1.引言

信息網(wǎng)絡(luò)的普及與發(fā)展，帶動了信息存儲技術(shù)的進步與發(fā)展。日益增長的信息存儲需求，從MB、GB到TB，不斷增長的數(shù)據(jù)量，使數(shù)據(jù)存儲越來越復雜。企業(yè)用戶面對日益復雜的異構(gòu)平臺，不同廠商的產(chǎn)品，不同種類的存儲設(shè)備，給存儲管理帶來諸多難題。以服務(wù)器為中心的系統(tǒng)正逐步向以網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字信息為中心轉(zhuǎn)移。數(shù)據(jù)應用已不再局限于某一企業(yè)和部門，而分布于整個網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。系統(tǒng)整合、資源共享、簡化管理、降低成本以及自動存儲將成為信息存儲技術(shù)的發(fā)展要求。存儲虛擬化技術(shù)（Storage Virtualization）是解決這些問題的有效手段，現(xiàn)成為信息存儲技術(shù)的主要發(fā)展方向。其重要地位日趨顯著，不僅體現(xiàn)在技術(shù)方面，更體現(xiàn)在應用方面。

存儲虛擬化不是一個新概念，如卷管理就是一種存儲虛擬化的服務(wù)器軟件，但網(wǎng)絡(luò)存儲的飛速發(fā)展給存儲虛擬化賦予了新的內(nèi)涵。使之成為共享存儲管理中的主流技術(shù)。存儲虛擬化把不同接口協(xié)議（如SCSI，iSCSI或FC等）的物理存儲設(shè)備（如JBOD，RAID和磁帶庫等）整合成一個虛擬的存儲池，根據(jù)需要為主機創(chuàng)建和提供虛擬存儲卷。在虛擬存儲技術(shù)管理下的各種存儲設(shè)備，在主機應用程序面前呈現(xiàn)為一個虛擬的存儲池，而不依賴于其位置、數(shù)量及種類，它對用戶完全透明，等效于一個本地大硬盤。該虛擬存儲池可根據(jù)需要動態(tài)而透明地擴容，并能按用戶要求，透明地實現(xiàn)服務(wù)器之間的動態(tài)數(shù)據(jù)遷移。

2.存儲虛擬化技術(shù)原理

存儲虛擬化的基本原理是，把多個存儲介質(zhì)模塊（如硬盤、磁盤、磁帶）通過一定手段集中管理。從主機和工作站的角度看它不是多個硬盤，而是一個分區(qū)或者一個卷，如同一個超大容量的硬盤。這些分區(qū)或者卷利用計算機操作系統(tǒng)平臺上的卷管理軟件進行管理，把多個磁盤組或者多個磁盤條帶組織起來，虛擬成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)塊集，這樣操作系統(tǒng)就可以統(tǒng)一而方便地使用所有磁盤。

存儲虛擬化技術(shù)將底層存儲設(shè)備進行抽象化管理，在服務(wù)器層屏蔽存儲設(shè)備硬件的特殊性，只保留其統(tǒng)一的邏輯特性，從而實現(xiàn)存儲系統(tǒng)集中、統(tǒng)一而方便的管理。整個存儲系統(tǒng)中的虛擬存儲部分就像計算機操作系統(tǒng)。對下層管理各種具體設(shè)備，對上層提供相對統(tǒng)一的運行環(huán)境和資源使用方式。

從目前情況看，存儲虛擬化技術(shù)有以下4種功能。

2.1提高存儲系統(tǒng)性

在傳統(tǒng)磁盤陣列中。不同容量的磁盤無法混合使用，而虛擬技術(shù)可以把不同時期購買的不同容量磁盤，統(tǒng)一起來使用。數(shù)據(jù)塊虛擬存儲方案為多臺客戶機提供了極高的帶寬，最大限度地減少了延時和沖突的發(fā)生。

2.2提高系統(tǒng)容量

顯而易見，虛擬空間的磁盤、磁帶等增加了系統(tǒng)容量。

2.3改變設(shè)備使用方式

例如，服務(wù)器不必關(guān)心后端物理設(shè)備，也不會因為物理設(shè)備發(fā)生任何變化而受任何影響。磁帶可當作磁盤使用，磁盤也可當作磁帶使用。TCP／IP的網(wǎng)絡(luò)連接可虛擬成ScSI連接。例如彩帶設(shè)備，在傳統(tǒng)的系統(tǒng)中，只能被當作順序讀寫設(shè)備使用，通過虛擬化技術(shù)，變成可隨機讀寫的塊設(shè)備，擺脫了離線存儲的宿命而加了在線存儲的行列。

2.4加強存儲系統(tǒng)安全性

例如，虛擬文件系統(tǒng)存儲方案著重解決網(wǎng)絡(luò)中文件共享的安全機制問題。

3.存儲虛擬化技術(shù)類型

3.1對稱式與非對稱式

目前，存儲虛擬化的發(fā)展尚無統(tǒng)一標準。從存儲虛擬化的拓撲結(jié)構(gòu)來講，有對稱式和非對稱式兩種，根據(jù)實現(xiàn)機制又分為帶內(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)I／O與控制信息是否使用同一通道，如圖1和2所示。

3.1.1對稱式（In-Band）

如網(wǎng)I所示，對稱式結(jié)構(gòu)存儲虛擬化（又叫做帶內(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)集成在一臺專用服務(wù)器中。通過這種方式整合多種技術(shù)于存儲設(shè)備，管理是集中式的，因此具有極高的安全性。這種方式是在數(shù)據(jù)讀寫過程中，在主機到存儲設(shè)備的路徑上實現(xiàn)存儲虛擬化，也稱為“同步虛擬”。對稱式結(jié)構(gòu)存儲虛擬化，數(shù)據(jù)和控制信息，使用同一條通路。雖然節(jié)省了硬件設(shè)備，但是容易造成網(wǎng)絡(luò)擁塞，降低性能，同時容易產(chǎn)生瓶頸和單點失效。專用服務(wù)器是整個網(wǎng)絡(luò)的單點故障，故在應用中這種結(jié)構(gòu)往往是冗余配置。

3.1.2非對稱式（Out-of-Band）

如圖2所示，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。數(shù)據(jù)在專用通道上傳愉，提供了很好的訪問性能，減少了網(wǎng)絡(luò)延遲。增加了帶寬，不需要對現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進行改變，避免了單點故障和瓶頸。這種方式是在數(shù)據(jù)讀寫之前就已經(jīng)做好了虛擬工作，而且實現(xiàn)虛擬的部分并不在主機到存儲設(shè)備的訪問路徑上，因此稱為“異步虛擬”。非對稱結(jié)構(gòu)存儲虛擬化的劣勢在于數(shù)據(jù)的安全性控制，當沒有加人到虛擬控制環(huán)境中的服務(wù)器直接連人網(wǎng)絡(luò)時，這個服務(wù)器有可能直接對存儲進行訪問或操作。另外，此方案在一定程度上增加了成本。

3.2數(shù)據(jù)塊虛擬與虛擬文件系統(tǒng)

3.2.1數(shù)據(jù)塊虛擬

在多交換機組成的大型FC結(jié)構(gòu)的SAN中，由干多臺主機通過多個交換機端口訪問存儲設(shè)備。會產(chǎn)生嚴重的延時和數(shù)據(jù)塊沖突。數(shù)據(jù)塊虛擬存儲方案利用虛擬的多端口并行技術(shù)，為多臺客戶機提供了極高的帶寬，最大限度地減少了延時與沖突。在實際應用中，數(shù)據(jù)塊虛擬存儲方案以對稱式拓撲結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。

3.2.2虛擬文件系統(tǒng)

虛擬文件系統(tǒng)存儲方案著重解決大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)文件共享的安全機制問題。對不同站點指定不同的訪問權(quán)限，限制越權(quán)訪問，保證網(wǎng)絡(luò)文件的安全。在實際應用中，崖擬文件系統(tǒng)存儲方案以非對稱式拓撲結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。4.存儲虛擬化技術(shù)實現(xiàn)與比較

一般來說，主機、存儲設(shè)備和存儲網(wǎng)絡(luò)都有對應的存儲虛擬化技術(shù)存在，根據(jù)其所在的位置，存儲虛擬化技術(shù)可分為基于主機、基于存儲設(shè)備以及基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬存儲技術(shù)

4.存儲虛擬化技術(shù)實現(xiàn)與比較

4.1基于主機的虛擬存儲

基于主機的虛擬存儲完全依賴存儲管理軟件，無需任何附加硬件。基于主機的存儲管理軟件，在系統(tǒng)和應用級上，實現(xiàn)多機間的共享存儲、存儲資源管理（存儲媒介、卷、文件管理）、數(shù)據(jù)復制和數(shù)據(jù)遷移、遠程備份、集群系統(tǒng)、災難恢復等存儲管理任務(wù)。

基于主機的虛擬存儲又可分為數(shù)據(jù)塊以上虛擬層和數(shù)據(jù)塊存儲虛擬層：

4.1.1數(shù)據(jù)塊以上虛擬層（ViAualization above Block ）

它是存儲虛擬化的最頂層，通過文件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫給應用程序提供一個虛擬數(shù)據(jù)視圖，屏蔽了底層實現(xiàn)。

4.1.2數(shù)據(jù)塊存儲虛擬層（Block Storage Virtualzation ）

通過基于主機的卷管理程序和附加設(shè)備接口，給主機提供一個整合的存儲訪問視圖。卷管理程序為虛擬存儲設(shè)備創(chuàng)建邏輯卷。井負責數(shù)據(jù)塊UO請求的路由。

4.2基于存儲設(shè)備的虛擬存儲

存儲設(shè)備虛擬層管理共享存儲資源并匹配可用資源和訪問請求�；�于存儲設(shè)備的虛擬方法目前最常用的是虛擬磁盤。虛擬磁盤是指把多個物理磁盤按照一定方式組織起來形成一個標準的虛擬邏輯設(shè)備。虛擬磁盤主要由功能設(shè)備、管理器以及物理磁盤組成。

4.2.1功能設(shè)備

它是主機所看到的虛擬邏輯單元，可以當作一個標準的磁盤設(shè)備使用。

4.2.2管理器

它通過一系列“邏輯磁道與物理磁道”指針轉(zhuǎn)換表完成邏輯磁盤到物理磁盤卷的間接地址映射。

4.2.3物理磁盤

它用于存儲的物理設(shè)備。

虛擬磁盤提供遠遠大于磁盤實際物理容量的虛擬空間。不管功能磁盤分配了多少空間，如果沒有數(shù)據(jù)寫到虛擬磁盤上，就不會占用任何物理磁盤空間。數(shù)據(jù)按照控制器內(nèi)部的性能優(yōu)化算法被存儲到后臺的物理磁盤上。數(shù)據(jù)被有效地分布到后臺的所有磁盤上，消除了對物理磁盤的竟爭所造成的性能瓶頸。當數(shù)據(jù)更新時，數(shù)據(jù)并不會被寫回原來的位置，極大地改善了更新操作的性能。

4.3基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬存儲

網(wǎng)絡(luò)虛擬層包括了綁定管理軟件的存儲服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備�；�于網(wǎng)絡(luò)的虛擬化是在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間實現(xiàn)存儲虛擬化功能，它將類似于卷管理的功能擴展到整個存儲網(wǎng)絡(luò)，負責管理Host視圖、共享存儲資源、數(shù)據(jù)復制、數(shù)據(jù)遷移及遠程備份等，并對數(shù)據(jù)路徑進行管理避免性能瓶頸。

基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬存儲可采用對稱或非對稱的虛擬存儲架構(gòu)。在非對稱架構(gòu)中，虛擬存儲控制器處于系統(tǒng)數(shù)據(jù)通路之外。不直接參與數(shù)據(jù)的傳輸。服務(wù)器可以直接經(jīng)過標準的交換機對存儲設(shè)備進行訪問。虛擬存儲控制器對所有存儲設(shè)備進行配置。并將配置信息提交給所有服務(wù)器。服務(wù)器在訪問存儲設(shè)備時。不再經(jīng)過虛擬存儲控制器，而是直接使存儲設(shè)備并發(fā)工作，同樣達到了增大傳輸帶寬的目的。而對稱式架構(gòu)中，虛擬存儲控制設(shè)備直接位于服務(wù)器與存儲設(shè)備之間，利用運行其上的存儲管理軟件來管理和配置所有存儲設(shè)備，組成一個大型的存儲池，其中的若干存儲設(shè)備以一個邏輯分區(qū)的形式，被系統(tǒng)中所有服務(wù)器訪問。虛擬存儲控制設(shè)備有多個數(shù)據(jù)通路與存儲設(shè)備連接，多個存儲設(shè)備并發(fā)工作，所以系統(tǒng)總的存儲設(shè)備訪問效率可達到較高水平。

非對稱結(jié)構(gòu)控制信息和數(shù)據(jù)走不同的路徑，而對稱結(jié)構(gòu)控制信息和數(shù)據(jù)走同一條通道。所以非對稱結(jié)構(gòu)比對稱結(jié)構(gòu)具有更好的可擴展性。非對稱結(jié)構(gòu)性能和可擴展性比較好，但安全性不高。對稱結(jié)構(gòu)中。虛擬存儲控制設(shè)備可能成為瓶頸，并易出現(xiàn)單點故障；由于不再是標準的SAN結(jié)構(gòu)，對稱結(jié)構(gòu)的開放性和互操作性差。

5.基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬存儲實現(xiàn)方法

5.1基于互聯(lián)設(shè)備的虛擬化

其虛擬存儲架構(gòu)可以是對稱的或非對稱的。在對稱結(jié)構(gòu)中。互聯(lián)設(shè)備可能成為瓶頸。多重設(shè)備管理和負載平衡機制可以減緩瓶頸。在多重設(shè)備管理環(huán)境中，當一個設(shè)備出現(xiàn)故障時。較易支持故障替換，但這將產(chǎn)生多個SAN孤島。因為一個設(shè)備僅控制與它所連接的存儲系統(tǒng)。

基于互聯(lián)設(shè)備的虛擬功能模塊，能夠在專用服務(wù)器中運行于標準操作系統(tǒng)之上，具有基于主機的虛擬方法的諸多優(yōu)勢—易使用、價格低，但也繼承了基于主機的虛擬方法的一些缺陷，因為基于互聯(lián)設(shè)備的虛擬方法，仍然需要運行于主機的代理軟件或基于主機的適配器，任何主機的故障或不適當?shù)闹鳈C配置，都可能導致訪問到未受保護的數(shù)據(jù)。同時，在異構(gòu)操作系統(tǒng)間的互操作性仍是一個問題。

5.2基于交換機的虛擬化

其虛擬方法是把虛擬功能模塊嵌人交換機的固件或者放置附屬千交換機的服務(wù)器上。由于并不要求在每臺主機上都運行虛擬功能模塊，該方法不存在基于設(shè)備或基于主機虛擬存儲環(huán)境中可能遇到的安全性問題。同時。在異構(gòu)環(huán)境中也能提供更好的互操作性。但是，交換機仍然是一個性能瓶頸。也可能成為故障敏感點。為提高可靠性，可引入備用交換機，用于數(shù)據(jù)通路上的故障替換。

5.3基于路由器的虛擬化

其虛擬方法是在路由器周件上實現(xiàn)虛擬存儲功能。供應商通常也提供運行在主機上的附加軟件來進一步增強存儲管理能力。采用基于路由器的虛擬方法，帶虛擬功能模塊的路由器，被置于每個主機到存儲網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通路中，用來截取網(wǎng)絡(luò)中任何一條從主機到存儲系統(tǒng)的命令。相對于基于主機和大多數(shù)基于互連設(shè)備的虛擬方法，基于路由器的虛擬方法性能更好、效果更佳，具有更好的安全性。

當連接主機到存儲網(wǎng)絡(luò)的路由器出現(xiàn)故障時，可能導致主機中的數(shù)據(jù)不能被訪問，但只有連接于故障路由器的主機才受影響，其他主機仍可通過其他路由器訪問存儲系統(tǒng)�？赏ㄟ^冗余路由器支持動態(tài)多路徑，解決上述故障問題。由于路由器常作為協(xié)議轉(zhuǎn)換的橋梁，基于路由器的虛擬方法，也可為異構(gòu)操作系統(tǒng)和多供應商存儲環(huán)境提供更好的互操作性。

6.結(jié)論

目前，海量數(shù)據(jù)需求在各個應用場合不斷增加，由于存儲虛擬化技術(shù)能夠提供系統(tǒng)的可用性、可靠性并易于維護，它正在成為存儲領(lǐng)域的核心技術(shù)。

當然我們也不能忽視虛擬技術(shù)的一些潛在的問題。首先，由于存儲應用場合的復雜性和不同用戶的存儲需求的多樣化，存儲虛擬化技術(shù)必須加以豐富和完善（如數(shù)據(jù)的備份、復制、恢復、遠程容災、快照和多重鏡像支持等），以提供良好的個性化存儲服務(wù)。另外，存儲虛擬化依然缺乏高度的標準化，不同的虛擬產(chǎn)品之間的兼容性還有待進一步提高，必須盡快制定業(yè)界公認的存儲虛擬化技術(shù)標準，以解決操作平臺、網(wǎng)絡(luò)和存儲設(shè)備等廠商及產(chǎn)品之間的互操作性問題，推動存儲虛擬化技術(shù)的發(fā)展。