详解虚拟存储技术及其应用

详解虚拟存储技术及其应用

随着围绕数字化、网络化开展的各种多媒体处理业务的不断增加，存储系

统网络平台已经成为一个核心平台，同时各种应用对平台的要求也越来越高，

不光是在存储容量上，还包括数据访问性能、数据传输性能、数据管理能力、

存储扩展能力等等多个方面。可以说，存储网络平台的综合性能的优劣，将直

接影响到整个系统的正常运行。

为达到这些要求，一种新兴的技术正越来越受到大家的关注，即虚拟存储

技术。

其实虚拟化技术并不是一件很新的技术，它的发展，应该说是随着计算机

技术的发展而发展起来的，最早是始于70年代。由于当时的存储容量，特别是内存容量成本非常高、容量也很小，对于大型应用程序或多程序应用就受到了

很大的限制。为了克服这样的限制，人们就采用了虚拟存储的技术，最典型的

应用就是虚拟内存技术。随着计算机技术以及相关信息处理技术的不断发展，

人们对存储的需求越来越大。这样的需求刺激了各种新技术的出现，比如磁盘

性能越来越好、容量越来越大。但是在大量的大中型信息处理系统中，单个磁

盘是不能满足需要，这样的情况下存储虚拟化技术就发展起来了。在这个发展

过程中也由几个阶段和几种应用。首先是磁盘条带集(RAID，可带容错)技术，

将多个物理磁盘通过一定的逻辑关系集合起来，成为一个大容量的虚拟磁盘。

而随着数据量不断增加和对数据可用性要求的不断提高，又一种新的存储技术

应运而生，那就是存储区域网络(SAN)技术。SAN的广域化则旨在将存储设备实

现成为一种公用设施，任何人员、任何主机都可以随时随地获取各自想要的数据。目前讨论比较多的包括iSCSI、FC Over IP等技术，由于一些相关的标准

还没有最终确定，但是存储设备公用化、存储网络广域化是一个不可逆转的潮流。

一、虚拟存储的概念

所谓虚拟存储，就是把多个存储介质模块(如硬盘、RAID)通过一定的手段

集中管理起来，所有的存储模块在一个存储池(Storage Pool)中得到统一管理，

从主机和工作站的角度，看到就不是多个硬盘，而是一个分区或者卷，就好象

是一个超大容量(如1T以上)的硬盘。这种可以将多种、多个存储设备统一管理起来，为使用者提供大容量、高数据传输性能的存储系统，就称之为虚拟存储。

二、虚拟存储的分类

目前虚拟存储的发展尚无统一标准，从虚拟化存储的拓扑结构来讲主要有

两种方式：即对称式与非对称式。对称式虚拟存储技术是指虚拟存储控制设备

与存储软件系统、交换设备集成为一个整体，内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。从虚拟

化存储的实现原理来讲也有两种方式；即数据块虚拟与虚拟文件系统。具体如下：

1.对称式虚拟存储

图1

图1对称式虚拟存储解决方案的示意图

在图1所示的对称式虚拟存储结构图中，存储控制设备High Speed

Traffic Directors(HSTD)与存储池子系统Storage Pool集成在一起，组成

SAN Appliance。可以看到在该方案中存储控制设备HSTD在主机与存储池数据

交换的过程中起到核心作用。该方案的虚拟存储过程是这样的：由HSTD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)，主机端将各可见的存储单元映射为操

作系统可识别的盘符。当主机向SAN Appliance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HSTD的高速并行端口，先

写入高速缓存，HSTD中的存储管理系统自动完成目标位置由LUN到物理硬盘的

转换，在此过程中用户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。该方案具有以下主要特点：

(1)采用大容量高速缓存，显著提高数据传输速度。

缓存是存储系统中广泛采用的位于主机与存储设备之间的I/O路径上的中

间介质。当主机从存储设备中读取数据时，会把与当前数据存储位置相连的数

据读到缓存中，并把多次调用的数据保留在缓存中；当主机读数据时，在很大

几率上能够从缓存中找到所需要的数据。直接从缓存上读出。而从缓存读取数

据时的速度只受到电信号传播速度的影响(等于光速)，因此大大高于从硬盘读

数据时盘片机械转动的速度。当主机向存储设备写入数据时，先把数据写入缓

存中，待主机端写入动作停止，再从缓存中将数据写入硬盘，同样高于直接写

入硬盘的速度

(2)多端口并行技术，消除了I/O瓶颈。

传统的FC存储设备中控制端口与逻辑盘之间是固定关系，访问一块硬盘只能通过控制它的控制器端口。在对称式虚拟存储设备中，SAN Appliance的存

储端口与LUN的关系是虚拟的，也就是说多台主机可以通过多个存储端口(最多

8个)并发访问同一个LUN；在光纤通道100MB/带宽的大前提下，并行工作的端

口数量越多，数据带宽就越高。

(3)逻辑存储单元提供了高速的磁盘访问速度。

在视频应用环境中，应用程序读写数据时以固定大小的数据块为单位(从

512byte到1MB之间)。而存储系统为了保证应用程序的带宽需求，往往设计为

传输512byte以上的数据块大小时才能达到其最佳I/O性能。在传统SAN结构中，当容量需求增大时，唯一的解决办法是多块磁盘(物理或逻辑的)绑定为带

区集，实现大容量LUN。在对称式虚拟存储系统中，为主机提供真正的超大容量、高性能LUN，而不是用带区集方式实现的性能较差的逻辑卷。与带区集相比，Power LUN具有很多优势，如大块的I/O block会真正被存储系统所接受，有效提高数据传输速度；并且由于没有带区集的处理过程，主机CPU可以解除

很大负担，提高了主机的性能。

(4)成对的HSTD系统的容错性能。

在对称式虚拟存储系统中，HSTD是数据I/O的必经之地，存储池是数据存

放地。由于存储池中的数据具有容错机制保障安全，因此用户自然会想到HSTD

是否有容错保护。象许多大型存储系统一样，在成熟的对称式虚拟存储系统中，HSTD是成对配制的，每对HSTD之间是通过SAN Appliance内嵌的网络管理服

务实现缓存数据一致和相互通信的。