服務器、存儲和網(wǎng)絡虛擬化的實現(xiàn)與應用

虛擬化技術(shù)已經(jīng)成為數(shù)據(jù)中心必備的技術(shù)之一，那什么叫虛擬化技術(shù)呢?虛擬化是一個廣義的術(shù)語，在計算機方面通常是指計算元件在虛擬的基礎(chǔ)上而不是真實的基礎(chǔ)上運行。虛擬化技術(shù)可以擴大硬件的容量，簡化軟件的重新配置過程。CPU的虛擬化技術(shù)可以單CPU模擬多CPU并行，允許一個平臺同時運行多個操作系統(tǒng)，并且應用程序都可以在相互獨立的空間內(nèi)運行而互不影響，從而顯著提高計算機的工作效率。

其中基于主機的虛擬化也稱為基于服務器的虛擬化，是通過在服務器操作系統(tǒng)中嵌入或添加虛擬層來實現(xiàn)設(shè)備虛擬化的，該方法不需要添加特殊的硬件而只需安裝具有虛擬化功能的軟件模塊，它以驅(qū)動程序的形式嵌入到應用服務器的操作系統(tǒng)中，呈現(xiàn)給操作系統(tǒng)的是邏輯卷(Logic Volume Management)，通過邏輯卷把分布在多機上的物理存儲設(shè)備映射成一個統(tǒng)一的邏輯虛擬存儲空間，邏輯卷管理系統(tǒng)實際上是一個從物理存儲設(shè)備映射到邏輯卷的虛擬化存儲管理層，它可實現(xiàn)系統(tǒng)級和應用級的多機間存儲共享。

服務器、存儲和網(wǎng)絡虛擬化的實現(xiàn)與應用

運行在服務器上的虛擬化軟件需要占用服務器的CUP、內(nèi)存、帶寬等開銷，對操作系統(tǒng)的依賴性較大，使得虛擬化系統(tǒng)不能兼容不同的平臺，移植性較差。

但是基于主機的虛擬化最容易實現(xiàn)的，一般只需在應用服務器端安裝卷管理驅(qū)動模塊就可以完成存儲虛擬化的過程，具有成本低、同構(gòu)平臺下性能高的特點。

存儲設(shè)備的虛擬化一般在存儲設(shè)備的控制器中實現(xiàn)，又稱為存儲控制器的虛擬化。由于該虛擬化的實現(xiàn)方法直接面對具體的物理設(shè)備，在性能上達到最優(yōu)，由于該虛擬化邏輯被集成到設(shè)備內(nèi)部，存儲虛擬化的管理簡單方便而對用戶透明，但由于這種虛擬化技術(shù)沒有統(tǒng)一標準，一般只適用于特定廠商的產(chǎn)品，異構(gòu)產(chǎn)品間很難實現(xiàn)存儲級聯(lián)，所以這種存儲虛擬化產(chǎn)品的可擴展性易受到限制。

另外，由于廠商的限制，用戶對存儲設(shè)備的選擇面也很窄，如果沒有第三方的虛擬化軟件提供底層屏蔽服務從而實現(xiàn)存儲級聯(lián)和擴展，則該系統(tǒng)的擴展性就很差，但近期也有一些研究成果采用基于目錄的虛擬化方式”來克服這些不足。

網(wǎng)路的虛擬存儲化技術(shù)是當前存儲虛擬化的主流技術(shù)，它當前在商業(yè)上具有較多的成功產(chǎn)品。典型的網(wǎng)絡虛擬存儲技術(shù)主要包括網(wǎng)絡附加存儲NAS(Network Attached Storage)和存儲區(qū)域網(wǎng)絡SAN(Storage Area Network)。由于這兩種系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、通信協(xié)議、數(shù)據(jù)管理的方式不同，所以NAS主要應用于以文件共享為基礎(chǔ)的虛擬存儲系統(tǒng)中，而SAN主要應用在以數(shù)據(jù)庫應用為主的塊級別的數(shù)據(jù)共享領(lǐng)域。存儲區(qū)域網(wǎng)絡SAN是當前網(wǎng)絡存儲的主流技術(shù)。

虛擬化存儲的實現(xiàn)可以分布在從主機到存儲設(shè)備之間路徑的不同位置上，由此可把基于網(wǎng)絡的存儲虛擬化細分為基于交換機的虛擬化、基于路由器的虛擬化、基于存儲服務器端的虛擬化。

交換機的虛擬化是通過在交換機中嵌入固件化的虛擬化模塊層來實現(xiàn)的，由于在交換機中集成有交換和虛擬化功能，交換機很容易成為系統(tǒng)的瓶頸，并可能產(chǎn)生單點故障。不過這種結(jié)構(gòu)不需要在服務器上安裝虛擬化軟件，可以減少應用服務器的負載，也沒有基于存儲設(shè)備或者主機環(huán)境的安全性問題，在異構(gòu)環(huán)境下有較好的互操作性。

路由器的虛擬化是將虛擬化模塊集成到路由器中，使存儲網(wǎng)絡的路由器既具有交換機的交換功能，同時具有路由器的協(xié)議轉(zhuǎn)換功能，它把存儲虛擬化的范圍由局域網(wǎng)范圍內(nèi)的虛擬存儲擴展到了廣域虛擬存儲。

近年來，基于路由器的虛擬化技術(shù)得到了長足的發(fā)展和廣泛的應用，例如基于iSCSI的虛擬存儲技術(shù)等，它為廣域網(wǎng)下的云存儲夯實了底層結(jié)構(gòu)。

專用元數(shù)據(jù)的虛擬化是在存儲網(wǎng)絡中接入一臺專用的元數(shù)據(jù)服務器來完成存儲虛擬化工作，屬于帶外虛擬化方法。

元數(shù)據(jù)服務器提供基于網(wǎng)絡虛擬存儲服務，它負責映射不同的物理設(shè)備，形成整個虛擬設(shè)備存儲池的全局統(tǒng)一數(shù)據(jù)視圖，并負責與駐留在各個應用服務器上的虛擬化代理軟件進行通信，各應用服務器上的虛擬代理軟件負責管理存儲訪問視圖和I/O通信并實現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問重定向;該代理軟件具有實現(xiàn)數(shù)據(jù)高速緩存和數(shù)據(jù)預存取功能，并具有維護本地存儲視圖和元數(shù)據(jù)的功能，可以緩存和暫存本地存取的元數(shù)據(jù)信息，并保持與專用元數(shù)據(jù)服務器的數(shù)據(jù)一致性，通過數(shù)據(jù)訪問的局部性減少訪問元數(shù)據(jù)服務器的次數(shù)從而可以顯著的提高存儲吞吐率。

網(wǎng)絡的大規(guī)模虛擬存儲技術(shù)將是今后一段時間內(nèi)虛擬存儲化技術(shù)的主要研究熱點，其中基于iSCSI協(xié)議的網(wǎng)絡存儲被認為是繼續(xù)推動存儲區(qū)域網(wǎng)(SAN)快速發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，該協(xié)議通過IP協(xié)議封裝SCSI命令，把大型存儲設(shè)備接入網(wǎng)絡，使基于iSCSI的存儲訪問協(xié)議和互聯(lián)網(wǎng)上，從而實現(xiàn)獨立于地理位置的數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)備份和數(shù)據(jù)檢索。

特別是10Gb以太網(wǎng)的迅速普及和縮短訪問延遲的遠程內(nèi)存直接訪問技術(shù)(RDMA)的快速發(fā)展，將會加速基于IP的虛擬存儲技術(shù)的進一步快速發(fā)展。

互聯(lián)網(wǎng)的虛擬化是存儲技術(shù)的最高形式。它采用集群技術(shù)、網(wǎng)格技術(shù)、覆蓋網(wǎng)技術(shù)、P2P技術(shù)以及分布式文件系統(tǒng)等技術(shù)實現(xiàn)將全球范圍內(nèi)不同類型的存儲設(shè)備通過虛擬化技術(shù)整合起來，向外提供統(tǒng)一的虛擬內(nèi)存和硬盤的功能。

雖然基于互聯(lián)網(wǎng)的虛擬化的發(fā)展還處在起步階段，但一些研究成果已經(jīng)顯現(xiàn)，如由Jun Wang，Xiaoyu Yao等人提出的基于成熟的TCP/IP協(xié)議的SAN技術(shù)，采用iSCSI協(xié)議及分層緩存機制實現(xiàn)對基于廣域網(wǎng)的存儲服務器的高速訪問。基于互聯(lián)網(wǎng)的存儲虛擬化(例如存儲云)實際上是一種為用戶提供存儲服務的虛擬化技術(shù)。

實現(xiàn)存儲虛擬化系統(tǒng)的關(guān)鍵是實現(xiàn)眾多異構(gòu)存儲設(shè)備到統(tǒng)一虛擬存儲資源的視圖映射，通常在用戶和存儲設(shè)備路徑上加入存儲管理部件來實現(xiàn)虛擬化，它屏蔽了不同類型、不同特性的物理設(shè)備，實現(xiàn)大量異構(gòu)存儲資源的整合，向用戶提供方便訪問、任意劃分、在線擴容、安全穩(wěn)定的虛擬存儲系統(tǒng)。

實現(xiàn)虛擬化存儲系統(tǒng)需要解決的一些關(guān)鍵技術(shù)包括：

異構(gòu)存儲介質(zhì)的互聯(lián)和統(tǒng)一管理。存儲虛擬化的核心任務是兼容多種屬性的存儲設(shè)備，屏蔽它們間不同的物理特性并向用戶提供統(tǒng)一的虛擬邏輯設(shè)備訪問方式，由網(wǎng)絡連接的各種物理存儲設(shè)備以虛擬卷的形式向用戶呈現(xiàn)，而用戶關(guān)注的是存儲容量和數(shù)據(jù)安全策略，而存儲容量的物理分配則對用戶透明的，存儲虛擬化管理系統(tǒng)及其所兼容的協(xié)議屏蔽了連接到存儲網(wǎng)絡中的各類設(shè)備的差異性，簡化了邏輯存儲設(shè)備的管理、配置和分配，并向用戶提供在線劃分、擴展、配置存儲和在線增加與更替存儲設(shè)備的虛擬化存儲管理技術(shù)。

數(shù)據(jù)的共享沖突與一致性。數(shù)據(jù)共享是存儲虛擬化的主要功能之一，基于網(wǎng)絡的虛擬存儲對數(shù)據(jù)共享訪問提出了很高的要求，存放在不同物理存儲器中的數(shù)據(jù)拷貝為操作系統(tǒng)間及操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)倉庫問的數(shù)據(jù)共享帶來便利，但同時必須仔細設(shè)計鎖機制算法、備份分發(fā)算法以及緩存一致性技術(shù)來保證數(shù)據(jù)的完整性。

數(shù)據(jù)的透明存儲和容錯容災策略。數(shù)據(jù)的透明訪問需要虛擬存儲屏蔽存儲設(shè)備的物理差異性，由系統(tǒng)按照資源的特性及用戶的需求自動調(diào)度和利用存儲資源，便于用戶在邏輯卷的基礎(chǔ)上對數(shù)據(jù)進行復制、鏡像、備份以及實現(xiàn)虛擬設(shè)備級的數(shù)據(jù)快照等功能。

虛擬存儲系統(tǒng)必需按照數(shù)據(jù)的安全級別建立容錯和容災機制，以克服系統(tǒng)的誤操作、單點失效、意外災難等因素造成的數(shù)據(jù)損失。系統(tǒng)必需對用戶透明地的實現(xiàn)多種機制下的數(shù)據(jù)備份、數(shù)據(jù)系統(tǒng)容錯和災難預警及自動恢復等策略。

性能優(yōu)化和負載均衡。存儲系統(tǒng)應該從全局的觀點并根據(jù)不同存儲設(shè)備的特性來優(yōu)化存儲系統(tǒng)，應該根據(jù)不同存儲的存儲響應時問、吞吐率和存儲容量來安排多級存儲體系結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的多級高速緩存和數(shù)據(jù)預取功能。

根據(jù)用戶的需求安排不同的存儲策略實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的按需存取，仔細設(shè)計I/O均衡策略，根據(jù)具體的物理設(shè)備合理分配用戶的I/O請求，使用條帶化方法、數(shù)據(jù)分塊、時空負載區(qū)分、數(shù)據(jù)主動存取和數(shù)據(jù)的過預取策略來提高數(shù)據(jù)的訪問效率，為了進一步提高訪問效率，也可以采用基于存儲對象的存儲主動服務策略來提高數(shù)據(jù)的主動預測服務。

數(shù)據(jù)的安全訪問策略?；诰W(wǎng)絡的存儲必需對訪問加以控制，數(shù)據(jù)被越權(quán)訪問和惡意攻擊是虛擬存儲系統(tǒng)必需要避免的，透明的存儲服務所帶來的數(shù)據(jù)安全性必需由虛擬化管理軟件來實現(xiàn)，其實現(xiàn)安全訪問的策略是多樣的，如基于密鑰的認證管理及數(shù)據(jù)加密策略，以及在存儲體之上增加一層可信的管理層節(jié)點等都是可行的方法。

高可靠性和可擴展性。高可靠和可擴展性是虛擬存儲系統(tǒng)必需具備的特性，系統(tǒng)應該采用高效的故障預測、故障檢測、故障隔離和故障恢復技術(shù)來保證系統(tǒng)的高可靠性。

虛擬存儲系統(tǒng)應該在不中斷正常存儲服務的前提下實現(xiàn)對存儲容量和存儲服務進行任意擴展，透明的添加和更替存儲設(shè)備，虛擬存儲系統(tǒng)還應該具有自動發(fā)現(xiàn)、安裝、檢測和管理不同類型存儲設(shè)備的能力。

文章名稱：服務器、存儲和網(wǎng)絡虛擬化的實現(xiàn)與應用
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