1 引言
隨著Internet 的迅猛發展，特別是以電子商務、數據倉庫、網絡娛樂等網絡應用的蓬勃興起和廣泛使用，積極地推動了計算機技術的進步，對現有的計算機技術提出了更高的要求。尤其在存儲方面，不光容量呈指數增加，并且對存儲性能、存儲安全性、穩定性、易管理性等諸方面有了進一步的要求。目前，國際上存儲技術的發展十分迅速，存儲技術被認為是繼處理技術、網絡技術之后，IT 行業的第三次技術浪潮。
當新的存儲技術推向市場時，必須要與現有的存儲兼容。假如新的存儲設備的接口和管理改變很多，不僅技術本身的實現難度很大，而且也很難在市場上立足。幾乎所有的計算機存儲技術，無論是文件服務器的NAS類型的存儲網絡，還是光纖通道SAN 類型的存儲網絡都遵從這個規律。而虛擬化是最常見的提供這種兼容性的技術，它能夠提供存儲、I / O 產品和過程的兼容性。
2 存儲區域網（SAN）技術分析
按照SNIA（存儲網絡工業協會）定義，SAN 是一種利用FC 等互連協議連接起來的，可以在服務器與存儲設備之間以及存儲設備與存儲設備之間直接傳送數據的網絡。獨特的體系結構和構建技術使SAN 具有很多優點：如高性能、高可用性、高可擴展性；便于集中存儲和管理；實現LAN-free Backup，數據備份不占用LAN 帶寬；支持更遠的距離等。但具體應用中，SAN 有著自身的一些缺陷：
①設備的互操作性較差。目前采用的最早和最多的SAN 互連技術還是Fibre Channei，對于不同的制造商，光纖通道協議的具體實現是不同的，這在客觀上造成不同廠商的產品之間難以互相操作。目前雖然有些廠商組成了聯盟來保證他們的產品互操作，但因為具體實現的不同以及聯盟范圍的有限，這樣做的效果也很有限。
②構建和維護SAN 需要有豐富經驗的，并受過專門訓練的專業人員，這大大增加了構建和維護費用。
③在異構環境下的文件共享方面，SAN 中存儲資源的共享一般指的是不同平臺下的存儲空間的共享，而非數據文件的共享。這些都阻礙了SAN 技術的普及應用和推廣。目前SAN 研究的一個熱點就是SAN 的存儲虛擬化技術，通過SAN 的存儲虛擬化來根據需要分配存儲資源，整合不同設備商提供的存儲產品，提供可選擇性的配置功能來獲得更高的可用性和減少用戶總成本。
3 存儲虛擬化技術分析
（1）存儲設備的虛擬化。這種虛擬化在設備層實現，最常見的虛擬存儲設備是RAID。它將多個物理磁盤按不同的分塊級別組織在一起，屏蔽了具體的物理磁盤，為用戶提供了一個統一的邏輯磁盤，用戶對RAID 的操作就像對普通磁盤一樣。RAID 的虛擬化是由RAID控制器實現的，它解釋用戶的I / 0 指令并將它們發給物理磁盤執行。由于使用數據分塊技術，RAID 提供給用戶的是具有容錯能力的高性能虛擬設備。
（2）SAN 內部的虛擬化。SAN 的虛擬化是存儲系統的發展趨勢，它在文件系統層實現。SAN 虛擬化的目的就是讓用戶和應用系統把SAN 作為一個單一的、同構的資源池來存取和控制。其中包括根據不同應用系統的需要對SAN 中的數據進行管理、保護、使用和操作，對設備進行監控，從而充分利用SAN 的存儲能力。SAN 的虛擬化需要在原有體系結構中加入一個新結構層，即虛擬化層，這個新的層次將為用戶和應用系統提供SAN 的虛擬化視圖。在用戶和應用程序看來，SAN 是一個結構相對簡單的、具有統一界面的虛擬存儲池。存儲池中邏輯存儲單元的具體情況只是系統管理員關心的問題，對用戶和應用程序則是完全透明的。
（3）多個SAN 之間的虛擬化。隨著IP 存儲的興起，FC SAN 和IP 存儲結構之間的聯系越來越緊密，IP 存儲可以作為FC SAN 的重要補充。現在，多個SAN 之間可以通過FCIP 協議實現互連，即多個獨立的SAN 可以通過IP 網絡連接成一個統一的SAN。如何實現多個SAN之間的虛擬化，這個問題已經擺在人們面前。
（4）廣域的存儲資源虛擬化。廣域的存儲虛擬化是存儲資源最高的抽象形式，它將全球范圍的存儲資源統一成一個巨大的邏輯存儲池。它的出現將使大規模存儲和計算徹底分離，導致存儲服務提供商（SSP）和存儲服務代理（SSA）的誕生。實現了廣域的存儲虛擬化，用戶的計算機將只需要計算功能和傳輸功能，當需要使用大規模數據存儲時，可以向存儲服務代理提出請求；后者將從廣域的虛擬存儲池中選擇合適的存儲資源，并向相應的存儲服務提供商提出具體的存儲需求；存儲服務提供商將按需分配相應存儲資源給用戶，并提供各種功能服務。廣域的存儲資源虛擬化是數據網格研究的主要內容。
4 SAN虛擬化的實現
在SAN 的范圍內，通常存儲虛擬化是指將具體的物理存儲設備和服務器操作系統分隔開來，為存儲用戶提供統一的邏輯視圖，它是具體存儲系統的抽象。一方面，它將應用程序和用戶所需要的數據存儲操作和具體的存儲控制分離；另一方面，它將各個磁盤、陣列等物理存儲設備映像成一個邏輯存儲池。存儲虛擬化要完成三個任務：
①在多個物理存儲設備上創建一個抽象層；②屏蔽存儲系統的復雜性，簡化管理，尤其是在異構環境中；③對存儲資源進行優化。
SAN 的虛擬化是通過虛擬化層來實現的。它將可用的存儲空間分成虛擬磁盤或虛擬卷，而無須考慮實際存儲設備的物理布局和結構。通常情況下，虛擬卷呈現給服務器操作系統一種物理磁盤的抽象，使操作系統像使用磁盤一樣使用。整個SAN 內的虛擬卷提供實現重要數據傳輸功能的SAN 服務，包括遠程映像、虛擬磁帶等。SAN 的虛擬化層將會取代傳統的服務器受限的數據管理系統結構，并且將進一步影響存儲器硬件的結構。某些SAN 虛擬化層提供RAID 的功能，它允許按照以單個磁盤為單位擴充存儲系統，將RAID 的功能從存儲子系統中抽取出來在SAN 中實現。虛擬化SAN 有多種實現方式，根據虛擬化層在體系結構中的位置，可以劃分為以下五種虛擬化實現方式：
（1）多主機陣列。它通常采用RAID 控制器硬件在存儲子系統級別構建虛擬化層，對SAN 系統進行響應。這種實現通常提供很好的性能，高可用性，可以支持不同類型的主機，但你只能購買與陣列一致的磁盤。最大的缺點是存儲池的大小和構成的組件受限于陣列的封閉性，需要增加存儲空間就意味著要運行多個存儲池與失去分配和集中管理的自由。所以這種方式對不同廠商的產品支持不夠。
（2）邏輯單元號掩碼。這種虛擬化方式是在每個主機安裝特殊的設備驅動程序來防止主機存取不屬于它的存儲資源。這些邏輯單元號掩碼驅動程序通常是一個基于主機或者外置的中央管理程序。這種方法適合小型配置的SAN 環境，而在大型數據中心和企業級SAN環境中會帶來意想不到的復雜性和額外開銷：!要為潛在的每種服務器平臺提供支持和維護，對驅動程序開發商是一個巨大挑戰；"每個主機都要安裝驅動程序會對主機和網絡性能有影響；#要在大量的主機上改變管理設置是讓人厭煩、緩慢和開銷很大的一項工作。值得注意的是存在潛在的安全性問題：沒有安裝驅動軟件的“欺詐”主機可能突破共享資源的安全性控制來盜取存儲池中屬于他人的數據。
（3）文件重定向器。這種虛擬化方式是通過一個外部的元數據控制器或者文件系統管理器，將SAN 中的每個主機需要的文件名映射到磁盤的塊地址上。這些元數據服務器的目的除了虛擬化存儲池空間，還試圖降低網絡上的磁盤I / 0 傳輸。雖然這種虛擬化方式能夠提供的文件共享服務具有一定的實用價值，但是和邏輯單元號掩碼方式（LUN Masking）存在同樣的問題：文件系統重定向是與特定的操作系統環境聯系在一起的，要在每臺主機上安裝相應的組件。
（4）專用帶內虛擬化引擎。這種方式通過位于主機與物理存儲之間的專用平臺的整合管理、存儲分配和安全功能來提供虛擬化的存儲池空間。虛擬化引擎可以支持各種流行的開放系統的服務器，而且不需要在主機上附加軟件；它還可以方便地組合進大量的組件和功能：從存儲池到硬件地址嚴格對應映像的、需要交換機和存儲設備硬件支持的、簡單交換到可選擇的支持嵌入式交換功能的應用軟件程序包。一般認為帶內引擎會降低數據流量，所以虛擬化平臺的失敗會降低可用性和存在單點失敗。但是智能化的引擎可以使用在局域網和廣域網已經證明了的網絡技術，提供交換路徑和多點冗余來避免單點失敗，而且可以利用內置在磁盤陣列內中的Cache，提供相應的讀寫Cache 算法來提高物理磁盤的性能。
（5）存儲域服務器。該方式是將一個商業服務器平臺專用于磁盤存儲池到主機的虛擬化和分配。在專用服務器平臺的本地操作系統上構建一個網絡存儲控制層實現SAN 虛擬化，虛擬化的功能由軟件實現。這使它可方便地利用很多操作系統的網絡功能、卷管理功能、設備互操作特性和安全特性，就像網絡域服務器給網絡性能帶來顯著的提高，存儲域服務器也能為SAN 的存儲虛擬化帶來一樣的好處。一些存儲域服務器被設計成可在SAN 中互相協調合作，在維護一個巨大的存儲池的中央管理功能的同時分擔負載和管理工作。因此可根據需要優化存儲域服務器的數量和硬件性能。
存儲域服務器可以通過一些方法增加I / O 性能，比如增加獨立于主機和存儲設備的Cache、對帶內性能和負載監控、快照和遠程鏡像服務。隨著這些功能的增加，可以不需要考慮SAN 物理設備供應商的因素而很容易地在SAN 的整個存儲池上構建與網絡無關、與服務器無關的支持、災難恢復系統和決策支持系統。存儲域服務器與專用虛擬化引擎有些相似，很多專用虛擬化引擎就是有相應軟硬件插件的簡單的存儲域服務器，雖然失去一些存儲域服務器的性能，但是可以即插即用并且提供必要的虛擬化功能。表1 列出了以上五種虛擬化方式的各種特性的比較。
表1 各種虛擬化方式特性比較
5 一種以網絡為中心的SAN存儲虛擬化的實現
在USN（統一存儲網）項目中，為了實現SAN 和NAS的結合，我們設計了一種以網絡為中心的SAN 存儲虛擬化的實現方案。圖1 為該方案的結構示意圖。
圖1 SAN 存儲虛擬化的結構示意圖
這種方案在SAN 互連這一級增加一臺元數據服務器專用于提供存儲虛擬化。使用非對稱結構、數據和命令使用不同的通路，應用服務器的I / O 命令先通過專用的命令通路傳送至專用的控制服務器，獲得元數據和數據視圖后，再通過數據通路得到所需要的數據。在專用的元數據服務器中存放整個虛擬存儲池的全局數據視圖，處理元數據的訪問。應用服務器和元數據服務器既可以通過SAN 以帶內方式連接，也可以通過帶外方式連接，如以太網。虛擬化軟件模塊一部分位于元數據服務器，另一部分位于應用服務器。位于應用服務器的虛擬化軟件模塊稱為虛擬代理，它的作用是I / O 重定向。當應用服務器所需要的數據不在本地的數據視圖中時，虛擬代理將把I / O 命令發往元數據服務器，后者則把所需的數據視圖和元數據返回給應用服務器。這種結構的實現比較復雜，但是因為它具有存儲性能和可擴展性方面的優勢，因而成為我們虛擬化SAN 的首選。
為了能夠實現USN 中NAS 設備與SAN 設備的結合，我們使用兩臺專用服務器，一臺用于塊級的卷管理，另一臺專用于文件服務。
6 小結
隨著存儲虛擬化技術和存儲管理軟件的高速發展，存儲子系統將升格為網絡應用的核心，服務器將很快降格為應用器具（Appliance），網絡計算的系統核心將圍繞網絡存儲展開。同時，存儲管理在存儲網絡中所占的成本越來越高，已經成為困擾IT 管理人員的最大問題。存儲虛擬化軟件可以應用于各類SAN 系統中，使用戶可以在系統中采用單一的控制平臺；采用圖形化界面管理方式，可以自動識別新裝入的存儲設備，并自動使其可用；可以按照用戶需求進行基于策略和基于OoS 的管理，同時減少了系統中數據的暴露幾率，增加了系統的安全性。因此，隨著存儲網絡的發展，存儲虛擬化技術具有廣闊的應用前景。
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