1．引言

    信息網絡的普及與發展，帶動了信息存儲技術的進步與發展。日益增長的信息存儲需求，從MB、GB到TB，不斷增長的數據量，使數據存儲越來越復雜。企業用戶面對日益復雜的異構平臺，不同廠商的產品，不同種類的存儲設備，給存儲管理帶來諸多難題。以服務器為中心的系統正逐步向以網絡、數字信息為中心轉移。數據應用已不再局限于某一企業和部門，而分布于整個網絡環境。系統整合、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的發展要求。存儲虛擬化技術(Storage Virtualization)是解決這些問題的有效手段，現成為信息存儲技術的主要發展方向。其重要地位日趨顯著，不僅體現在技術方面，更體現在應用方面。

    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器軟件，但網絡存儲的飛速發展給存儲虛擬化賦予了新的內涵。使之成為共享存儲管理中的主流技術。存儲虛擬化把不同接口協議(如SCSI，iSCSI或FC等)的物理存儲設備(如JBOD，RAID和磁帶庫等)整合成一個虛擬的存儲池，根據需要為主機創建和提供虛擬存儲卷。在虛擬存儲技術管理下的各種存儲設備，在主機應用程序面前呈現為一個虛擬的存儲池，而不依賴于其位置、數量及種類，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需要動態而透明地擴容，并能按用戶要求，透明地實現服務器之間的動態數據遷移。

2．存儲虛擬化技術原理

    存儲虛擬化的基本原理是，把多個存儲介質模塊(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，而是一個分區或者一個卷，如同一個超大容量的硬盤。這些分區或者卷利用計算機操作系統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，虛擬成統一的數據塊集，這樣操作系統就可以統一而方便地使用所有磁盤。

    存儲虛擬化技術將底層存儲設備進行抽象化管理，在服務器層屏蔽存儲設備硬件的特殊性，只保留其統一的邏輯特性，從而實現存儲系統集中、統一而方便的管理。整個存儲系統中的虛擬存儲部分就像計算機操作系統。對下層管理各種具體設備，對上層提供相對統一的運行環境和資源使用方式。

    從目前情況看，存儲虛擬化技術有以下4種功能。

    2．1提高存儲系統性

    在傳統磁盤陣列中。不同容量的磁盤無法混合使用，而虛擬技術可以把不同時期購買的不同容量磁盤，統一起來使用。數據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生。

    2．2提高系統容量

    顯而易見，虛擬空間的磁盤、磁帶等增加了系統容量。

    2．3改變設備使用方式

    例如，服務器不必關心后端物理設備，也不會因為物理設備發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的網絡連接可虛擬成ScSI連接。例如彩帶設備，在傳統的系統中，只能被當作順序讀寫設備使用，通過虛擬化技術，變成可隨機讀寫的塊設備，擺脫了離線存儲的宿命而加了在線存儲的行列。

    2．4加強存儲系統安全性

    例如，虛擬文件系統存儲方案著重解決網絡中文件共享的安全機制問題。

3．存儲虛擬化技術類型

    3．1對稱式與非對稱式

    目前，存儲虛擬化的發展尚無統一標準。從存儲虛擬化的拓撲結構來講，有對稱式和非對稱式兩種，根據實現機制又分為帶內和帶外兩種基本類型。兩種方式的主要區別在于存儲網絡中數據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I所示，對稱式結構存儲虛擬化(又叫做帶內存儲虛擬化)，是指存儲虛擬化控制設備、交換設備與存儲軟件系統集成在一臺專用服務器中。通過這種方式整合多種技術于存儲設備，管理是集中式的，因此具有極高的安全性。這種方式是在數據讀寫過程中，在主機到存儲設備的路徑上實現存儲虛擬化，也稱為“同步虛擬”。對稱式結構存儲虛擬化，數據和控制信息，使用同一條通路。雖然節省了硬件設備，但是容易造成網絡擁塞，降低性能，同時容易產生瓶頸和單點失效。專用服務器是整個網絡的單點故障，故在應用中這種結構往往是冗余配置。

    3．1．2非對稱式(Out-of-Band)

    如圖2所示，非對稱式結構存儲虛擬化〔又叫做帶外存儲虛擬化)，數據和命令信息使用不同的通路。就是在存儲區域網絡中(或主機系統以太網)設置專用于存儲控制的服務器作為元數據控制器。數據在專用通道上傳愉，提供了很好的訪問性能，減少了網絡延遲.增加了帶寬，不需要對現有的網絡架構進行改變，避免了單點故障和瓶頸。這種方式是在數據讀寫之前就已經做好了虛擬工作，而且實現虛擬的部分并不在主機到存儲設備的訪問路徑上，因此稱為“異步虛擬”。非對稱結構存儲虛擬化的劣勢在于數據的安全性控制，當沒有加人到虛擬控制環境中的服務器直接連人網絡時，這個服務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數據塊虛擬與虛擬文件系統

    3.2.1數據塊虛擬

    在多交換機組成的大型FC結構的SAN中，由干多臺主機通過多個交換機端口訪問存儲設備.會產生嚴重的延時和數據塊沖突。數據塊虛擬存儲方案利用虛擬的多端口并行技術，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，數據塊虛擬存儲方案以對稱式拓撲結構來實現。

    3.2.2虛擬文件系統

    虛擬文件系統存儲方案著重解決大規模網絡文件共享的安全機制問題。對不同站點指定不同的訪問權限，限制越權訪問，保證網絡文件的安全。在實際應用中，崖擬文件系統存儲方案以非對稱式拓撲結構來實現。4.存儲虛擬化技術實現與比較

    一般來說，主機、存儲設備和存儲網絡都有對應的存儲虛擬化技術存在，根據其所在的位置，存儲虛擬化技術可分為基于主機、基于存儲設備以及基于網絡的虛擬存儲技術

4．存儲虛擬化技術實現與比較

    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，在系統和應用級上，實現多機間的共享存儲、存儲資源管理(存儲媒介、卷、文件管理)、數據復制和數據遷移、遠程備份、集群系統、災難恢復等存儲管理任務。

    基于主機的虛擬存儲又可分為數據塊以上虛擬層和數據塊存儲虛擬層:

    4.1.1數據塊以上虛擬層(ViAualization above Block )

    它是存儲虛擬化的最頂層，通過文件系統和數據庫給應用程序提供一個虛擬數據視圖，屏蔽了底層實現。

    4.1.2數據塊存儲虛擬層（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備創建邏輯卷.井負責數據塊UO請求的路由。

    4.2基于存儲設備的虛擬存儲

    存儲設備虛擬層管理共享存儲資源并匹配可用資源和訪問請求。基于存儲設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備。虛擬磁盤主要由功能設備、管理器以及物理磁盤組成。

    4.2.1功能設備

    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，如果沒有數據寫到虛擬磁盤上，就不會占用任何物理磁盤空間。數據按照控制器內部的性能優化算法被存儲到后臺的物理磁盤上。數據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。當數據更新時，數據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基于網絡的虛擬存儲

    網絡虛擬層包括了綁定管理軟件的存儲服務器和網絡互聯設備。基于網絡的虛擬化是在網絡設備之間實現存儲虛擬化功能，它將類似于卷管理的功能擴展到整個存儲網絡，負責管理Host視圖、共享存儲資源、數據復制、數據遷移及遠程備份等，并對數據路徑進行管理避免性能瓶頸。

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

    非對稱結構控制信息和數據走不同的路徑，而對稱結構控制信息和數據走同一條通道.所以非對稱結構比對稱結構具有更好的可擴展性。非對稱結構性能和可擴展性比較好，但安全性不高。對稱結構中.虛擬存儲控制設備可能成為瓶頸，并易出現單點故障;由于不再是標準的SAN結構，對稱結構的開放性和互操作性差。

5.基于網絡的虛擬存儲實現方法

    5.1基于互聯設備的虛擬化

    其虛擬存儲架構可以是對稱的或非對稱的。在對稱結構中.互聯設備可能成為瓶頸.多重設備管理和負載平衡機制可以減緩瓶頸。在多重設備管理環境中，當一個設備出現故障時.較易支持故障替換，但這將產生多個SAN孤島.因為一個設備僅控制與它所連接的存儲系統。

    基于互聯設備的虛擬功能模塊，能夠在專用服務器中運行于標準操作系統之上，具有基于主機的虛擬方法的諸多優勢—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，因為基于互聯設備的虛擬方法，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的主機配置，都可能導致訪問到未受保護的數據。同時，在異構操作系統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備或基于主機虛擬存儲環境中可能遇到的安全性問題。同時.在異構環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，用于數據通路上的故障替換。

    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絡的數據通路中，用來截取網絡中任何一條從主機到存儲系統的命令。相對于基于主機和大多數基于互連設備的虛擬方法，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絡的路由器出現故障時，可能導致主機中的數據不能被訪問，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。可通過冗余路由器支持動態多路徑，解決上述故障問題。由于路由器常作為協議轉換的橋梁，基于路由器的虛擬方法，也可為異構操作系統和多供應商存儲環境提供更好的互操作性。

6.結論

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

    當然我們也不能忽視虛擬技術的一些潛在的問題。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，存儲虛擬化技術必須加以豐富和完善(如數據的備份、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。另外，存儲虛擬化依然缺乏高度的標準化，不同的虛擬產品之間的兼容性還有待進一步提高，必須盡快制定業界公認的存儲虛擬化技術標準，以解決操作平臺、網絡和存儲設備等廠商及產品之間的互操作性問題，推動存儲虛擬化技術的發展。