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三、虚拟存储的实现方式

　　随着越来越多的厂商都在发展各自的技术，虚拟存储技术已经融合到存储系统结构的各个环节中。从系统的观点看，有三种主要的虚拟存储实现方式：基于服务器的虚拟存储、基于存储设备的虚拟存储以及基于存储网络的虚拟存储。如图1所示。

　　下面对这三种虚拟存储的实现方式分别进行介绍。

　　1、基于服务器的虚拟存储

　　基于服务器的虚拟存储是通过将虚拟化层放在服务器上实现的。这种实现方式不需要额外的特殊硬件，虚拟化层以软件模块的形式嵌入到服务器的操作系统中，将虚拟层作为扩展驱动模块，为连接服务器的各种存储设备提供必须的控制功能。

　　这种方法有其自身不可避免的缺点：首先，兼容性不好，由于虚拟化层驻留在服务器上，因而软件模块就必须能嵌入到各种类型的操作系统中，增加了软件实现的难度。因此，这种方法往往适合配置在系统采用同一个厂商的服务器，甚至是一个同构的存储环境中。这显然增加了用户的设备依赖性和局限性；其次，需要采用集中管理策略，这种虚拟化的技术实际上是在一个分布式的环境中实现的，当任何一个服务器对数据进行恶意或非法的操作时，就可能会影响到所有连接到存储设备的数据的完整性和一致性，因此需要适当的集中管理策略； 最后，这种实现方法从客观上造成了主机的负载和复杂度的增加。

　　但是，因为不需要任何附加硬件，基于服务器的虚拟实现方式最容易实现，其成本最低。目前已经有成熟的这类软件产品。这些软件可以提供便于使用的图形界面，方便地用于存储的管理和虚拟，在主机和小型存储系统中有着良好的负载平衡机制。从这个意义上看，基于服务器的存储虚拟是一种性价比不错的方式。

　　2、基于存储设备的虚拟存储

　　基于存储设备的虚拟存储是将虚拟化层放在存储设备的适配器、控制器等上来实现的。这种实现方式从理论上说性能是最优的，它能够充分考虑存储设备的物理特性，并且将服务器从虚拟存储的实现工作中解放出来，直接在存储设备上实现，方法简单，也为用户和系统管理员提供了最大的方便性。但是，基于存储设备的虚拟存储对存储容量的扩展有很大限制，同时，对于包含多家厂商存储设备的存储系统来说，这种方法的运行效果并不是很好。

　　最典型的虚拟存储璞甘谴排陶罅校≧AID）。RAID的虚拟化是由RAID控制器实现的，它将多个物理磁盘按不同的分块级别组织在一起，通过CPU及阵列管理固件来控制及管理硬盘，解释用户的I/O指令，并将它们发给物理磁盘执行，从而屏蔽了具体的物理磁盘，为用户提供了一个统一的具有容错能力的逻辑虚拟磁盘，这样用户对RAID的存储操作就像对普通磁盘一样。

3、基于网络的虚拟存储

　　从技术上讲，在网络端实施虚拟存储的结构形式有以下两种：对称式与非对称式，下面就对这两种结构形式分别加以介绍：

（1）对称式虚拟存储

　　从图2可以看出，对称式虚拟存储就是指进行虚拟存储管理和控制的高速存储控制设备（High Speed Traffic Directors，缩写为HSTD）置于网络系统的传输通道上。HSTD与存储池子系统（Storage Pool）集成在一起，组成存储区域网络应用系统（SAN Appliance）。

　　在该虚拟存储形式中HSTD在服务器与存储池数据交换的过程中起到了核心作用。其虚拟存储过程可以这样描述：由HSTD内嵌的存储管理系统将存储池中的物理硬盘虚拟为逻辑存储单元（LUN），并进行端口映射（就是指定某一个LUN能被哪些端口所见），在服务器端，将各个可见的逻辑存储单元映射为操作系统可以识别的盘符。当服务器向存储网络系统中写入数据时，用户只需要将数据写入到指定为自己所用的映射的盘符（LUN），数据经过HSTD的高速并行端口，先写入高速缓存，HSTD中的存储管理系统自动完成目标位置由LUN到物理磁盘的转换，在此过程中用户见到的只是虚拟逻辑单元，而不必关心每个LUN的具体物理组织结构。该存储形式具有以下主要优点：

　　·采用大容量高速缓存，显著提高数据传输速度。缓存是存储系统中广泛采用的位于主机与存储设备之间的I/O路径上的中间介质。当服务器从存储设备中读取数据时，会把与当前数据存储位置相连的数据读到缓存中，并把频繁调用的数据保留在缓存中；当服务器读数据时，在很大几率上能够从缓存中找到所需要的数据。这样就可以直接从缓存上读出，我们知道从缓存上读取数据的速度要远大于从硬盘中读取数据的速度；当服务器向存储设备写入数据时，先把数据写入到缓存中，待服务器端写入动作停止，再从缓存中将数据写入硬盘，这种写入方式同样高于直接写入硬盘的速度；

　　·采用多端口通道并行技术，增加数据带宽。我们知道在传统的FC存储设备中，控制端口与硬盘之间的关系是固定的，访问一块硬盘只能通过控制它的控制器端口进行。在对称式虚拟存储设备中，SAN Appliance的存储端口与LUN的关系是虚拟的，也就是说多台服务器可以通过多个存储端口（最多8个）并发访问同一个LUN。在光纤通道100MBps带宽的大前提下，并行工作的端口数量越多，数据带宽就越高；

　　· 逻辑存储单元提供了高速的磁盘访问速度。在视频网络中，应用程序读写数据时以固定大小的数据块为单位（从512byte到1MB之间）。而存储系统为了保证应用程序的带宽需求，往往设计为传输512byte以上的数据块时才能达到其非常好的I/O性能。在传统SAN结构中，当容量需求增大时，唯一的解决办法是多块磁盘（物理或逻辑的）绑定为带区集，实现大容量LUN。在对称式虚拟存储系统中，为服务器提供真正的超大容量、高性能LUN，而不是用带区集方式实现的性能较差的逻辑卷。与带区集相比，Power LUN具有很多优势，如更大的数据块会真正被存储系统所接受，有效地提高了数据的传输速度，同时，也减少了由于带区集而带来的不稳定因素。

　　但是对称虚拟存储也存在一些不足：

　　·由于虚拟存储的控制交换设备直接存在于服务器和存储设备之间，所有服务器对存储设备的访问都要经过它的通道与管理。为了使控制交换设备不成为整个系统的带宽瓶颈，该设备就需要有很大容量的缓存(Cache)来用于进行数据交换，所以通常这种控制交换设备都比较昂贵；

　　·同样由于虚拟存储的控制交换设备直接存在于服务器和存储设备之间，因此该设备的安全性对于整个系统就是至关重要的， 一旦它出现故障，所有数据通道将被阻塞，造成网络系统数据传输崩溃。

　　（2）非对称式虚拟存储

　　非对称式虚拟存储结构如图3所示。

　　从图3可以看出，非对称式虚拟存储就是在服务器和存储设备之间正常的数据访问传输通道之外，通过配置一个虚拟存储管理器来实现存储器池的虚拟化处理。

　　虚拟存储管理器通过其FC端口连接到存储网络中，并提供一个中央管理点，对整个存储网络进行集中管理，同时，它还对磁盘阵列进行虚拟化操作，将各阵列中的LUN虚拟为逻辑带区集（Strip），并指定每台服务器对每一个Strip的访问权限（可写、可读、禁止访问等）。服务器在访问Strip时，首先通过控制路径，向虚拟存储管理器的代理发出访问Strip的请求，代理根据其请求的合法性，为服务器建立访问Strip的数据通道，进行规定的读或写操作。非对称虚拟存储与对称式虚拟存储相比较有如下优点：

　　·虚拟存储控制器只是进行对所有存储设备的软件配置和将这些配置与管理信息传送给各服务器的工作，因而其无需大量的和高价性的硬件部件，其价格就相对较低。

　　·将不同物理硬盘阵列中的容量进行逻辑组合，实现虚拟的带区集，将多个阵列控制器端口绑定，在一定程度上提高了系统的可用带宽；

　　·虚拟存储控制器不在实际的数据通道上，它的硬件性能不会成为系统带宽的瓶颈，同时，即使它出现故障，也不会引起网络系统的数据通道阻塞，提高了系统的安全性。

　　但是非对称虚拟存储也存在一些不足：

　　·非对称虚拟存储的安全性相对较差。它在本质上还是带区集--磁盘阵列结构，一旦带区集中的某个磁盘阵列控制器损坏，或者这个阵列到交换机路径上的铜缆、GBIC损坏，都会导致一个虚拟的LUN离线，而带区集本身是没有容错能力的，一个LUN的损坏就意味着整个Strip里面数据的丢失；

　　·由于非对称虚拟存储的带宽提高是通过阵列端口绑定来实现的，而普通光纤通道阵列控制器的有效带宽仅在40MB/s左右，因此要达到几百兆的带宽就意味着要调用十几台阵列，这样就会占用几十个交换机端口，在只有一两台交换机的中小型网络中，这是不可实现的。