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(jìn)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(fù)雜。企業(yè)用戶面對日益復(fù)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(yīng)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(yīng)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(jī)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(jī)應(yīng)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(kuò)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(jī)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(jī)操作系統(tǒng)平臺上的卷管理軟件進(jìn)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(jìn)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(jī)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(jī)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(dāng)作磁盤使用，磁盤也可當(dāng)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(dāng)作順序讀寫設(shè)備使用，通過虛擬化技術(shù)，變成可隨機(jī)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(qiáng)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(jī)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(biāo)準(zhǔn)。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)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(jī)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(yīng)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(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。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(jìn)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(jī)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(dāng)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(jìn)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(jī)組成的大型FC結(jié)構(gòu)的SAN中，由干多臺主機(jī)通過多個交換機(jī)端口訪問存儲設(shè)備。會產(chǎn)生嚴(yán)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(jī)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(yīng)用中，數(shù)據(jù)塊虛擬存儲方案以對稱式拓?fù)浣Y(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(jī)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(yīng)用中，崖擬文件系統(tǒng)存儲方案以非對稱式拓?fù)浣Y(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(jī)、存儲設(shè)備和存儲網(wǎng)絡(luò)都有對應(yīng)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(jī)、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(jī)的虛擬存儲

基于主機(jī)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(jī)的存儲管理軟件，在系統(tǒng)和應(yīng)用級上，實現(xiàn)多機(jī)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(fù)制和數(shù)據(jù)遷移、遠(yuǎn)程備份、集群系統(tǒng)、災(zāi)難恢復(fù)等存儲管理任務(wù)。

基于主機(jī)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(yīng)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(jī)的卷管理程序和附加設(shè)備接口，給主機(jī)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(fù)責(zé)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。基于存儲設(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(biāo)準(zhǔn)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(jī)所看到的虛擬邏輯單元，可以當(dāng)作一個標(biāo)準(zhǔn)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(yuǎn)遠(yuǎn)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?fàn)幩斐傻男阅芷款i。當(dāng)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。基于網(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(kuò)展到整個存儲網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)管理Host視圖、共享存儲資源、數(shù)據(jù)復(fù)制、數(shù)據(jù)遷移及遠(yuǎn)程備份等，并對數(shù)據(jù)路徑進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)的交換機(jī)對存儲設(shè)備進(jìn)行訪問。虛擬存儲控制器對所有存儲設(shè)備進(jìn)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(dá)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(dá)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(kuò)展性。非對稱結(jié)構(gòu)性能和可擴(kuò)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(biāo)準(zhǔn)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(fù)載平衡機(jī)制可以減緩瓶頸。在多重設(shè)備管理環(huán)境中，當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)之上，具有基于主機(jī)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(jī)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(jī)的代理軟件或基于主機(jī)的適配器，任何主機(jī)的故障或不適當(dāng)?shù)闹鳈C(jī)配置，都可能導(dǎo)致訪問到未受保護(hù)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(jī)的虛擬化

其虛擬方法是把虛擬功能模塊嵌人交換機(jī)的固件或者放置附屬千交換機(jī)的服務(wù)器上。由于并不要求在每臺主機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)，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(yīng)商通常也提供運行在主機(jī)上的附加軟件來進(jìn)一步增強(qiáng)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(jī)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(jī)到存儲系統(tǒng)的命令。相對于基于主機(jī)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(dāng)連接主機(jī)到存儲網(wǎng)絡(luò)的路由器出現(xiàn)故障時，可能導(dǎo)致主機(jī)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(jī)才受影響，其他主機(jī)仍可通過其他路由器訪問存儲系統(tǒng)。可通過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(yīng)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(yīng)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(hù)，它正在成為存儲領(lǐng)域的核心技術(shù)。

當(dāng)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(yīng)用場合的復(fù)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(fù)制、恢復(fù)、遠(yuǎn)程容災(zāi)、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(biāo)準(zhǔn)化，不同的虛擬產(chǎn)品之間的兼容性還有待進(jìn)一步提高，必須盡快制定業(yè)界公認(rèn)的存儲虛擬化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，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。