， 提供了一个易于使用的连接和管理平台； • iSCSI V 交换机的存储管理和虚拟化特性把各种物理存储资源集合 成某个单一的逻辑存储“池”。从而，使网络管理人员可独立地 对这些集成为一体的资源定义新的逻辑卷；而无须考虑诸如运行 环境、物理磁盘、通信协议及相互间距等实际障碍； • iSCSI V 交换机可以对与主机直接相连的（DAS）、或与网络相连 的（NAS）存储装置，提供多种协议的支持；就像通过同样的交 换机可以直接支持光纤通道的、基于SCSI的和基于iSCSI 的存储 系统一样； • iSCSI V 交换机是多种功能的融合，且存在于某个单一的、易于管 理的平台内；它们包括协议网桥、路由、交换、安全、负载平衡、 高性能及存储卷管理等功能，还支持双重容错热插拔电源 (带48 伏直流电压备选)冗余风扇。
8.1 概述
8.1.1 定义 • 美国著名IT咨询公司RFG（Robert Frances Group）对虚拟存储的 定义是：虚拟存储是指那些架构和产品被设计成仿真一个物理设 备，如磁带机等，其特性被镜像到另一个物理设备上，通常是一 个磁盘或磁盘子系统。结果，逻辑设备和虚拟设备的特性可以完 全不同，应用系统操作的是虚拟设备，而不必关心真正的物理设 备是什么。 • SNIA(存储网络工业协会)对存储虚拟化的解释包含两方面： 1、存储虚拟化是为了便于应用和服务进行数据管理而采取的针对应 用、服务器以及一般网络资源进行的存储子系统或存储服务的内 部功能抽象、隐藏和隔离的行为； 2、存储虚拟化是针对存储设备或存储服务进行的虚拟化手段，以 便对底层存储资源实施存储会聚、隐藏复杂性以及添加新功能等。
8.4 应用实例
8.4.1 IBM的一种虚案
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该方案采用带外实现方式，达到分布式环境下数据共 享的目的。从其系统架构可以看出该方案的主要组成 部分： 元数据服务器（SmS Server）集群 配置有IFS(Installable File System)以及Cache的客户端 存储资源 连接客户与存储的FC-SAN
8.3.2 数据管理
为了达到数据共享的最终目的，必须在软硬件平 台的支持下，制定数据放置策略、实施数据生命周期 管理、进行对应用透明的数据移动以及实现跨平台的 数据共享。
8.3.3 安全
目前的存储设备并不具备内置的安全机制，在异 构的虚拟存储网络环境下，安全问题尤为重要。 FC-SAN中常用安全技术包括Hardware zoning /Software zoning、LUN masking等；IP-SAN的技术包 括实施IPSec等手段，而锁机制以及文件分类机制等在 一定程度上也可提供相应的保护手段。 一般地，利用SAN管理软件，安全策略可以在带 内和带外实现。在主机中和存储设备内实现的安全机 制也可作为一种补充手段。
• 客户端程序采用Tivoli Open SmS协议与元数据服务器 交互，获得相关存储数据的访问控制信息以及访问权 限（锁）后，可直接通过FC网络进行数据读写，利用 Cache技术可提高访问效率。 • 采用集群连接的数据服务器在逻辑上可以划分成元数 据服务器、管理服务器以及存储服务服务器等。
8.4.2 iSCSI V系列交换机
3、性能测试
• 在100Mbps以太局域网的环境下，用iometer2001.07.19 版本，在Host上读写iSCSI盘的速率如下：
100%顺序写 100%顺序读 100%顺序写+100% 顺序读
速率（MB/s）
7.6
8.4
14.3
以上数据显示：读写性能都不算太高，但是没有达到网络带宽的极 限，也没有达到硬盘读写的极限。限制性能的瓶颈就是带内iSCSI存储 虚拟化的消耗以及逻辑卷管理功能的软件处理。 由此可以想到，除了提高逻辑卷管理的工作效率之外，如果能够在 Host和Target之间建立更为直接的数据传输连接，也就是实现带外存储 虚拟化控制，整个系统的性能还可以提高。因此，带外的存储虚拟化实 现成为必然之选。
第8章 存储虚拟化技术
8.1 概述 8.2 存储虚拟化的实施 8.3 存储虚拟化中的管理问题 8.4 应用实例
应用于存储区域网络(SAN)境中的存储虚拟化 (Storage Virtualization)技术通常是指异构的SAN环境下 的虚拟存储服务，它带给我们最直接的益处就是，提 高存储利用率，降低成本，并简化大型、复杂、异构 的存储环境的管理工作。 时至今日，虽然尚无普遍接受的国际标准，但是，作 为一种有效的存储管理手段，存储虚拟化技术正受到 越来越多业内人士的关注，许多各具特色的解决方案 正在陆续推出。 基于网络的虚拟存储技术将成为未来的一种趋势，它 在开放性、扩展性、可管理性等方面的所体现的优势 将在数据中心建设以及异地容灾应用中充分显现出来。