淺析企業私有云中的存儲架構

張海勇 倪錦萍 戴雙玲 趙森林 范慶強

[摘 要] 云計算是一種通過網絡以服務的方式提供動態可伸縮的虛擬化的資源的計算模式。根據自身需要，企業可建立私有云平臺，將共享的軟硬件資源和信息按需求提供給需要的用戶，提高資源利用率來實現更高的效率。作為云計算的重要部分之一，后端的存儲系統架構也需要突破傳統存儲技術的壁壘和思維限制，和云計算表現形式一樣，具備靈活性、可擴展、有彈性等特點，為云計算提供強大可靠的支撐。

[關鍵詞] 云計算； 私有云；存儲架構

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2014 . 04. 027

[中圖分類號] F272.7 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2014）04- 0052- 03

1 云計算

1.1 云計算

云計算（Cloud Computing）是分布式計算（Distributed Computing）、并行計算（Parallel Computing）、效用計算（Utility Computing）、網絡存儲（Network Storage Technologies）、虛擬化（Virtualization）、負載均衡（Load Balance）等傳統計算機和網絡技術發展融合的產物。

云計算是繼20世紀80年代大型計算機系統中客戶端-服務器連接模式大轉變之后的又一次重大的技術革命。用戶不再需要了解和知道“云”中基礎設施的細節，不必具有相應的專業知識，也無需直接進行控制。云計算描述了一種基于互聯網的新的IT服務增加、使用和交付模式，通常涉及到通過互聯網提供動態化的、易擴展，而且經常是虛擬化的資源。在云計算模式下，用戶通常可以通過瀏覽器或其他Web服務來訪問或獲得自己所需要的信息、資源。

1.2 云計算的類型

云計算按照部署方式通常分為公有云、私有云和混合云。

公有云（Public Clouds）通常指第三方提供商為用戶提供的能夠使用的云，公有云一般可通過 Internet 使用，可能是免費或成本低廉的。用戶通過互聯網訪問服務，但并不擁有云計算資源。公有云作為一個支撐平臺，還能夠整合上游的服務（如增值業務、廣告）提供者和下游最終用戶，打造新的價值鏈和生態系統。

私有云（Private Clouds）是為一個組織單獨使用而構建的，因而提供對數據、安全性和服務質量的最有效控制。該組織擁有基礎設施，并可以控制在此基礎設施上部署應用程序的方式。私有云可部署在企業數據中心的防火墻內，也可以將它們部署在一個安全的主機托管場所。

私有云的部署比較適合于有眾多分支機構的大型企業或政府部門。隨著這些大型企業數據中心的集中化，私有云將會成為他們部署IT系統的主流模式。相比公有云，私有云有如下優勢：

（1）能對數據、安全性提供有效控制；

（2）提供更高的服務質量；

（3）充分利用現有硬件資源和軟件資源；

（4）不影響現有IT管理的流程。

2 私有云中的存儲架構需求

為了適應云計算的海量用戶數、擴展靈活、資源池化等特點，建設企業私有云的時候，后臺的存儲系統架構也必須具備如下技術特征：

（1）采用彈性可伸縮的擴展技術，滿足PB級海量存儲需求；

（2）采用虛擬化技術，將后端存儲資源“虛擬化”；

（3）具備多用戶安全共享存儲空間的能力；

（4）可向云計算用戶提供虛擬的海量存儲空間，也就是精簡配置；

（5）可對后端存儲資源有效管理，杜絕浪費。

2.1 彈性可伸縮的擴展能力

隨著企業信息化進程的不斷深入，各種應用系統越來越多，各種數據也是快速增長。為了支撐前端龐大的應用，后端的存儲系統也必須能夠同時具備縱向擴展和橫向擴展能力。縱向擴展能力的技術實現通常相對簡單，但由于只是在單一的存儲節點上進行容量的擴展，縱向擴展方法在存儲容量過大、并發訪問用戶大時，存儲節點的前端處理控制單元會成為I/O瓶頸。

為了解決單一存儲節點有限的處理能力和高并發用戶、海量存儲空間之間的矛盾，現在的存儲廠家都推出了具有橫向擴展能力的存儲設備。

2.1.1 Block存儲擴展

對于采用Block方式的存儲系統一般是通過多控制器方式進行擴展：存儲設備通過多控制器網狀架構連接，在進行磁盤容量擴展的同時，控制器也得以擴展，保障提供足夠的前端帶寬和數據轉存能力。

2.1.2 NAS存儲擴展

對于NAS存儲擴展，一是橫向擴展：采用獨立文件分散放置方式，其特征是文件服務器節點隨機將文件存放在各自的存儲空間里。這種模式下，NAS系統的文件服務器可做橫向擴展，并且每個NAS文件服務器后端存儲只負責存放隸屬于本文件服務器的文件。盡管每一個文件的讀寫并沒有實現負載均衡，但是當文件數量達到一定規模時，將從宏觀上實現整體的負載均衡。這種模式比較適合大量的小文件讀寫操作。NAS系統擴展的另一方式是將存儲條帶化，再將文件切分放置于每個文件服務節點后端的存儲上，對于需要提供高清視頻VOD云服務的業務，通常單個文件都是GB級別，比較適合采用此種NAS系統，因此，當客戶端訪問該文件時，可以每個文件服務節點均會提供讀寫服務。

2.2 虛擬化存儲技術

虛擬化存儲技術是云計算的核心技術之一，虛擬化的主要目的是將存儲資源“池化”，系統管理員只關注如何滿足用戶提出的實際存儲容量、數據安全級別、性能等級即可。對于后端存儲資源的分配和使用，系統管理員只需要從這個處于云端的存儲資源池里提取即可。

2.3 多用戶安全共享

共享存儲空間的安全從來都是存儲系統中一個極其重要的問題，例如有意、無意的刪除或者泄密等都是經常出現的問題。同樣，云計算中由于其用戶位置的不可預知性、浮動性等原因，多用戶共享的安全尤為重要，因此必須要有相應的安全隔離措施。目前，比較領先的技術是利用虛擬專用陣列技術，可以將一套物理存儲劃分為多個虛擬存儲，并分配給不同的使用客戶。通過對用戶和主機的安全的隔離管理，使每個用戶群和應用都獲得了比以前更高的存儲服務級別包括性能、可用性和功能性，而所使用的設施卻更少。

由于所有用戶都只能訪問經過授權的屬于自己的虛擬存儲域，這樣他們就可以獨立和安心地管理和監控和使用系統，而不必擔心其他用戶的行為或被其他用戶看到。有意或無意地刪除以及未經授權或意外的卷訪問都可以得到避免和防止。

2.4 精簡配置

對于云計算系統這樣的多用戶共享存儲環境，一個突出的難題是如何精確地為每個用戶分配適量的存儲空間，即必須滿足用戶數據持續增長的需求，還要提高存儲空間分配的準確率，避免過多分配無用空間而造成的資源浪費。

用戶數據的增長具有極大的不可預測性，這就為系統管理員對存儲空間的分配帶來很大困難。實際情況常常是，系統管理員往往過多地預估存儲空間，分配超過實際容量50%甚至更多的空間，當然也有分配空間不夠用戶使用的情況。由于需要在單一存儲上整合多個應用，這種過多分配空間的后果是造成存儲資源的大量閑置和浪費。那么具有精簡配置技術存儲，恰好解決上述難題。精簡配置也稱之為動態空間軟件，只有在數據寫入時才消耗物理空間，動態容量功能消除了預留但未使用的空間，并延緩了未來存儲的購買需求，減少了存儲的成本。

2.5 無用存儲空間回收

用戶往往不斷地寫入和刪除大量的數據會讓精簡卷出現閑置空間，即使是大量的小規模的數據寫入和刪除，也會降低精簡卷的效率。實際上，這種數據的邏輯刪除并沒有釋放以前使用的空間，反而會逐漸導致更多隱性的資源浪費。

作為云計算平臺，將面臨大量的用戶群體。因此，必須解決已分配空間中的已刪除信息的空間回收問題。具備持續精簡功能的存儲，可以檢測連續對已分配卷進行持續地聯線（線速）“精簡”，同時保持原有的服務水平，且不中斷生產工作負載。做到絕不浪費任何存儲空間。當在多用戶的云計算環境中，具備持續精簡的存儲，可以回收大量的無用空間，從而實現資源最大化利用。

3 企業私有云中的存儲系統整合

云計算的發展是一種趨勢，構建企業的私有云，如何在當今和以后使企業內部應用平臺滿足云計算的架構，或者在以后的發展中使應用系統架構逐步的趨于、滿足云計算概念，一種快捷的方式是馬上進入“云時代”，對目前的存儲系統進行重新規劃，使目前的存儲滿足統一存儲、動態擴展等。

3.1 目前的存儲現狀

目前在一個典型的企業中，信息技術融入生產、辦公、科研一般都有多年的經驗和歷史，由于受當時技術、思想和硬件條件的限制，在信息平臺構建時幾乎無一例外地采用了分散存儲方式，各種不用應用的數據存放于一個或多個地點，各自擁有不同的存儲子系統，并通過不同平臺上的應用軟件進行訪問，企業中的每個應用軟件專有地訪問它自己的存儲設備。分散存儲系統具備如下特點：

（1）各個存儲系統相對獨立，資源無法共享；

（2）從存儲底層來看，這些分散存儲系統的功能重疊、用途相同。例如，A應用對應的在線存儲為A存儲；而B應用對應的在線存儲又是另外一套B存儲。A、B兩套存儲都作為在線數據塊的存儲系統，僅僅是服務的對象不同而已。

在企業私有云的建設中，如何整合以上特點的分散存儲系統，使之更好地為今后的云計算平臺服務。對此目前有許多存儲廠商都提供了比較成熟的解決方案和產品，例如SAN虛擬化、存儲虛擬化等都可以實現存儲資源整合。存儲整合的目的是指把企業或者云計算服務商的存儲系統進行一定的“處理”， 重新組合成一個單獨的物理存儲系統或一個存儲系統池中，整合后的存儲系統相比分散的存儲系統具有如下優勢：

（1）存儲資源統一到一個資源池里，方便系統資源調度，最大化提高系統資源利用率；

（2）統一的管理平臺，簡化系統管理工作；

（3）集中的存儲平臺讓災難備份更加簡單；

（4）結合諸如虛擬存儲分區等技術，讓同一存儲平臺安全可靠地為企業的不同應用提供服務，進而為實現云計算提供技術保障。

3.2 存儲整合

3.2.1 SAN虛擬化整合技術

SAN虛擬化是基于存儲網絡的虛擬化解決方案，可以把存儲池集中管理，并在不同的服務器環境中創建異構存儲資源虛擬卷，也可在異構存儲之間實現快照、容災等高級功能。

利用SAN虛擬化的存儲整合技術資源池、統一，可以把企業已有的多個不同型號，甚至不同品牌的存儲系統在SAN的層面整合起來，整合后的存儲系統，具有同一的存儲的卷管理平臺。從而可以實現簡化管理、提高資源利用的目的。這種存儲整合目前只適合在線數據塊級別的光纖通道存儲的整合，而對iSCSI架構的存儲，目前還沒有好的解決方案。當然也存在一定的缺陷：

（1）SAN虛擬化技術僅工作在SAN層面，存放在磁盤陣列上的數據必須完全依賴于SAN虛擬化設備，如果SAN虛擬化設備發生故障，存放在磁盤陣列上的數據將無法被服務器所訪問，造成數據的假性丟失。

（2）目前這類產品各自都存有較明顯的技術缺陷，如 SVC控制器無法實現負載均衡， 而V-Plex只能對后端存儲資源池做RAID1。在企業用戶中，SAN虛擬化的用戶更是非常稀少，缺乏足夠的市場用戶使用體驗證明。

（3）SAN虛擬化技術，對后端存儲的兼容支持比較有限。不少較老型號的磁盤陣列、小品牌盤陣，一般無法兼容而達到整合的目的。

3.2.2 外部存儲整合技術

存儲整合另一種技術是外部存儲整合，一般是某些廠商的高端磁盤陣列兼備的功能，實現方法是利用軟件整合其他外部異構磁盤存儲設備，可將分散的磁盤存儲設備虛擬化成一個存儲池。基本原理是把其他異構陣列的LUN通過軟件映射到本機磁盤陣列內部，對主機而言，所有的LUN均被視為本機磁盤陣列的一部分。用戶無需關心這些LUN到底存在于本機磁盤陣列上還是其他磁盤陣列上。如External Storage XP就是這樣的整合方式。企業自己可以利用外部存儲整合功能，把現有的各種異構磁盤陣列整合到一起。和SAN虛擬化技術不同，外部存儲整合技術，對最終存放數據的磁盤陣列上的卷，并不進行元數據修改，因此，即便是高端磁盤陣列故障，后端外掛的磁盤陣列上的數據仍然可以被服務器訪問，沒有SAN虛擬化設備那樣的假性數據丟失現象。

這種技術明顯的不足之處在于：前端的磁盤陣列對后端磁盤陣列的兼容支持比較有限。不少較老型號的磁盤陣列等無法兼容。由于是通過高端磁盤陣列將存儲資源池里的LUN轉呈給服務器，依賴于軟件的實現，當后端存儲過多時，前端高端盤陣有限的緩存、端口數、RAID處理芯片其實也會成為系統性能的瓶頸。

3.2.3 純軟件異構存儲方案

用純軟件方法是解決存儲整合的另一種解決方案，在服務器端安裝軟件，用軟件方式實現卷復制功能，以達到與底層存儲無關的目的。由于存儲整合的重要特征就是具備將存儲資源池化、統一供給、統一管理。這類解決方案只能著力于解決異構存儲的容災，并不是真正意義上的存儲整合，如Storage Foundation等。4 企業私有云建設中的存儲架構規劃建議

存儲系統是企業私有云建設中的一個重要組成部分，在企業私有云建設中，需要對已有的存儲設備進行調整，并規劃以后企業新的存儲的架構，一般建議新的存儲架構必須具備以下幾個特征。

4.1 具有統一存儲的功能

一般企業現有的系統架構都同時具有Block 和File兩種不同的數據類型，所以，提供統一存儲的設備，同時需要支持Block 和 File兩種類型，便于企業日后系統靈活的規劃和調整。

4.2 具備云存儲的特征

既然要作為核心的統一存儲池，就需要具備足夠的擴展能力，這種擴展除了傳統意義上的縱向容量擴展以外，還需要考慮橫向擴展，以便在擴展容量的同時擴充性能，而且，分散和組合都是自由實現，不受設備本身的限制和影響。

4.3 具備虛擬化的特性

未來的存儲架構必須要去適應虛擬化，也就是存儲需要具備虛擬化的特性，這樣才可以和虛擬化系統更好地配合，這也可以為存儲擴展、規劃留下充裕的空間。

5 結束語

盡管云計算早就已經被提了出來，但是直到近年，云計算才在國內的許多行業得以重視。在不經意間，我們所處的世界已經發生了天翻地覆的革新，云計算業務生活中隨處可見、觸手可及。在建設數字化城市、數字化油田時，企業也應該與時俱進，考慮和規劃企業的云計算環境。

主要參考文獻

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