文/吳馳 龍濤 于俊清

為了滿足各類信息系統(tǒng)日益增長(zhǎng)的IT資源需求，降低架構(gòu)及管理復(fù)雜度并實(shí)現(xiàn)IT資源的快速交付和彈性分配，基于虛擬化技術(shù)建設(shè)云數(shù)據(jù)中心已成為當(dāng)前高校信息化部門的首選。然而，從大多數(shù)高校數(shù)據(jù)中心的建設(shè)實(shí)踐看，虛擬化技術(shù)在計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)這三大體系上的應(yīng)用程度并不均衡，尤其是存儲(chǔ)虛擬化并未引起足夠的重視，已成為高校數(shù)據(jù)中心建設(shè)的短板。

數(shù)據(jù)中心存儲(chǔ)系統(tǒng)面臨的問(wèn)題

高校應(yīng)用系統(tǒng)類型復(fù)雜，數(shù)量繁多。在建設(shè)和運(yùn)行過(guò)程中，其存儲(chǔ)容量需求往往呈現(xiàn)螺旋上升趨勢(shì)。數(shù)據(jù)中心建設(shè)時(shí)，往往由于對(duì)存儲(chǔ)容量需求無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)估，項(xiàng)目預(yù)算或建設(shè)周期限制等原因，存儲(chǔ)擴(kuò)容成為常態(tài)。在擴(kuò)容過(guò)程中，往往由于技術(shù)發(fā)展，采購(gòu)限制等種種原因，不得不放棄在原有設(shè)備上進(jìn)行擴(kuò)容或采購(gòu)相同設(shè)備的方案，而采購(gòu)新的異構(gòu)存儲(chǔ)設(shè)備。隨著存儲(chǔ)系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，以下問(wèn)題便凸顯出來(lái)：

1.管理復(fù)雜度急劇增加

由于不同廠商的存儲(chǔ)設(shè)備底層架構(gòu)、管理界面和軟件功能都有較大的差別，在異構(gòu)存儲(chǔ)環(huán)境下，配置和管理的復(fù)雜度無(wú)疑會(huì)大大增加。不同設(shè)備間的數(shù)據(jù)復(fù)制、遷移等操作需要較高的成本。

2.存儲(chǔ)資源利用率無(wú)法有效提升

在異構(gòu)存儲(chǔ)環(huán)境下，各存儲(chǔ)設(shè)備往往會(huì)形成容量壁壘，無(wú)法實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的資源調(diào)度，資源利用率無(wú)法有效提高。

3.存儲(chǔ)系統(tǒng)高可用實(shí)現(xiàn)困難

異構(gòu)存儲(chǔ)環(huán)境下，增加設(shè)備、架構(gòu)調(diào)整或者數(shù)據(jù)遷移都往往需要對(duì)存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行離線操作，這樣無(wú)疑會(huì)降低存儲(chǔ)系統(tǒng)的可用性。而實(shí)現(xiàn)高可用的技術(shù)手段，如存儲(chǔ)鏡像等，又會(huì)由于異構(gòu)存儲(chǔ)間的技術(shù)壁壘無(wú)法順利實(shí)現(xiàn)。

存儲(chǔ)虛擬化技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)方式

根據(jù)SNIA（存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)工業(yè)協(xié)會(huì)）的定義，存儲(chǔ)虛擬化是指“通過(guò)將存儲(chǔ)系統(tǒng)/子系統(tǒng)的內(nèi)部功能從應(yīng)用程序、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)資源中進(jìn)行抽象、隱藏或隔離，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立于應(yīng)用程序、網(wǎng)絡(luò)的存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)管理”。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，存儲(chǔ)虛擬化技術(shù)能夠通過(guò)屏蔽具體物理設(shè)備的物理特征，將各類存儲(chǔ)設(shè)備資源進(jìn)行整合，為上層服務(wù)器提供一個(gè)能夠統(tǒng)一配置管理的邏輯存儲(chǔ)資源池，從而有效地解決了異構(gòu)存儲(chǔ)架構(gòu)帶來(lái)的種種問(wèn)題。

存儲(chǔ)虛擬化技術(shù)有多種實(shí)現(xiàn)方式和途徑。一般情況下，根據(jù)虛擬化在I/O路徑中不同的實(shí)現(xiàn)位置，可分為基于主機(jī)的虛擬化、基于存儲(chǔ)設(shè)備的虛擬化和基于存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的虛擬化。

1.基于主機(jī)的虛擬化

基于主機(jī)的虛擬存儲(chǔ)依賴于代理或管理軟件，它們安裝在一個(gè)或多個(gè)主機(jī)上，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)虛擬化的控制和管理。由于控制軟件是運(yùn)行在主機(jī)上，會(huì)占用主機(jī)資源且存在不同操作系統(tǒng)間的兼容性問(wèn)題。因此，這種方法的可擴(kuò)展性較差，實(shí)際運(yùn)行的性能不是很好。

基于主機(jī)的方法也有可能影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，因?yàn)橛锌赡軐?dǎo)致不經(jīng)意間越權(quán)訪問(wèn)到受保護(hù)的數(shù)據(jù)。這種方法要求在主機(jī)上安裝適當(dāng)?shù)目刂栖浖?，因此一個(gè)主機(jī)的故障可能影響整個(gè)SAN系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的完整性。軟件控制的存儲(chǔ)虛擬化還可能由于不同存儲(chǔ)廠商軟硬件的差異而帶來(lái)不必要的互操作性開(kāi)銷，所以這種方法的靈活性也比較差。但是，因?yàn)椴恍枰魏胃郊佑布?，基于主機(jī)的虛擬化方法最容易實(shí)現(xiàn)，其設(shè)備成本也最低。

2.基于存儲(chǔ)設(shè)備的虛擬化

基于存儲(chǔ)設(shè)備的虛擬化依賴于存儲(chǔ)設(shè)備的控制器軟件功能模塊，這種虛擬化技術(shù)往往只能解決同一廠商系列設(shè)備的虛擬化問(wèn)題，無(wú)法支持包含多個(gè)廠商設(shè)備的復(fù)雜存儲(chǔ)系統(tǒng)的虛擬化。依賴于存儲(chǔ)供應(yīng)商的虛擬化功能模塊將會(huì)在系統(tǒng)中排斥簡(jiǎn)單的硬盤組和簡(jiǎn)單存儲(chǔ)設(shè)備的使用，因?yàn)檫@些設(shè)備并沒(méi)有提供存儲(chǔ)虛擬化的功能。采用該存儲(chǔ)虛擬化技術(shù)也會(huì)導(dǎo)致存儲(chǔ)系統(tǒng)在建設(shè)過(guò)程中的品牌唯一問(wèn)題。當(dāng)然，對(duì)于已經(jīng)采用同一廠商不同系列存儲(chǔ)設(shè)備的數(shù)據(jù)中心來(lái)說(shuō)，該方案能夠較容易地實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)資源的虛擬化和統(tǒng)一管理。

3.基于存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的虛擬化

基于存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的虛擬化是指在存儲(chǔ)系統(tǒng)的SAN網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)虛擬化功能。根據(jù)其數(shù)據(jù)路徑和控制路徑的耦合情況，可分為對(duì)稱虛擬化和非對(duì)稱虛擬化兩種。對(duì)稱虛擬化是指數(shù)據(jù)路徑與控制路徑重合，在數(shù)據(jù)讀寫的過(guò)程中，在主機(jī)到存儲(chǔ)設(shè)備的路徑上實(shí)現(xiàn)虛擬存儲(chǔ)。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，實(shí)現(xiàn)虛擬化功能的設(shè)備安裝在主機(jī)和存儲(chǔ)設(shè)備的數(shù)據(jù)通道內(nèi)，所有控制及數(shù)據(jù)訪問(wèn)都必須通過(guò)該設(shè)備。該實(shí)現(xiàn)方式無(wú)需對(duì)現(xiàn)有SAN架構(gòu)進(jìn)行任何更改，也無(wú)需占用任何的主機(jī)資源。

非對(duì)稱虛擬化是指數(shù)據(jù)路徑與控制路徑不重合，在主機(jī)到存儲(chǔ)設(shè)備的路徑外實(shí)現(xiàn)虛擬存儲(chǔ)。非對(duì)稱存儲(chǔ)虛擬化設(shè)備位于主機(jī)和存儲(chǔ)之間的數(shù)據(jù)通道之外，通過(guò)其他的網(wǎng)絡(luò)連接方式與主機(jī)系統(tǒng)通信，因而在主機(jī)中需要安裝專門的客戶端軟件，所面臨的問(wèn)題與基于主機(jī)的存儲(chǔ)虛擬化類似。

存儲(chǔ)虛擬化技術(shù)應(yīng)用實(shí)例分析

華中科技大學(xué)從2012年開(kāi)始啟動(dòng)數(shù)據(jù)中心建設(shè)，根據(jù)需求，采用了分級(jí)建設(shè)的模式，建成了面向?qū)W校人事、學(xué)工、設(shè)備等重要應(yīng)用的核心數(shù)據(jù)中心（如圖1）及滿足學(xué)校各二級(jí)單位網(wǎng)站、信息系統(tǒng)建設(shè)需求的二級(jí)數(shù)據(jù)中心（如圖2）。

圖1 核心數(shù)據(jù)中心架構(gòu)

圖2 二級(jí)數(shù)據(jù)中心架構(gòu)

可以看出，在兩級(jí)數(shù)據(jù)中心的架構(gòu)中，均采用了接入SAN網(wǎng)絡(luò)的存儲(chǔ)虛擬化控制器設(shè)備實(shí)現(xiàn)了基于存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的對(duì)稱存儲(chǔ)虛擬化。在這種架構(gòu)下，虛擬化控制器將異構(gòu)的存儲(chǔ)設(shè)備虛擬化為一個(gè)統(tǒng)一的存儲(chǔ)資源池，服務(wù)器不再直接訪問(wèn)任何的存儲(chǔ)設(shè)備，而是通過(guò)存儲(chǔ)虛擬化控制器構(gòu)造的存儲(chǔ)虛擬化層進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫。

從應(yīng)用實(shí)踐看，存儲(chǔ)虛擬化的實(shí)施為數(shù)據(jù)中心的建設(shè)和運(yùn)維帶來(lái)了以下幾點(diǎn)好處。

1.降低了存儲(chǔ)系統(tǒng)建設(shè)和管理的復(fù)雜度

由于采用了存儲(chǔ)虛擬化技術(shù)，數(shù)據(jù)中心的運(yùn)維人員在日常管理與維護(hù)中通常無(wú)需對(duì)單一存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行操作，而是通過(guò)存儲(chǔ)虛擬化控制器提供的統(tǒng)一界面，對(duì)存儲(chǔ)資源進(jìn)行管理。對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)擴(kuò)容時(shí)，可以靈活地根據(jù)需求、成本、項(xiàng)目預(yù)算等因素考慮采用利舊，對(duì)原有設(shè)備擴(kuò)容及采購(gòu)異構(gòu)存儲(chǔ)等多種方案。學(xué)校兩級(jí)數(shù)據(jù)中心自2012年起的多次擴(kuò)容中，先后采購(gòu)了三個(gè)廠商的多臺(tái)存儲(chǔ)設(shè)備并利舊使用一臺(tái)存儲(chǔ)設(shè)備。由于采用了存儲(chǔ)虛擬化技術(shù)，所有擴(kuò)容實(shí)施均實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)的不中斷操作。

2.實(shí)現(xiàn)了存儲(chǔ)資源的有效利用

與傳統(tǒng)存儲(chǔ)配置方式相比，基于虛擬存儲(chǔ)的自動(dòng)精簡(jiǎn)配置技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)資源的有效利用，能夠有效地避免物理存儲(chǔ)空間因超量分配導(dǎo)致的閑置。同時(shí)，存儲(chǔ)虛擬化技術(shù)通過(guò)構(gòu)造存儲(chǔ)資源池，突破了單一設(shè)備的容量壁壘，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的容量整合。

3.存儲(chǔ)系統(tǒng)的高可用易于實(shí)現(xiàn)

通過(guò)存儲(chǔ)虛擬化控制器能夠非常容易在不同存儲(chǔ)設(shè)備上定義和實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)同步鏡像及雙活且對(duì)主機(jī)透明，當(dāng)單一存儲(chǔ)設(shè)備因故障、檢修等原因需要停機(jī)時(shí)，不會(huì)影響相關(guān)業(yè)務(wù)的運(yùn)行。2015年，學(xué)校核心數(shù)據(jù)中心中一臺(tái)主存儲(chǔ)由于電源發(fā)生故障須停機(jī)維修，因?yàn)椴捎昧舜鎯?chǔ)虛擬化技術(shù)，所以維修過(guò)程中也實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)的不中斷運(yùn)行。

4.可實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)資源的服務(wù)質(zhì)量管理

通過(guò)存儲(chǔ)虛擬化技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)系統(tǒng)中異構(gòu)存儲(chǔ)的差異化管理。通過(guò)配置不同服務(wù)級(jí)別的存儲(chǔ)資源池，可以將不同性能的存儲(chǔ)設(shè)備分類管理并分配給對(duì)應(yīng)需求的應(yīng)用系統(tǒng)。例如，可以把高端的存儲(chǔ)資源集中分配給關(guān)鍵應(yīng)用，而把較低端的存儲(chǔ)資源分配給非關(guān)鍵應(yīng)用。

和所有技術(shù)相同，存儲(chǔ)虛擬化技術(shù)在帶來(lái)以上便捷性的同時(shí)，也存在著一些弊端和問(wèn)題。主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

1.性能瓶頸及單點(diǎn)故障風(fēng)險(xiǎn)

在某些存儲(chǔ)虛擬化實(shí)現(xiàn)方式下，例如對(duì)稱存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)虛擬化時(shí)，由于所有主機(jī)對(duì)存儲(chǔ)設(shè)備的訪問(wèn)均通過(guò)存儲(chǔ)虛擬化設(shè)備，其設(shè)備性能就成為了整個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能瓶頸，并帶來(lái)了單點(diǎn)故障風(fēng)險(xiǎn)。雖然存儲(chǔ)虛擬化設(shè)備廠商均采用了大容量Cache等技術(shù)應(yīng)對(duì)性能瓶頸，但對(duì)于一些高性能存儲(chǔ)設(shè)備而言，采用對(duì)稱存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)虛擬化設(shè)備時(shí)，仍無(wú)疑會(huì)出現(xiàn)“小馬拉大車”的情況。對(duì)于單點(diǎn)故障風(fēng)險(xiǎn)，存儲(chǔ)虛擬化設(shè)備廠商在設(shè)計(jì)中也進(jìn)行了充分考慮，采用了物理冗余等一系列措施進(jìn)行保障。

2.廠商綁定風(fēng)險(xiǎn)

雖然存儲(chǔ)虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了異構(gòu)存儲(chǔ)的統(tǒng)一管理，但就存儲(chǔ)虛擬化設(shè)備而言，仍只能進(jìn)行單一選擇。這就意味著，一旦選擇了某個(gè)廠商的存儲(chǔ)虛擬化設(shè)備，在擴(kuò)容中，則必須選擇該設(shè)備所兼容的存儲(chǔ)設(shè)備。所以在存儲(chǔ)虛擬化設(shè)備選擇前，須充分了解該設(shè)備的兼容性列表。

所以，存儲(chǔ)虛擬化技術(shù)能夠方便地實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)設(shè)備的統(tǒng)一管理及存儲(chǔ)資源的整合，有效地提高存儲(chǔ)系統(tǒng)資源利用率、可用性及可擴(kuò)展性，并大大降低管理復(fù)雜度和成本。

高校在數(shù)據(jù)中心規(guī)劃和建設(shè)過(guò)程中應(yīng)當(dāng)充分重視和研究存儲(chǔ)虛擬化技術(shù)，根據(jù)自身需求和特點(diǎn)靈活使用，以提升數(shù)據(jù)中心存儲(chǔ)服務(wù)的質(zhì)量。