隨著IT技術(shù)的發(fā)展，存儲數(shù)據(jù)的爆炸式增加，存儲的地位變得越來越重要;存儲部分逐漸地從應(yīng)用系統(tǒng)中分 離出來，形成了專門的存儲系統(tǒng)，進(jìn)而形成了專門的存儲網(wǎng)絡(luò)(SAN)。IT技術(shù)在經(jīng)歷了以處理器為核心和以傳輸技術(shù)為核心的階段以后，目前已進(jìn)入了以存儲 技術(shù)為核心的發(fā)展階段。考核一個存儲系統(tǒng)的性能指標(biāo)有很多，如容量、可擴(kuò)展性、可伸縮性、可管理性、高可用性等，最重要是存儲系統(tǒng)的容量。而通常增加存儲 系統(tǒng)容量的方法有兩種：

①增加存儲設(shè)備;

②提高存儲系統(tǒng)的容量利用率。

顯然，提高存儲系統(tǒng)的容量利用率是一種既不增加成本又可以增加容最的好方法。研究表明，在目前的存儲系 統(tǒng)中，容量的利用率都很低，以傳統(tǒng)磁盤存儲為例，考慮到用戶數(shù)據(jù)的不斷增長，實際上平均40%-50%的磁盤容量從未被利用過，大量的、寶貴的存儲資源被 浪費掉了，沒有發(fā)揮應(yīng)有的作用。同時為滿足系統(tǒng)性能和以后升級擴(kuò)容等方面的要求，客戶一般購買超過實際數(shù)據(jù)容量需求3-4倍的磁盤，用于磁盤鏡像等附加功 能，從而造成了存儲空間資源的極大浪費。

這種現(xiàn)狀的主要原因是：目前對存儲資源的分配方法是靜態(tài)的，即按照用戶的估計(往往有很大余量)，預(yù)先 把存儲資源劃分成分區(qū)或卷，而后以分區(qū)或卷為單位將存儲資源分配給用戶。在以后的使用過程中，分配給用戶的存儲資源中會有很大一部分長期處于閑置狀態(tài)。更 糟糕的是這些閑置的資源無法被其它用戶使用，從而造成了存儲容量利用率低下的現(xiàn)象。如果能夠采用動態(tài)的方法按需分配存儲資源，毫無疑問，將會極大地提高存 儲資源的利用率，從而在不增加成本的情況下增加存儲系統(tǒng)的容量。而要采用動態(tài)的、按需分配的方法就必須將存儲系統(tǒng)虛擬化，即采用存儲虛擬化技術(shù)。

1 存儲虛擬化技術(shù)

1.1存儲虛擬化技術(shù)概念

傳統(tǒng)的存儲虛擬化就是將存儲網(wǎng)絡(luò)(sAN)中各種分散的、異構(gòu)的存儲設(shè)備映射成一個單一的連續(xù)編址的邏 輯存儲空間或一個虛擬存儲池(virtual storagep00l)，并將虛擬存儲池的訪問接口提供給應(yīng)用系統(tǒng)。

該映射操作是由存儲虛擬化中問件SVM(storage virtuali—zation middleware)來實施的，SVM屏蔽了所有存儲設(shè)備的物理特性，由此，存儲網(wǎng)絡(luò)(SAN)中所有存儲設(shè)備對主機(jī)透明，主機(jī)只與分配給它的邏輯卷打 交道，就像訪問本地邏輯存儲單元LUN(logical unit number)樣訪問虛擬存儲池，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 存儲虛擬化結(jié)構(gòu)

1.2存儲虛擬化的實現(xiàn)方法和方式

存儲虛擬化主要涉及3個基礎(chǔ)性的問題：

①虛擬的對象;

②進(jìn)行虛擬的位置;

③虛擬的實現(xiàn)機(jī)制，如圖2所示。在存儲系統(tǒng)中，虛擬的對象主要有磁盤、磁帶、文件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)塊、數(shù)據(jù)記 錄等，我們則集中考慮物理存儲設(shè)備(如磁盤、磁帶等)的虛擬化問題。

圖2 虛擬對象位置及機(jī)制

目前虛擬存儲的發(fā)展尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，從系統(tǒng)的觀點來講，有3種主要的存儲虛擬化的方法枷：基于主機(jī)的虛擬 存儲;基于存儲設(shè)備的虛擬存儲;基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬存儲。由于基于不同的實現(xiàn)層次，3種存儲虛擬化方法各有特色：基于主機(jī)的虛擬化軟件提供獨立于存儲網(wǎng)絡(luò)的互 連能力和存儲資源，但必須一個服務(wù)器范圍內(nèi)進(jìn)行管理;基于存儲設(shè)備的虛擬化能夠利用廠家存儲的特定功能和特點，但缺乏異構(gòu)存儲環(huán)境的互操作能力;采用應(yīng)用 形式或居留于交換機(jī)中的基于存儲網(wǎng)絡(luò)的虛擬化提供虛擬功能的集中，但為了防止出現(xiàn)元件失效需要采用冗余來提供高可用性。從發(fā)展趨勢看，基于主機(jī)的和基于存 儲的虛擬化技術(shù)目前已經(jīng)相對成熟，而網(wǎng)絡(luò)虛擬化是一種新的技術(shù)，它獨立于主機(jī)和存儲設(shè)備，給用戶帶來了很大的靈活性，其未來的發(fā)展空間最大。

從存儲虛擬化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來講，有對稱式和非對稱式兩種，根據(jù)實現(xiàn)機(jī)制又分為帶內(nèi)和帶外兩種基本類型。兩 種方式的主要區(qū)別在于存儲網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)FO與控制信息是否使用同一通道。對稱式結(jié)構(gòu)存儲虛擬化(又稱帶內(nèi)存儲虛擬化)，是指存儲虛擬化控制設(shè)備，交換設(shè)備與 存儲軟件系統(tǒng)集成在一臺專用的服務(wù)器中;非對稱式結(jié)構(gòu)存儲虛擬化(又叫做帶外存儲虛擬化)，數(shù)據(jù)和命令信息使用不同的通路，就是在存儲區(qū)域網(wǎng)絡(luò)中(或主機(jī) 系統(tǒng)以太網(wǎng))設(shè)置專用于存儲控制的服務(wù)器作為元數(shù)據(jù)控制器。

2 雙層次存儲虛擬化結(jié)構(gòu)

2.1雙層次存儲虛擬化結(jié)構(gòu)設(shè)計

在存儲系統(tǒng)中采用虛擬存儲的技術(shù)已經(jīng)成熟，許多操作系統(tǒng)平臺上都有一種甚至多種卷管理軟件層，常見的有 AIX平臺上的Volume Group，Solaris平臺上的Volume Manager，Linux平臺上的LVM(Iogical volume manager)等。這些卷管理軟件的功能就是模擬物理磁盤的結(jié)構(gòu)，把多個磁盤組或者多個磁盤條帶組織起來，虛擬成一組統(tǒng)一的數(shù)據(jù)塊集，這樣操作系統(tǒng)就可 以統(tǒng)一而方便的使用所有的磁盤了。這類軟件的工作機(jī)制和管理思想，是現(xiàn)今虛擬存儲技術(shù)的一個重要組成部分。

利用虛擬化提高存儲系統(tǒng)的容量利用率不是一個新的概念，事實上，在操作系統(tǒng)中已經(jīng)成功地實現(xiàn)了內(nèi)存的虛 擬化。在當(dāng)前的操作系統(tǒng)(Windows、Linux、Unix等)中，不管實際的物理內(nèi)存有多少，利用虛擬化技術(shù)，都可以為每個進(jìn)程提供最大的虛擬內(nèi)存 空間(在Inteli386體系結(jié)構(gòu)中是4GB)。每個進(jìn)程都會以為自己擁有全部的地址空間，而實際上它只占用了很小一部分物理內(nèi)存。操作系統(tǒng)中的虛擬內(nèi) 存管理器管理虛擬內(nèi)存到物理內(nèi)存的映射，它只為正在使用的虛擬頁分配物理內(nèi)存，而從不會給未用到的虛擬頁分配物理內(nèi)存，因而物理內(nèi)存的利用率非常高。

將虛擬內(nèi)存思想擴(kuò)展應(yīng)用到存儲系統(tǒng)中，即將傳統(tǒng)的存儲虛擬化技術(shù)和虛擬內(nèi)存思想結(jié)合起來，既可以實現(xiàn)存 儲設(shè)備的虛擬化，又可以能夠提高存儲資源的利用率。

在存儲系統(tǒng)中，虛擬化技術(shù)的作用主要有兩個：

(1)屏蔽存儲設(shè)備之間的差別，為用戶提供一個統(tǒng)一的存儲視圖(存儲池);

(2)按需分配存儲資源，提高存儲系統(tǒng)的容量利用率，為用戶虛擬出大的存儲空間(甚至能超過存儲系統(tǒng)的 物理容量)。

第1點為存儲系統(tǒng)虛擬化的第1個層次，第2點為存儲系統(tǒng)虛擬化的第2個層次。第1個層次的虛擬化是初級 的虛擬化，但卻是存儲系統(tǒng)虛擬化的基礎(chǔ)，它的主要目的是屏蔽存儲設(shè)備之間的差別，構(gòu)建一個統(tǒng)一的存儲池;第2個層次的虛擬化是高級的虛擬化，是對第l層次 虛擬化的再虛擬化，它在第1個層虛擬出來的存儲池的基礎(chǔ)上，采用按需分配策略，為每個用戶都虛擬出一個大的存儲空間。顯然，只有實現(xiàn)了第2個層次的虛擬 化，對存儲系統(tǒng)的虛擬化才算是徹底的，也只有實現(xiàn)了第2個層次的虛擬化，才真正達(dá)到存儲系統(tǒng)虛擬化的目的。

在目前的存儲系統(tǒng)產(chǎn)品中，已經(jīng)集成了虛擬化技術(shù)，如IBM的SVC(實現(xiàn)了基于主機(jī)的虛擬化)，EMC 的lnvista(實現(xiàn)了基于存儲網(wǎng)絡(luò)的虛擬化)，HDS的TagmaStore(實現(xiàn)了基于存儲設(shè)備的虛擬化)等，但它們只做到了第1個層次，都沒有實 現(xiàn)存儲資源的按需分配。

在存儲系統(tǒng)的發(fā)展中，存儲虛擬化不再被看作是一個專門的產(chǎn)品，而是一個支撐存儲容量和存儲服務(wù)的基礎(chǔ)平 臺。實現(xiàn)雙層次的虛擬存儲虛擬化已對傳統(tǒng)的存儲虛擬化概念進(jìn)行了擴(kuò)展和豐富，其主要源于虛擬內(nèi)存技術(shù)，是內(nèi)存管理技術(shù)向外存儲系統(tǒng)管理中的遷移：具體的實 現(xiàn)思路是：將虛擬內(nèi)存管理的思想引入到存儲系統(tǒng)的虛擬化中，在實現(xiàn)屏蔽存儲設(shè)備異構(gòu)性的第1層虛擬化的基礎(chǔ)之上，實現(xiàn)第2個層次的虛擬化，如圖3所示。

圖3 雙層次存儲虛擬化結(jié)構(gòu)

對于每個服務(wù)器，為其建立虛擬卷和邏輯卷之間的映射表，表示虛擬塊到邏輯塊(存儲池中的塊)的映射關(guān) 系，但不分配實際的物理存儲空間，而是采用操作系統(tǒng)中常見的lazy思想，只有在實際需要時才為其分配;各個服務(wù)器看到的是滿足各自容量需求的存儲空間， 而這些存儲空間實際上是在虛擬卷上建立的虛擬磁盤。服務(wù)器在使用的過程中，可以根據(jù)容量需求進(jìn)行動態(tài)擴(kuò)展，在存儲池中逐步為其分配邏輯塊，隨之動態(tài)地建立 修改映射表。由于虛擬空間和邏輯空間在大小方面存在明顯的差距，相似與用vMM(虛擬內(nèi)存管理器)管理虛擬內(nèi)存，則在此需要專門的映射策略和實現(xiàn)機(jī)制來管 理虛擬塊和邏輯塊之間的映射關(guān)系，以達(dá)到映射的正確性，快速性和安全性。

對于處于中間層的存儲池，也需要在邏輯塊和物理塊(存儲設(shè)備上的塊)之間維護(hù)映射表，用于表示邏輯塊和 物理塊之間的映射關(guān)系。鑒于邏輯空間和物理空間大小基本一致，在建立邏輯卷時，在邏輯塊和物理塊之間通常有兩種映射策略：

①線性映射：將把一定范圍的物理塊按順序分配給邏輯卷;

②交錯模式：將把邏輯塊交錯映射到不同的物理卷中。以Linux(2.6內(nèi)核)系統(tǒng)中集成的邏輯卷管理 器(logical volumemanager，LVM)為例，VGDA(卷組描述符區(qū)域)功能相當(dāng)于LVM的分區(qū)表，其中包含多種描述符信息，當(dāng)系統(tǒng)啟動邏輯卷 時，VGDA被加載至內(nèi)存。VGDA幫助識別邏輯卷的實際存儲位置，當(dāng)系統(tǒng)想要訪問存儲設(shè)備時，由VGDA建立起來的映射機(jī)制就用于訪問實際的物理位置來 執(zhí)行I/O操作。

2.2雙層次虛擬存儲系統(tǒng)分析

在存儲管理中廣泛采用虛擬內(nèi)存的實現(xiàn)機(jī)制，其構(gòu)成的虛擬存儲系統(tǒng)具有以下特點：

(1)能夠?qū)⒉煌拇鎯υO(shè)備整合成一個統(tǒng)一的存儲池，屏蔽各種存儲設(shè)備之間的差別;

(2)實現(xiàn)了存儲空間的按需分配，提高了存儲系統(tǒng)的容量利用率;

(3)允許動態(tài)擴(kuò)充存儲空間(增加存儲設(shè)備)，存儲空間的擴(kuò)充對用戶是透明的;

(4)允許虛擬卷的動態(tài)遷移，即在不影響服務(wù)器運行的情況下，將它的虛擬卷遷移到其它存儲設(shè)備上：

(5)允許建立存儲控制策略，并自動按照存儲策略為用戶分配存儲空間，保證滿足用戶的需求(如性能要求等);

(6)支持按設(shè)備、按應(yīng)用、按虛擬卷的備份;

(7)能夠在不同層次的存儲設(shè)備之間動態(tài)、有序地移動數(shù)據(jù)，方便信息存儲周期管理(ILM);

(8)便于數(shù)據(jù)的自動歸檔;

(9)便于管理。

盡管雙層次的存儲虛擬化可以屏蔽存儲設(shè)備的異構(gòu)性，提高存儲資源的利用率，但它同樣帶來了新的缺陷。由于虛擬化需要把存儲系統(tǒng)的一種視圖映射到另一種視圖，如雙層次存儲虛擬化結(jié)構(gòu)中需要保持物理塊和邏輯塊以及邏輯塊和虛擬塊之間的雙級映射，所以必須保存這種映射的持久性拷貝。這種駐守的數(shù)據(jù)通常叫做元數(shù)據(jù)。通常，元數(shù)據(jù)存在多個副本，如何保持元數(shù)據(jù)的一致性是十分關(guān)鍵的問題。同時，每種文件系統(tǒng)和存儲設(shè)備都需要維護(hù)元數(shù)據(jù)，元數(shù)據(jù)的維護(hù)在異構(gòu)跨平臺的虛擬存儲化中存在著許多問題，如何保存和維護(hù)元數(shù)據(jù)則需要進(jìn)行深入的研究和探討。

3 結(jié)束語

雙層次存儲虛擬化結(jié)構(gòu)解決了存儲空間使用上的浪費問題，它把系統(tǒng)中各個分散的物理存儲空間整合起來，應(yīng)用Device Mapper機(jī)制形成連續(xù)編址的邏輯存儲空間，之后利用虛擬內(nèi)存的管理思想將邏輯存儲空間映射成虛擬存儲空間，實現(xiàn)了存儲資源的動態(tài)分配和管理，極大的提高了存儲資源的利用率，降低了用戶TCO(總體擁有成本)，增加了用戶的ROI(投資回報)。

雙層虛擬存儲結(jié)構(gòu)是基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬存儲，主要考慮在專用的元數(shù)據(jù)服務(wù)器上實現(xiàn)，因此在如何呈現(xiàn)對上層的透明性，避免單點失效以及雙層映射的高效性等方面需要進(jìn)一步的研究和設(shè)計。