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存储虚拟化模型和实现方式的优劣势

发布时间:2019-06-11 00:04 来源:未知 编辑:admin

  近年来,存储虚拟化一直是存储领域的热点,也是未来存储的发展趋势。早期存储因为缺少统一的规范标准,造成各厂商的存储软硬件自成体系且互不兼容。这些历史原因造成的兼容障碍,极大地阻碍了客户存储系统的扩大和统一管理。不过,近年飞速发展的存储虚拟化技术为客户提供了解决存储系统兼容性问题的方法。

  硬件设备更新过快造成了很多存储环境的新旧设备并存的尴尬,存储虚拟化不仅可以解决在不同环境和不同需求情况下所采购的各种新旧异构平台的兼容问题,还可以使整合后的各种资源得到最大化的利用和实现统一化的管理。

  正是因为存储虚拟化所带来的种种好处,使得它成为各大研究机构的重点研究课题,也成为各厂商的产品研究重点。然而存储虚拟化可以在存储系统各层分别实现,且实现的技术也多种多样。本文将讨论现有的存储虚拟化模型和实现方式的优劣势,并提出融合带内和带外模型的DV(Double—Virtualization)模型,该模型基于智能交换机和文件服务器,分别在块级和文件级实现存储虚拟化。

  存储虚拟化技术通过对存储系统各层的虚拟化,具有以下种种傥势:对新旧异构存储设备和异构客户服务器系统的资源整合统一;使企业的IT架构能够兼容各厂商硬件。各操作系统的异掏设备和环境;具有统一管理的优势和节省了人工管理的成本;在整合各种资源的同时更提升了存储环境的整体性能和可用性,从而进一步提高资源的利用率。

  尽管在上述种种好处的引导下,存储虚拟化技术正在蓬勃发展,但是由于存储虚拟化技术本身多样化的实现,再加上存储行业又缺乏统一的标准规范,导致存储虚拟化呈现多元化的发展趋势。而各大厂商更是采用不同技术,在不同层面上实现虚拟化,使得原本可以比较容易解决的存储异构问题的虚拟化技术不能从根本上去解决问题。

  同时,各家对存储虚拟化的各种实现方式的优劣也一直争论不体。那么,存储虚拟化技术到底有哪些实现方式呢?根据存储虚拟化实现的设备分为:基于存储设备的虚拟化,基于主机的虚拟化和基于网络的虚拟化。基于存储设备的虚拟化主要通过I/O通道,RAID子系统和智能控制器将物理盘虚拟为逻辑盘。基于主机的虚拟化主要是通过逻辑卷管理来实现。

  基于网络的存储虚拟化主要在网路中实现存储虚拟化。基于网络的存储虚拟化因为独立于主机和存储设备,是最有可能完全实现兼容各种存储设备、服务器设备和操作系统的存储技术。

  基于网络的存储虚拟化本身开放的特性,使得它呈现多样化的发展趋势。下面将主要讨论各种各样的基于网络的存储虚拟化。

  (1)根据实现方式,主要分为两大类:带内虚拟化和带外虚拟化,这两种实现方式又各具优缺点。图1表示带内虚拟化存储系统的组成。

  如图1所示,在网络带内虚拟化存储系统中,由数据通路上的智能交换机或者路由器通过对存储地址的转换来完成存储虚拟化。这种智能交换机或者路由器一般采用端口级的处理器,内嵌的虚拟化模块负责通过对数据I/O进行地址的转换来实现I/O重导向,即将原数据包中的虚拟逻辑地址转化为实际的物理地址,再转发到对应的存储系统读写数据。从而实现存储虚拟化。

  在传统的网络中,交换机和路由只负责数据包的转发,而内嵌了虚拟模块的智能交换机或者路由不仅负责转发数据包,并通过重导向数据L/O的请求来实现存储资源的虚拟化管理,同时还可以在数据通路上实现各种数据存储管理语义。

  在带外虚拟化网络存储系统中,应用服务器和存储设备直接进行数据传输,由处于散据通路外的元数据服务器来实现存储虚拟化(如图2所示)。这种专有元数据服务器(MetadateServer)会负责管理存储逻辑与物理之间的虚拟化映射关系。

  主机发送VO请求到元数据服务器读取文件,元数据服务器根据文件请求中信息来查找对应的物理存储地址信息,再将该物理地址信息返送给主机,主机最后根据元数据服务器返回的存储地址信息直接从存储系统中读取数据。一般主机端需要安装代理软件,来完成该过程。

  (2)根据SNIA提出的存储模型(如图3所示),网络存储虚拟化可以在文件系统级别和块级别两个层上实现。

  (3)根据实现虚拟的设备,又可以分为基于交换机、路由器、元数据服务器等三种。

  通过对数据传输通路的有效控制,带内虚拟化方式易于实现各种高级数据存储管理语义,如在线数据迁移、数据复制和数据版本(快照)控制等,并且容易达到块级别的存储虚拟化。另外还能满足数据缓存、I/O优化等性能要求。

  但是,带内虚拟化具有先天性的不足:数据通路上VO导向器的单点故障和性能瓶颈,这个致命的缺点决定了带内虚拟化不能大范围地虚拟存储资源。同时带内虚拟化不能充分发挥交换式存储网络的承载能力和单个存储设备的最大I/O,而且I/O导向器的I/O转发操作也会相应增加数据传输通路的I/O延迟。

  而带外模型因为提供存储虚拟化的服务器独立于数据传输通路外,所以不影响存储系统服务器端和存储端的大幅度扩充,甚至可以在未来支持全球范围内的扩展。但是,为了保证存储数据的统一完整性,这种模型的虚拟映射数据常常采用集中式的管理方式。

  集中的元数据服务器必然导致系统的不稳定和单一故障特性。所以,在目前技术支持下,为了兼顾数据的完整性和系统的稳定性,一般采用比较成熟的集群模式来避免元数据服务器的单一故障点,并采用分布式文件管理系统来保证数据的一致性。但是也决定了目前的带外模型常常都是在文件级别实现虚拟化。

  相对于文件系统的虚拟存储,块级别存储虚拟化可以实现块级别的存储地址的虚拟抽象,可以提供不同粒度的数据的存取和操作。

  通过SNIA的存储模型,可以看出存储系统各层都能实现虚拟化。但上述我们讨论的各种模型都只是在某个层上实现虚拟化,而本文提出基于网络的分别在块级别和文件系统级别都实现虚拟化的两级虚拟化模型。命名为Dv模型(如图4所示)。

  在该模型中,存储端的物理地址经过智能交换机和元数据服务器两层地址映射转换,来实现两级虚拟化。元数据服务器管理的地址映射关系,不再是单一带外模型中的逻辑地址对物理地址,而是逻辑地址对逻辑地址。

  应用服务器发出I/O请求到元数据服务器,元数据服务器根据文件请求中信息来查找对应的存储逻辑地址信息,再将该地址信息返送给应用服务器。应用服务器再根据返回的地址信息发送I/O请求到相应的智能交换机。智能交换机的智能模块再将I/O重导向到对应的存储器。

  第一层:基于智能交换机的带内虚拟化,利用成熟的智能交换机技术实现基于块级别的存储虚拟化,形成一个地方虚拟存储资源池,为中央上层提供虚拟磁盘的接口。在地方虚拟池中可以简单便捷地进行各种存储管理,包括在线数据迁移、数据复制和数据版本(快照)控制,以及可以融合各种异构的存储设备,并且可以在一定范围内扩充虚拟池的容量。

  第二层:基于带外服务器实现带外虚拟化。利用带外的元数据服务器整合各个地方提供的虚拟存储资源,形成一个中央统一管理的虚拟存储文件系统。在这个全局的文件系统级别上,可以无限制地扩充已经经过第一层虚拟的地方资源,这样,完全可以实现基于文件系统的全球虚拟存储系统。

  通过两层虚拟化,可以整合更大范围的存储资源,并使资源得到最大程度上的虚拟化,同时可以克服带内和带外虚拟化各自的缺陷并融合各自的优势。利用带内的便捷存储操作管理和带外的全局扩充统一管理存储。通过上下两层的虚拟可以最大程度地整合各厂商的异构存储设备和服务器,甚至可以兼容异构的存储网络。

  存储虚拟化本身技术多样化,实现多层次化。而各大厂商都采用不同的架构和实现方式。使得原本就缺乏标准的存储虚拟化更加地“虚拟”了。如何能够实现各个异构环境真正的完全的虚拟化,还需要走上很长的一段路。

  基于网络的存储虚拟化因为脱离服务器端和存储设备端能达到很好的虚拟效果,因此得到广泛的应用。但是基于网络的存储虚拟化的两种模型:带内模型和带外模型都各具优缺点。目前技术都只是采用其中一种模型来实现某一级别的虚拟化。

  本文提出的DV模型,采用带外服务器和智能交换机。分别在文件系统层和块层两层实现存储虚拟化。该模型可以融合带外和带内的优点,来彻底解决存储虚拟化技术多元化带来的障碍,最终实现更高效的存储虚拟化。

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