引言
近年來IT技術快速發展，虛擬化技術日趨成熟，由于虛擬化能大幅降低數據中心的總體成本、簡化服務器的管理、實現服務器的快速部署和提高數據中心的可靠性，越來越多的組織開始部署虛擬化平臺杠。數據中心的虛擬化主要包括服務器和存儲的虛擬化，目前服務器的虛擬化得到了廣泛應用，但存儲設備虛擬化因產品價格昂貴且缺少標準化，不同廠家的存儲設備無法在一個虛擬化平臺下進行整合，所以存儲設備虛擬化的進展十分緩慢。虛擬化使服務器硬件資源的利用率從不足20%提升到60%以上，服務器對存儲設備的讀寫速率、整體性能和可靠性等要求也更高。服務器虛擬化帶來的最具增值性的功能，如在備用物理主機上快速重新啟動出現故障的虛擬機、負載均衡或無中斷地跨物理主機遷移虛擬機等，都必須得到存儲系統的支持才能實現。為了滿足這些服務器虛擬化后對存儲設備新的需求，存儲設備同樣需要進行針對性的調整。
服務器虛擬化對存儲性能、可靠性、連接方式等提出諸多新要求，但是多數組織仍然采用向物理服務器提供存儲的方式來建設、管理虛擬服務器的存儲系統，這使得虛擬機的許多重要優點、功能無法得到充分應用。因此，虛擬化需要針對虛擬基礎設施而設計的存儲設備，存儲設備的選擇在整個虛擬機環境建設、運行和管理過程中有著舉足輕重的作用。要使部署虛擬化技術的利益最大化，必須對服務器、存儲設備甚至網絡基礎設施采用全盤考慮的部署方式。沒有存儲設備及網絡的支持，就不可能利用虛擬環境的最具增值性的功能，也不可能在不犧牲性能的情況下提高虛擬化整合比例。
目前對存儲平臺虛擬化的研究較多，但對如何滿足服務器虛擬化對存儲方式的選擇及優化的研究還遠遠不夠，對各種類型的存儲如DAS,NAS,SAN和iSCSI在虛擬化環境中的應用特點研究也不夠充分。本文在對各類存儲在虛擬化環境中應用特點研究的基礎上，探討了如何為虛擬化平臺選擇及優化存儲系統。
1 影響虛擬機存儲方式選擇的因素
在選擇虛擬化平臺的存儲方式時，認真評估虛擬化平臺下存儲系統的應用環境、需求，以及虛擬化和存儲行業的發展趨勢是極其重要的。伴隨著對存儲系統高性能的需求，對存儲系統管理的簡便性和數據共享J勝等需求也在不斷增加，存儲系統的選擇應該平衡各方面的需求，并且考慮所部署技術的復雜性和成熟度。在選擇虛擬化平臺的存儲方式時，除了對存儲設備的常規性能要求以外，還應重點考慮I/0性能、可管理性、兼容性、可擴展性和可靠性等方面的因素。
1.1 I/O性能影響
服務器虛擬化會將多臺服務器連接到有限的1臺或幾臺存儲設備上，這樣做的好處顯而易見，但這卻會造成存儲資源I/O性能瓶頸問題。在傳統技術上，I/ 0存儲系統就一直是計算機系統中的制約因素，降低了計算機系統甚至是整個IT系統的整體性能，尤其在虛擬化環境下這種矛盾變得更為突出:隨著虛擬機和硬件服務器整合比的提高，如果用戶缺少對存儲系統I/0的規劃，將虛擬機任意放在主機上而不去考慮其磁盤的I/ 0使用情況，帶來的結果是物理資源的激烈競爭，很快就會遇到I/O資源瓶頸問題。因此建立高效的存儲系統是提高整個虛擬機系統處理能力的關鍵因素之一，在規劃虛擬機的存儲設施時應重點考慮存儲設施的I/ O性能，而不僅僅是存儲系統容量的大小。
1.2可管理性
隨著虛擬機數量的不斷增加，通過傳統的方式來管理存儲設備變得越來越困難，‘這對虛擬機存儲的可管理性提出了更高的要求。虛擬化存儲設備在管理上首先要求的就是數據的集中存儲，分散的數據不利于對存儲的使用和管理，在存儲空間的分配、存儲資源的劃分、數據的備份等方面都會帶來麻煩。虛擬機的可擴展性和分配是非常快捷和高效的，用戶可以在非常短的時間內完成部署虛擬化主機系統，但如果后端存儲系統系統沒有良好的支撐能力，虛擬機就無法完成正常部署。隨著虛擬機數量的增多，基于單個操作系統的數據備份和維護將變得非常繁瑣，但如果存儲系統支持，就可以通過執行脫離虛擬機的備份，甚至使用基于存儲的快照和克隆功能來快速備份虛擬機的管理功能，這將極大地提高對虛擬機的管理效率。因此虛擬化環境中存儲系統需要具備高效的可管理性和簡單、快速的部署能力。
1.3兼容性
虛擬化平臺可以使用諸如DAS,NAS,SAN和iSCSI等各種物理存儲設備上的存儲空間，但這些存儲方式與虛擬化的兼容程度差異較大。服務器虛擬化技術的應用必然伴隨著虛擬機的遷移，這種遷移必須得到存儲系統的支持才能實現，例如:實時虛擬機遷移、原始設備映射、虛擬機集群、高可用性和分布式資源調度等虛擬化平臺下的重要應用，不同的存儲方式對其的支持情況就完全不同，各類存儲方式對虛擬化平臺的支持情況，將在3. 1中詳細表述。虛擬化環境下的存儲系統應該與虛擬機具備良好的兼容性，為虛擬化平臺提供全面的支撐平臺。
1.4可擴展性
在虛擬化環境下，存儲需要承載的數據驟增，變化范圍很大，在容量增長的同時，性能也要同步提升。虛擬機系統的存儲系統應該是能夠支撐更多虛擬系統的存儲設備，應該具備一定的性能彈性，能滿足計劃內和計劃外的工作負載，當虛擬機的數量增加導致對存儲的需求加大時，存儲系統應該有能力完成性能的提升。存儲體系結構必須提供靈活性和彈性，在不降低虛擬機性能需求的前提下進行性能和容量的擴展。
1.5可靠性
在虛擬化環境下，存儲的可靠性和可用性變得尤其重要。一臺物理服務器故障，受影響的只是這臺服務器上運行的虛擬機和服務，通過虛擬機的飄移技術，可以迅速恢復故障服務器上的服務。虛擬化使得服務器的數量減少，服務器的利用率提高，但服務的風險也高度集中，如果存儲設備停機，有可能導致多臺物理服務器及這些服務器上的服務停止，而且存儲上的故障排除要比服務器上復雜、耗時。因此，單臺存儲設備的可靠性、存儲系統整體的可用性在虛擬化平臺下都變得更為重要。
2 各類存儲在虛擬化環境下的應用特點
2. 1直連存儲
直連存儲(Direct Attached Storage,DAS)是一種存儲器直接連接到服務器的存儲設備。主機內部的磁盤、閃存和直接連接的外部磁盤組都屬于DAS的實例。盡管存儲網絡技術的使用越來越普遍，但DAS仍然是訪問和共享本地數據的理想方案，尤其是在服務器數量較少的環境里或一些不需要跨越整個組織來共享信息的應用環境。DAS配置簡單，并且部署容易和快速，可以通過基于主機上的工具來進行安裝管理。當服務器的數據存儲往往依賴于操作系統，同時服務器的處理及吞吐能力也有限，對數據存儲的需求也不是十分巨大的情況下，DAS是1種理想的解決方案。
DAS的缺點也非常明顯。1個存儲設備只有有限的端口，這限制了主機能直接連接的存儲設備的數量，有限的DAS帶寬也限制了其可用的I/0能力，無法優化資源使用，因為它共享前端端口的能力有限，未被使用的資源不能方便地重新分配，結果導致形成過載和欠載的孤立存儲池。虛擬化帶來的最具增值性的功能如在備用物理主機上快速重新啟動出現故障的虛擬機、負載均衡或無中斷地跨物理主機遷移虛擬機等必須得到存儲系統的支持才能實現，而這些能力DAS都不具備。
2. 2存儲區域網
存儲區域網絡(Storage Area Network , SAN)是1個高速的，專用的服務器網絡和共享存儲設備。一般情況下SAN通過光纖通道(Fiber Chanel, FC)網絡連接，將分散的存儲組成1個單一的存儲池，如圖1所示。DAS是1種孤立的存儲環境，主機擁有存儲設備，但這些孤立存儲設備上的信息很難管理和共享，為了將這些分散的數據組織起來，SAN應運而生。SAN實現了數據的集中和整合，提供了高效的管理機制和數據保護能力，更有利于組織管理。SAN減少了總的運營開銷和失效時問，并且使應用的部署更加快捷。相對于DAS而言，SAN的穩定性、可用性和冗余性都得到了大幅提高，而且對VMware的虛擬化平臺ESX各項功能支持也更全面，使虛擬化的優勢可以得到更充分的利用。最新的8 GFC提供了1600 M B/s的吞吐率，而目前應用的SCSI最高可用吞吐率也只有320MB/s。因此SAN的性能和數據傳輸速度也比DAS高。
圖1 SAN與DAS存儲方式比較
在虛擬機存儲應用領域，SAN因為穩定性高、性能強，主要用來存儲虛擬機平臺上的操作系統和各種對存儲性能要求高的重要數據。通過SAN可以為某個虛擬機而不是某臺固定的服務器分配存儲空間，這些存儲空間可以在不同的服務器之間動態地遷移工作負荷。SAN是可以讓多臺物理服務器共享的存儲，更便于虛擬機的遷移和保護。選擇存儲方式時，如果性能具有最高的優先級，那么使用SAN是最好的方案，但SAN部署及維護成本非常高，不適合在服務器數量較少或對存儲設備性能、可靠性要求不高應用環境部署。
2. 3網絡連接存儲
網絡連接存儲(Network Attached Storage , NAS)是1種連接到局域網的基于IP的文件共享設備，VAS設備一般情況下是1個專用的、高性能的、高速的、單純用途的文件服務和存儲系統。NAS提供服務器整合的優勢，它通過文件級的數據訪問和共享，提供存儲的整合。NAS是1個優越的存儲方案，使得客戶可以快速和直接共享文件，而且只需要很小的存儲管理開銷。
從架構而言，NAS是對存儲、管理和提供文件的方式進行優化。管理文件通常比管理邏輯單元號( Logical Unit Number, LUN)更為簡單。所以根據定義來看，NAS是1種比SAN更加簡單的網絡存儲。NAS相比SAN可以提供一些更高級的功能，因為存儲陣列擁有對文件系統的控制權。在NAS陣列中，諸如快照和克隆這樣的技術可以得到更為全面的支持。NAS所使用的網絡文件系統(Network File System , NFS)是1種跨平臺協議，使得備份、復制或其它任務對虛擬機的訪問變得簡單。
在虛擬化平臺中，NAS性能、穩定性以及和虛擬化平臺的兼容性比SAN稍差，但NAS目前已經能夠廣泛地支持VMware的各種基礎于虛擬平臺的擴展功能，目前僅不能支持存儲實時遷移和虛擬機集群功能。NAS在支持虛擬機應用功能上和SAN的差距越來越小。此外，VMware環境中可以存在NAS和SAN棍合的網絡存儲方案，用戶可以根據應用系統的特點靈活選用，尤其是在基礎架構中已經存在某種網絡存儲方式時，這更加是1個合理的選擇方案。
2. 4互聯網小型計算機系統接口
互聯網小型計算機系統接口(Internet SmallComputer System Interface , ISCSI)是一種基于IP的協議，它通過IP來建立和管理存儲設備、主機和橋接設備之間的連接，ISCSI使用SCSI通過基于IP的網絡來進行塊級別的數據傳輸，包括以太網網絡和互聯網，ISCSI屬于IPSAN的1種。傳統的SAN環境中，數據是以塊I/ 0的形式在光纖通道上進行傳輸的，而NAS環境中數據以文件I/ 0的形式在IP網絡上傳輸。用戶不僅需要SAN的高性能和可擴展性，也希望融合NAS解決方案的高易用性和更低的總成本。支持在IP網絡之上的塊I/ O操作的IP技術正是定位于客戶的這種需求之上。
目前，由于成本相對較低且易于實現，ISCSI已經廣泛應用于服務器和存儲設備之間的連接，特別是在原來沒有部署SAN的環境中。具有低廉、開放、大容量、傳輸速度高、安全等諸多優點，非常適合在網絡上存儲和傳輸大量數據的應用環境。
在虛擬化平臺中ISCSI比SAN減少了配置、維護、管理的復雜度。企業現有的網絡管理人員就可以完成日常的管理與維護工作。因為ISCSI是基于IP網絡的存儲系統，所以數據遷移和遠程鏡像非常容易，只要網絡帶寬支持，基本沒有距離限制，更好地支持異地容災。與現有網絡基礎結構融合，支持跨平臺數據共享，這些特點正是虛擬化平臺所需要的。
3 存儲系統的選擇
在進行存儲方式選擇時，首先要明確在部署的虛擬化平臺中存儲的哪些功能是必須的，部署這些存儲的虛擬化平臺將在服務器虛擬化方面將深人到什么程度，然后，列出虛擬化平臺對存儲系統的需求、目標和優先級，在I/ 0性能、可管理性、兼容性、可擴展性和可靠性等因數之間找到1個平衡點。在存儲方式的選擇時應從存儲系統的功能、整體系統及I/ O性能等方面進行重點考慮。
3. 1根據存儲系統的功能選擇
用戶在選擇虛擬存儲方案時應首先考慮所選擇的存儲方案是否支持用戶生產環境中所需要的虛擬化功能，即根據存儲方式對虛擬化平臺功能支持的能力進行選擇，表1比較了不同存儲方式對VMware的ESX虛擬平臺各種重要功能的支持情況。
表1不同存儲方式對ESX虛擬平臺支特比較
不同的存儲方式都有各自的優點，例如在虛擬化平臺中，即使在已經部署了SAN和NAS存儲網絡的環境中，DAS仍是不可或缺的1種存儲方式，它可以做為SAN和NAS的輔助存儲，盡管支持將虛擬機的操作系統安裝在網絡存儲設備上，通過boot-from-san的方式來啟動硬件服務器，但虛擬軟件提供商還是建議將虛擬機操作系統安裝在DAS中。在解決虛擬機系統無法啟動的故障時，系統存儲在DAS里遠比解決1個boot-from-san的問題要簡單的多。
因此用戶需要根據虛擬化平臺中存儲數據的特點，及各類存儲方式的特點進行存儲方式的選擇。SAN對虛擬化平臺的支撐能力最強，在優先考慮可靠性、適應性和災難恢復速度等因素時應該使用SAN ,但SAN部署成本、管理成本高，所以并不是在所有的虛擬化平臺下都適合選用SAN的存儲方式。存儲虛擬化平臺操作系統ESX可以選擇存儲在DAS上;ESX平臺下的操作系統和一些對性能要求特別高的數據可以選擇存儲SAN上;對存儲空間大小及部署靈活性要求高的數據可以存儲在ISCSI上。
3. 2根據存儲系統的整體性能選擇
在虛擬化環境中，管理員通常只關注 CPU和內存的限制，存儲性能往往是容易被忽略的一個問題。不同類型的存儲提供的性能差異巨大，8 GB光纖通道的SAN和1 GB的ISCSI接口的NAS相比，性能上的差距相當明顯，但是常規的應用，ISCSI和NAS的性能水平是可以接受的，尤其是在虛擬化平臺部署的初期。除了存儲協議上有所不同，硬盤轉速和接口也會有不同，比如轉速為10 000 r/min和15 000 r/min，接口也有SAS,SATA和固態硬盤的不同。正是因為有如此多的存儲種類供選擇，用戶才可以更好的選擇適合自己虛擬化平臺的存儲設備。將性能較差的虛擬機配備相對性能較差的存儲層級，相對核心的虛擬機則配備性能較強的存儲層級。用戶同樣可以選擇自動存儲層級系統比如像EMC公司的FAST技術，這種技術可以根據主機的實際需求來自動遷移數據并將它們放置在合適的存儲設備上。表2比較了虛擬化環境下各種存儲方式的性能及應用環境。
表2存儲方式的性能與應用環境比較
根據性能上需求的不同，用戶可以選擇將存儲設備分成多個層級，不同需求的虛擬機使用不同的存儲層級。一個普遍的做法是在存儲上創建不同的分區用作不同的用途，比如操作系統、Windows的頁面文件、應用和數據。較快的存儲層級可以被用作數據相對較高的I/ 0請求，剩下較慢的存儲層級可以用于其他。
3. 3根據存儲系統的I/ O性能選擇
物理存儲環境的許多部署存儲的方法也適用于虛擬存儲環境，在配置虛擬平臺的存儲架構時，應以實現環境所需要的I/ O性能來配置存儲資源并調整其規模，然后再針對存儲容量進行配置和調整。如果1臺物理主機上有太多高I/0的虛擬機，可能會對這臺主機上的存儲控制器造成很大的壓力，當太多的高I/0的虛擬機同時訪問1個存儲系統或者LUN，也會造成性能上的瓶頸。
建立統一的網絡存儲平臺具有顯著的優勢，可以提高利用率并簡化管理，但也可能導致爭用。包括提高存儲資源利用率和簡化管理，但是有時工作負載過高會影響性能。可以對虛擬磁盤使用VMware的虛擬機文件系統(Virtual Machine File System , VMFS)卷，只是應考慮將高I/ 0負載的虛擬磁盤放在專用VMFS卷或原設備映射(Raw Device Mapping, RDM)上，以減少爭用的發生。將多個工作負載整合到1組具有共享存儲池的ESX服務器上時，不要超出該存儲資源的總體吞吐容量。
在進行虛擬化平臺下的存儲類型選擇時，應匯集環境中所有應用程序的I/ 0需求，并根據需要調整其規模，在計算I/ 0大小時，應該使用測量的工作負載匯總值，而不能使用估算值來確定要使用什么協議、冗余保護和陣列功能。存儲系統的I/ O能力和其性能基本成正比，因此在判斷1種存儲方式的I/ 0能力時，可以參考表2中的參數。
4 結語
在虛擬化平臺中，各種存儲方式本身并無優劣之分，關鍵看應用環境對存儲設備的需求是什么，各種存儲方式在虛擬化平臺下都有適用的場景。良好的虛擬化服務器環境需要服務器、存儲和網絡協同工作才能實現，雖然服務器、存儲和網絡變得越來越專業，但是為了建立平衡的虛擬服務器存儲策略，應從服務器、存儲和網絡3個角度分別進行評估，同時還應充分考慮其他兩種設備的需求，才能使虛擬服務器的存儲計劃高效地滿足對IT設施增長、成本控制和性能等方面的需求。
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本文標題：虛擬化平臺下數據存儲方式的選擇與優化探討
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